Friedrich Kamprad

Radiobiological mechanisms of anti-inflammatory radiotherapy

Radiotherapy with total doses of < or =6 Gy has been given as very effective and low risk treatment of painful degenerative joint diseases and other inflammatory processes. Recent radiobiological experiments in vitro and in vivo identified mechanisms which may be related to these anti-inflammatory radiation effects, in particular functional modulation of the adhesion of white blood cells to activated endothelial cells and modulation of the induction of nitric oxide synthase in activated macrophages.

Estimation of Cancer Risks from Radiotherapy of Benign Diseases

Background:The effective-dose method which was proposed by the ICRP (International Commission of Radiation Protection) for the estimation of risk to the general population from occupational or environmental, low-dose radiation exposure is not adequate for estimating the risk of cancer induction by radiotherapy of malignant or nonmalignant diseases.Methods:The risk of cancer induction by radiotherapy of benign diseases should be based on epidemiologic data directly derived from follow-up studies of patients who had been given radiotherapy for nonmalignant diseases in the past.Results:Risk factors were derived from epidemiologic studies of patients treated with irradiation for nonmalignant diseases to be used for selecting treatment options and optimizing treatment procedures.Conclusion:In most cases, cancer risks estimated by the effective-dose method may overestimate the true risks by one order of magnitude, yet in other cases even may underestimate it. The proposed method using organ-specific risk factors may be more suitable for treatment planning.Hintergrund:Die Methode der Berechnung der effektiven Strahlendosis ist für die Abschätzung des Risikos der durch eine Strahlentherapie gutartiger oder bösartiger Krankheiten induzierten Krebserkrankungen ungeeignet.Methodik:Das Risiko strahleninduzierter Krebserkrankungen sollte auf der Basis epidemiologischer Daten von Patienten abgeschätzt werden, die wegen gutartiger Erkrankungen bestrahlt worden sind.Ergebnisse:Aus entsprechenden Therapiestudien wurden Risikofaktoren für die kritischen Organe abgeschätzt. Sie sind besser geeignet, das jeweils geeignete Therapieverfahren und den besten Bestrahlungsplan zu wählen, als die von der ICRP (International Commission of Radiation Protection) für den vorbeugenden Strahlenschutz entwickelten Risikofaktoren.Schlussfolgerung:In den meisten Fällen überschätzt die Methode der effektiven Dosis das in klinischen Studien gefundene Krebsrisiko um eine Größenordnung, in Einzelfällen kann sie das Risiko aber auch unterschätzen. Die vorgeschlagene Methode der Risikoabschätzung erscheint für die Therapieplanung besser geeignet.

Funktionelle und molekulare Aspekte der antiinflammatorischen Wirkung niedrig dosierter Radiotherapie

Hintergrund: Niedrig dosierte Radiotherapie (LD-RT) mit Dosen zwischen 0,1 und 1,0 Gy hat eine empirisch gut belegte antiinflammatorische Wirksamkeit. Obwohl verschiedene Hypothesen über die Mechanismen für die klinische Wirkung vorgeschlagen wurden, liegen bislang nur wenige experimentelle Untersuchungen vor. Aktuelle Daten über funktionelle und molekulare Aspekte der LD-RT im Hinblick auf ihre adhäsionsbiologischen und antiinflammatorischen Effekte werden vorgestellt. Methoden und Ergebnisse: In experimentellen Modellen der Osteoarthritis und rheumatoiden Arthritis konnten klinisch nachweisbare antiinflammatorische Effekte der LD-RT objektiviert werden. Im Modell der Adjuvansarthritis führten sowohl 5 × 1,0 als auch 5 × 0,5 Gy, wenn zum Zeitpunkt des akuten Entzündungsmaximums appliziert, klinisch und histologisch zu einer Prävention der weiteren Arthritisprogression, ohne bereits vorhandene Zeichen zu vermindern. In einem In-vitro-Assay wurde der Einfluss von LD-RT auf die Adhäsion von mononukleären Zellen des peripheren Blutes PBMC) an Endothelzellen (EC) untersucht. Dabei zeigte die Adhäsion bereits 4 Stunden nach Bestrahlung mit Einzeldosen von 0,3–0,7 Gy ein relatives Minimum im Vergleich zur Kontrolle. Als mögliche Mechanismen der verminderten Adhäsion wurden auf Seite der PBMC ein diskontinuierlicher Anstieg der Apoptoserate mit einem lokalen Maximum bei 0,3–0,5 Gy, die proteolytische Abspaltung des L-Selektins von der Oberfläche und eine gesteigerte Expression des antiinflammatorischen Zytokins Interleukin 10 bzw. die Herunterregulation von TNFα bestimmt. Auf Seiten der Endothelzellen konnte neben einer Reduktion von E-Selektin die Induktion des antiinflammatorisch wirksamen Zytokins Transforming Growth Factor beta (TGFβ1) mit einem Maximum bei 0,5 Gy festgestellt werden. In den Entzündungsherd migrierende Makrophagen exprimieren induzierbare Stickoxidsynthase (iNOS), welche über die Bildung von Stickoxid (NO) sowohl zytotoxische als auch immunmodulatorische Effekte vermittelt. LD-RT aktivierter Makrophagen mit 0,6–1,25 Gy reduzierte die NO-Produktion und iNOS-Protein-Expression ohne nachweisbaren Effekt auf die iNOS-mRNA-Expression in vitro. Schlussfolgerung: Es wird deutlich, dass LD-RT wahrscheinlich mit unterschiedlichen zellulären Komponenten und Mechanismen des Entzündungsprozesses interferiert. Die Untersuchungen bestätigen antiinflammatorische Effekte der LD-RT in vitro und in vivo. Dabei steht derzeit die funktionelle Regulation der adhäsiven Interaktion von PBMC und Endothelzellen sowie von aktivierten Makrophagen im Mittelpunkt. Weiterführende experimentelle Ansätze könnten zur weiteren Klärung der molekularen Mechanismen führen.Purpose: Low-dose radiotherapy (LD-RT) with single fractions between 0.1 and 1.0 Gy is known to exert an antiinflammatory effect. Although different mechanisms for the clinical efficiency were proposed, only few experimental data are still available. This paper focuses on functional and molecular aspects of LD-RT. Methods and Results: The antiinflammatory efficiency of LD-RT in clinical studies could be confirmed in experimental models of osteoarthritis and rheumatoid arthritis. In a model of adjuvans arthritis, 5 × 1.0 Gy as well as 5 × 0.5 Gy, given at the maximum of the acute inflammation, could prevent clinically and histologically progression of the disease without affecting existing signs of inflammation. The effect of LD-RT on the adhesion of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and endothelial cells (EC) was analyzed in in-vitro assays. In the dose range between 0.3 and 0.7 Gy almost 4 hours after irradiation adherent cells reached a relative minimum of adhesion compared to unirradiated controls. In PBMC an discontinuous increase of apoptosis with a maximum between 0.3 and 0.5 Gy, the proteolytic shedding of L-selectin and an increased expression of the antiinflammatory cytokine interleukin 10 as well as downregulation of TNFα could be identified as potential mechanisms for the observed reduced adhesion. Conversely, reduced expression of E-selectin and an increased induction of transforming growth factor beta (TGFβ1) with a maximum at 0.5 Gy could be observed in endothelial cells. Macrophages immigrating the site of inflammation are known to express inducible nitric-oxidase synthase (iNOS), which in turn mediates cytotoxic and immunmodulatory effects by producing nitric oxide (NO). LD-RT of stimulated macrophages within the dose range between 0.6 and 1.25 Gy reduced NO production and iNOS-protein expression without affecting iNOS-mRNA expression. Conclusion: Our experimental data have confirmed the antiinflammatory efficiency of LD-RT in vitro and in vivo, indicating effects on different cellular components and mechanisms of inflammation. The regulation of the adhesion between PBMC and endothelial cells and the effects on activated macrophages may mediate the antiinflammatory properties of LD-RT. Ongoing experiments will help to clarify the molecular mechanism.

Inhibition of the iNOS pathway in inflammatory macrophages by low-dose X-irradiation in vitro. Is there a time dependence?

Background: Low radiation doses (≤ 1.25 Gy), if applied 6 h before or after stimulation, are known to inhibit the inducible nitric oxide synthase (iNOS) pathway in inflammatory macrophages in vitro. We therefore investigated the time dependence and the underlying molecular mechanism of this effect, since it may be involved in the clinically observed anti-inflammatory and analgesic efficacy of low-dose radiotherapy. Material and Methods: Metabolic activity, nitric oxide (NO) production, iNOS- and hemoxygenase 1-(HO-1-)protein and -mRNA expression by macrophages in vitro after stimulation with LPS/IFN-γ (0.1 μg ml−1/100 U ml−1) were investigated. Irradiation was performed at 6, 4, 2 h before and 0, 2, 4, 6 h after stimulation with doses ranging from 0.3 to 10 Gy. For each group, three independent experiments were performed over a period of 30 h with sampling intervals of 3 h. Results: In stimulated macrophages, metabolic activity was not affected by radiation doses up to 10 Gy. A dose-dependent modulation of the cumulative NO production was observed with significant inhibition by low radiation doses ≤ 1.25 Gy) and return to control level and even higher concentrations by higher doses (≤ 5 Gy). The degree of inhibition did not show any significant time dependence within the experimental time window used. The iNOS-mRNA expression 3–18 h following stimulation and subsequent irradiation was not affected by doses ≤ 1.25 Gy. The iNOS-protein expression 6–24 h following stimulation and subsequent irradiation was reduced by doses ≤ 1.25 Gy. By contrast, neither HO-1-protein nor HO-1-mRNA expression at the same time points was influenced by these low doses. Conclusion: The inhibitory interference of low radiation doses with the iNOS pathway in inflammatory macrophages appears to be based on radiation effects on the translational and posttranslational control mechanisms of iNOS activity. However, contrary to our working hypothesis this is not related to radiation-induced induction of HO-1 expression and thereby increased degradation of heme which is essential for iNOS activity. Thus, other posttranslational modifications such as the proteasome degradation pathway might be involved.Hintergrund: Niedrige Strahlendosen (≤ 1,25 Gy), wenn 6 h vor oder nach Zellstimulation appliziert, können die Aktivität der induzierbaren Stickoxidsynthase (iNOS) inflammatorischer Makrophagen in vitro inhibieren. Wir untersuchten die Zeitabhängigkeit und mögliche molekulare Wirkmechanismen dieses Effekts, da er in die klinisch beobachtete antiinflammatorische und analgetische Wirksamkeit der niedrig dosierten Strahlentherapie involviert sein könnte. Material und Methodik: Metabolische Aktivität, kumulative Stickoxid-(NO-)Produktion, iNOS- und Hämoxygenase-1-(HO-1-)Protein- und -mRNA-Expression durch Makrophagen wurden nach Stimulation mit LPS/IFN-γ (0,1 μg ml−1/100 U ml−1) in vitro untersucht. Die Bestrahlung erfolgte entweder 6, 4, 2 h vor oder 0, 2, 4, 6 h nach Stimulation mit Dosen von 0,3–10,0 Gy. Für jede Gruppe wurden drei unabhängige Experimente über eine Zeitraum von 30 h mit Zeitintervallen von 3 h durchgeführt. Ergebnisse: Die metabolische Aktivität stimulierter Makrophagen blieb nach Stahlendosen ≤ 10 Gy unbeeinflusst. Es wurde eine dosisabhängige, diskontinuierliche Modulation der kumulativen NO-Produktion mit signifikanter Inhibition durch niedrige Strahlendosen (≤ 1,25 Gy) und Rückkehr zu Kontrollwerten oder höheren Konzentrationen nach Dosen ≤ 5 Gy beobachtet. Das Ausmaß der Inhibition zeigte innerhalb des untersuchten experimentellen Zeitfensters keine signifikante Zeitabhängigkeit. Die iNOSmRNA-Expression blieb 3–18 h nach Stimulation und unmittelbar anschließender Bestrahlung mit Dosen ≤ 1,25 Gy unbeeinflusst. Die iNOS-Protein-Expression war 6–24 h nach Stimulation und unmittelbar anschließender Bestrahlung mit Dosen ≤ 1,25 Gy vermindert. Im Gegensatz dazu war weder die HO-1-Protein- noch die HO-1-mRNA-Expression zu den gleichen Zeitpunkten nach diesen niedrigen Dosen beeinflusst. Schlussfolgerung: Die inhibitorische Interferenz niedriger Strahlendosen mit dem iNOS-Pathway inflammatorischer Makrophagen scheint auf Strahleneffekten auf die translationellen und posttranslationellen Kontrollmechanismen der iNOS-Aktivität zu beruhen. Im Gegensatz zu unserer Arbeitshypothese ist dies nicht durch eine Induktion des Stressproteins HO-1 durch niedrige Dosen und die dadurch bedingte gesteigerte Degradation von Häm als essentiellem oxidativem Kofaktor der iNOS-Aktivität zu erklären. Andere posttranslationelle Modifikationen wie der Proteasom-Degradations-Pathway könnten involviert sein.

Inhibition of the iNOS Pathway in Inflammatory Macrophages by Low-Dose X-Irradiation In Vitro

Background: Low radiation doses (≤ 1.25 Gy), if applied 6 h before or after stimulation, are known to inhibit the inducible nitric oxide synthase (iNOS) pathway in inflammatory macrophages in vitro. We therefore investigated the time dependence and the underlying molecular mechanism of this effect, since it may be involved in the clinically observed anti-inflammatory and analgesic efficacy of low-dose radiotherapy. Material and Methods: Metabolic activity, nitric oxide (NO) production, iNOS- and hemoxygenase 1-(HO-1-)protein and -mRNA expression by macrophages in vitro after stimulation with LPS/IFN-γ (0.1 μg ml−1/100 U ml−1) were investigated. Irradiation was performed at 6, 4, 2 h before and 0, 2, 4, 6 h after stimulation with doses ranging from 0.3 to 10 Gy. For each group, three independent experiments were performed over a period of 30 h with sampling intervals of 3 h. Results: In stimulated macrophages, metabolic activity was not affected by radiation doses up to 10 Gy. A dose-dependent modulation of the cumulative NO production was observed with significant inhibition by low radiation doses ≤ 1.25 Gy) and return to control level and even higher concentrations by higher doses (≤ 5 Gy). The degree of inhibition did not show any significant time dependence within the experimental time window used. The iNOS-mRNA expression 3–18 h following stimulation and subsequent irradiation was not affected by doses ≤ 1.25 Gy. The iNOS-protein expression 6–24 h following stimulation and subsequent irradiation was reduced by doses ≤ 1.25 Gy. By contrast, neither HO-1-protein nor HO-1-mRNA expression at the same time points was influenced by these low doses. Conclusion: The inhibitory interference of low radiation doses with the iNOS pathway in inflammatory macrophages appears to be based on radiation effects on the translational and posttranslational control mechanisms of iNOS activity. However, contrary to our working hypothesis this is not related to radiation-induced induction of HO-1 expression and thereby increased degradation of heme which is essential for iNOS activity. Thus, other posttranslational modifications such as the proteasome degradation pathway might be involved.Hintergrund: Niedrige Strahlendosen (≤ 1,25 Gy), wenn 6 h vor oder nach Zellstimulation appliziert, können die Aktivität der induzierbaren Stickoxidsynthase (iNOS) inflammatorischer Makrophagen in vitro inhibieren. Wir untersuchten die Zeitabhängigkeit und mögliche molekulare Wirkmechanismen dieses Effekts, da er in die klinisch beobachtete antiinflammatorische und analgetische Wirksamkeit der niedrig dosierten Strahlentherapie involviert sein könnte. Material und Methodik: Metabolische Aktivität, kumulative Stickoxid-(NO-)Produktion, iNOS- und Hämoxygenase-1-(HO-1-)Protein- und -mRNA-Expression durch Makrophagen wurden nach Stimulation mit LPS/IFN-γ (0,1 μg ml−1/100 U ml−1) in vitro untersucht. Die Bestrahlung erfolgte entweder 6, 4, 2 h vor oder 0, 2, 4, 6 h nach Stimulation mit Dosen von 0,3–10,0 Gy. Für jede Gruppe wurden drei unabhängige Experimente über eine Zeitraum von 30 h mit Zeitintervallen von 3 h durchgeführt. Ergebnisse: Die metabolische Aktivität stimulierter Makrophagen blieb nach Stahlendosen ≤ 10 Gy unbeeinflusst. Es wurde eine dosisabhängige, diskontinuierliche Modulation der kumulativen NO-Produktion mit signifikanter Inhibition durch niedrige Strahlendosen (≤ 1,25 Gy) und Rückkehr zu Kontrollwerten oder höheren Konzentrationen nach Dosen ≤ 5 Gy beobachtet. Das Ausmaß der Inhibition zeigte innerhalb des untersuchten experimentellen Zeitfensters keine signifikante Zeitabhängigkeit. Die iNOSmRNA-Expression blieb 3–18 h nach Stimulation und unmittelbar anschließender Bestrahlung mit Dosen ≤ 1,25 Gy unbeeinflusst. Die iNOS-Protein-Expression war 6–24 h nach Stimulation und unmittelbar anschließender Bestrahlung mit Dosen ≤ 1,25 Gy vermindert. Im Gegensatz dazu war weder die HO-1-Protein- noch die HO-1-mRNA-Expression zu den gleichen Zeitpunkten nach diesen niedrigen Dosen beeinflusst. Schlussfolgerung: Die inhibitorische Interferenz niedriger Strahlendosen mit dem iNOS-Pathway inflammatorischer Makrophagen scheint auf Strahleneffekten auf die translationellen und posttranslationellen Kontrollmechanismen der iNOS-Aktivität zu beruhen. Im Gegensatz zu unserer Arbeitshypothese ist dies nicht durch eine Induktion des Stressproteins HO-1 durch niedrige Dosen und die dadurch bedingte gesteigerte Degradation von Häm als essentiellem oxidativem Kofaktor der iNOS-Aktivität zu erklären. Andere posttranslationelle Modifikationen wie der Proteasom-Degradations-Pathway könnten involviert sein.

Low-dose X-irradiation of adjuvant-induced arthritis in rats: Efficacy of different fractionation schedules

Background and Purpose:Low-dose radiotherapy is widely accepted as a very effective treatment option for inflammatory symptoms associated with painful degenerative joint disorders. Radiation doses and fractionation schedules in practical use are empirical and mainly based on clinical observations. Experimental data are rare. The efficacy of low-dose X-irradiation on adjuvant induced arthritis in rats using different fractionation schemes was investigated in vivo, in order to explore whether there is a dose and fractionation dependence.Material and Methods:Adjuvant arthritis in female Lewis rats (n = 128) was induced by intradermal injection of heat-inactivated Mycobacterium tuberculosis on day 0. Both arthritic hind paws were sham-irradiated (group 1: days 10–14; group 2: days 15–19; group 3: days 22–26) or X-irradiated with either 5 × 1.0 Gy (group 4: days 10–14; group 6: days 15–19; group 8: days 22–26; group 10: days 10, 12, 14, 16, and 18) or 5 × 0.5 Gy (group 5: days 10–14; group 7: days 15–19; group 9: days 22–26; group 11: days 10, 12, 14, 16, and 18; group 12: days 10–14 and 22–26). The clinical parameters arthritis score (AS), hind paw volume (HPV), and body weight were determined.Results:A significant decrease of the clinical arthritis parameters was observed following 5 × 0.5 Gy or 5 × 1.0 Gy during the acute maximum of the inflammatory response (days 15–19). The most pronounced treatment effect was reached after two daily fractionated series of 5 × 0.5 Gy with an early treatment onset (days 10–14) and repetition in interval (days 22–26). After the application of 5 × 1.0 Gy on days 10–14 or in a protracted scheme (days 10, 12, 14, 16, and 18), only a nonsignificant positive trend could be detected. Daily fractionated X-irradiation in the chronic phase of adjuvant arthritis (days 22–26) did not show any positive clinical effect.Conclusion:Low-dose radiotherapy is able to prevent a full-blown arthritic reaction if given during the florid phase of adjuvant arthritis. Two series of 5 × 0.5 Gy with an early treatment onset (days 10–14) and repetition in interval (days 22–26) were the most effective treatment schedule in this experimental study.Hintergrund und Ziel:Die niedrig dosierte Strahlentherapie wird als effektive Behandlungsoption bei schmerzhaften, entzündlich reaktivierten degenerativen Gelenkerkrankungen angesehen. Die verwendeten Einzeldosen und Fraktionierungen basieren im Wesentlichen auf klinisch-empirischen Beobachtungen. Experimentelle Untersuchungen sind sehr selten. Das Ziel dieser Studie war die Beurteilung der klinischen Wirksamkeit verschiedener Fraktionierungsschemata und Einzeldosen in einem experimentellen Arthritismodell der Ratte, um zu überprüfen, ob eine Dosis- oder Fraktionierungsabhängigkeit vorliegt.Material und Methodik:Bei weiblichen Lewis-Ratten (n = 128) wurde durch intradermale Injektion von hitzeinaktiviertem Mycobacterium tuberculosis am Tag 0 eine Adjuvansarthritis induziert. Beide Hinterpfoten arthritischer Versuchstiere wurden scheinbestrahlt (Gruppe 1: Tage 10–14; Gruppe 2: Tage 15–19; Gruppe 3: Tage 22–26) oder lokal bestrahlt mit entweder 5 × 1,0 Gy (Gruppe 4: Tage 10–14; Gruppe 6: Tage 15–19; Gruppe 8: Tage 22–26; Gruppe 10: Tage 10, 12, 14, 16 und 18) oder 5 × 0,5 Gy (Gruppe 5: Tage 10–14; Gruppe 7: Tage 15–19; Gruppe 9: Tage 22–26; Gruppe 11: Tage 10, 12, 14, 16 und 18; Gruppe 12: Tage 10–14 und 22–26). Die klinischen Parameter Arthritisscore (AS), Hinterpfotenvolumen (HPV) und Körpergewicht wurden im Verlauf bestimmt.Ergebnisse:Nach 5 × 0,5 Gy oder 5 × 1,0 Gy während des akuten Entzündungsmaximums (Tage 15–19) konnte eine signifikante Reduktion der klinischen Arthritisparameter beobachtet werden. Der günstigste Behandlungseffekt wurde mit zwei täglich fraktionierten Serien von 5 × 0,5 Gy bei frühzeitigem Behandlungsbeginn (Tage 10–14) und Wiederholung im Intervall (Tage 22–26) erreicht. Nach 5 × 1,0 Gy an den Tagen 10–14 oder in einem protrahierten Schema (Tage 10, 12, 14, 16 und 18) war lediglich ein nichtsignifikanter positiver Trend nachweisbar. Die tägliche fraktionierte Bestrahlung in der chronischen Phase der Adjuvansarthritis (Tage 22-26) zeigte keinen positiven klinischen Effekt.Schlussfolgerung:Eine niedrig dosierte Strahlentherapie ist in der Lage, die volle Ausprägung einer arthritischen Reaktion zu verhindern, wenn sie während der floriden Phase der Adjuvansarthritis appliziert wird. In dieser Studie waren zwei Bestrahlungsserien von 5 × 0,5 Gy mit frühzeitigem Behandlungsbeginn (Tage 10–14) und Wiederholung im Intervall (Tage 22–26) das effektivste Behandlungsschema.

Effekte einer niedrig dosierten Co-60-Bestrahlung auf den Verlauf einer aseptischen Arthritis am Kniegelenk des Kaninchens

ZusammenfassungZielZahlreiche klinisch-empirische Erhebungen zeigten die Effektivität niedriger Strahlendosen in der Therapie schmerzhafter entzündlich-degenerativer Gelenkerkrankungen. Experimentelle Untersuchungen liegen jedoch kaum vor. Wir untersuchten die Effekte einer lokalen fraktionierten Co-60-Bestrahlung mit 5mal 1,0 Gy auf eine artifizielle aseptische Arthritis am Kniegelenk des Kaninchens.Material und MethodenEs wurden drei Einzelversuche (EV) mit jeweils zehn Kaninchen (fünf Versuchs-und fünf Kontrolltiere) durchgeführt (Versuchsdauer: EV1: 18 Tage; EV2: sechs Tage; EV3: 29 Tage). Die Induktion der aseptischen Arthritis erfolgte am Tag 0 durch intraartikuläre Injektion von 0,5 ml einer 3% igen Papainlösung (30 000 USP/mg) in das rechte Kniegelenk. Die täglich fraktionierte lokale Bestrahlung des arthritischen Gelenks mit 5mal 1,0 Gy wurde an den Tagen 1 bis 5 während einer Kurznarkose durchgeführt. Die Kontrollgruppen wurden in analoger Technik an den Tagen 1 bis 5 scheinbestrahlt. Der Verlauf der Arthritis in den Versuchs-und Kontrollgruppen wurde anhand klinischer, laborchemischer und morphometrischer Parameter charakterisiert. Die klinische Untersuchung erfolgte täglich, die Punktion der Kniegelenke in EV1 wiederholt, in EV2 und EV3 am letzten Versuchstag. Jeweils am Versuchsende wurden die Kniegelenke zur histologischen Analyse nach erfolgter Euthanasie entnommen.ErgebnisseDie intraartikuläre Injektion von Papain führte bei allen Tieren zu einer perakuten entzündlichen Reaktion, welche nach einer Woche in die chronische Phase überging und sich über mehrere Wochen kontinuierlich zurückbildete. Die lokal bestrahlten Versuchstiere zeigten klinisch eine signifikant schnellere Rückbildung der entzündlichen Gelenkschwellung. Am Tag 6 lag ein signifikant geringeres Synovialflüssigkeitsvolumen in bestrahlten Kniegelenken vor. Die morphometrischen Daten wiesen auf eine Reduktion der Verdickung der Synovialmembran, eine Abnahme der Synovialzellreihen und eine verkürzte Distanz zwischen Kapillaren und Synovialmembranoberfläche nach lokaler Bestrallung hin. Infolge beträchtlicher individueller Schwankungen waren diese Befunde zum Teil statistisch nicht signifikant.SchlußfolgerungDie Experimente weisen einen antiphlogistischen Effekt der Bestrahlung mit 5 mal 1,0 Gy in vivo nach und unterstützen damit klinische Beobachtungen der Effektivität von Entzündungsbestrahlungen.AbstractPurposeNumerous clinical observations demonstrate the efficacy of low radiation doses in the treatment of painful osteoarthritis. Experimental investigations remain scarce. We investigated the effects of locally daily 5 times 1.0 Gy 60-Co irradiation on an artificially induced aseptic gonarthritis in rabbits.Material and MethodsThree separate experiments (EV) were performed (10 rabbits per experiment, 5 treated/5 controls; duration: EV1: 18 days; EV2: 6 days; EV3: 29 days). An aseptic arthritis in the right knee joint of rabbits was induced by intraarticular injection of 0.5 ml papain solution (3%, 30,000 USP/mg) on day 0. The arthritic knee joint of the anesthesized animals was irradiated daily from day 1 to 5 with 5 times 1.0 Gy. The controls were sham-irradiated under the same conditions. The time course of arthritis in treated animals and sham-treated controls was evaluated by clinical laboratory-chemical and histological criteria. The clinical investigation was performed daily, the puncture of the kneejoints was carried out several times in EV1, and at the end of experiments in EV2 and EV3. At the end of the observation period, animals were killed and the knee joints excised for histological analysis.ResultsThe intraarticular injection of papain caused a peracute inflammatory response in all animals. After 1 week the chronical stage was reached, and the experimental arthritis resolved slowly within several weeks. Local irradiation accelerated the decrease of inflammatory joint swelling, being significant by day 4. On day 6 the volume of synovial fluid in irradiated knee-joints was significantly smaller. The morphometric data indicated a reduction in thickness of synovial membrane, a decrease in number of synovial cell layers, and a decrease in distance between capillaries and the synovial membrane surface following irradiation of arthritic joints. Due to considerable individual variability, the morphometric data partially did not reach statistically significance.ConclusionThe experiments provide evidence for an antiphlogistic effect of irradiation with 5 times 1.0 Gy in vivo. They support the clinical observations of the efficacy of anti-inflammatory radiotherapy.PURPOSE Numerous clinical observations demonstrate the efficacy of low radiation doses in the treatment of painful osteoarthritis. Experimental investigations remain scarce. We investigated the effects of locally daily 5 times 1.0 Gy 60-Co irradiation on an artificially induced aseptic gonarthritis in rabbits. MATERIAL AND METHODS Three separate experiments (EV) were performed (10 rabbits per experiment, 5 treated/5 controls; duration: EV1: 18 days; EV2: 6 days; EV3: 29 days). An aseptic arthritis in the right knee joint of rabbits was induced by intraarticular injection of 0.5 ml papain solution (3%, 30,000 USP/mg) on day 0. The arthritic knee joint of the anesthesized animals was irradiated daily from day 1 to 5 with 5 times 1.0 Gy. The controls were sham-irradiated under the same conditions. The time course of arthritis in treated animals and sham-treated controls was evaluated by clinical, laboratory-chemical and histological criteria. The clinical investigation was performed daily, the puncture of the knee-joints was carried out several times in EV1, and at the end of experiments in EV2 and EV3. At the end of the observation period, animals were killed and the knee joints excised for histological analysis. RESULTS The intraarticular injection of papain caused a peracute inflammatory response in all animals. After 1 week the chronic stage was reached, and the experimental arthritis resolved slowly within several weeks. Local irradiation accelerated the decrease of inflammatory joint swelling, being significant by day 4. On day 6 the volume of synovial fluid in irradiated knee-joints was significantly smaller. The morphometric data indicated a reduction in thickness of synovial membrane, a decrease in number of synovial cell layers, and a decrease in distance between capillaries and the synovial membrane surface following irradiation of arthritic joints. Due to considerable individual variability, the morphometric data partially did not reach statistically significance. CONCLUSION The experiments provide evidence for an antiphlogistic effect of irradiation with 5 times 1.0 Gy in vivo. They support the clinical observations of the efficacy of anti-inflammatory radiotherapy.

Low-Dose X-Irradiation of Adjuvant-Induced Arthritis in Rats

Background and Purpose:Low-dose radiotherapy is widely accepted as a very effective treatment option for inflammatory symptoms associated with painful degenerative joint disorders. Radiation doses and fractionation schedules in practical use are empirical and mainly based on clinical observations. Experimental data are rare. The efficacy of low-dose X-irradiation on adjuvant induced arthritis in rats using different fractionation schemes was investigated in vivo, in order to explore whether there is a dose and fractionation dependence.Material and Methods:Adjuvant arthritis in female Lewis rats (n = 128) was induced by intradermal injection of heat-inactivated Mycobacterium tuberculosis on day 0. Both arthritic hind paws were sham-irradiated (group 1: days 10–14; group 2: days 15–19; group 3: days 22–26) or X-irradiated with either 5 × 1.0 Gy (group 4: days 10–14; group 6: days 15–19; group 8: days 22–26; group 10: days 10, 12, 14, 16, and 18) or 5 × 0.5 Gy (group 5: days 10–14; group 7: days 15–19; group 9: days 22–26; group 11: days 10, 12, 14, 16, and 18; group 12: days 10–14 and 22–26). The clinical parameters arthritis score (AS), hind paw volume (HPV), and body weight were determined.Results:A significant decrease of the clinical arthritis parameters was observed following 5 × 0.5 Gy or 5 × 1.0 Gy during the acute maximum of the inflammatory response (days 15–19). The most pronounced treatment effect was reached after two daily fractionated series of 5 × 0.5 Gy with an early treatment onset (days 10–14) and repetition in interval (days 22–26). After the application of 5 × 1.0 Gy on days 10–14 or in a protracted scheme (days 10, 12, 14, 16, and 18), only a nonsignificant positive trend could be detected. Daily fractionated X-irradiation in the chronic phase of adjuvant arthritis (days 22–26) did not show any positive clinical effect.Conclusion:Low-dose radiotherapy is able to prevent a full-blown arthritic reaction if given during the florid phase of adjuvant arthritis. Two series of 5 × 0.5 Gy with an early treatment onset (days 10–14) and repetition in interval (days 22–26) were the most effective treatment schedule in this experimental study.Hintergrund und Ziel:Die niedrig dosierte Strahlentherapie wird als effektive Behandlungsoption bei schmerzhaften, entzündlich reaktivierten degenerativen Gelenkerkrankungen angesehen. Die verwendeten Einzeldosen und Fraktionierungen basieren im Wesentlichen auf klinisch-empirischen Beobachtungen. Experimentelle Untersuchungen sind sehr selten. Das Ziel dieser Studie war die Beurteilung der klinischen Wirksamkeit verschiedener Fraktionierungsschemata und Einzeldosen in einem experimentellen Arthritismodell der Ratte, um zu überprüfen, ob eine Dosis- oder Fraktionierungsabhängigkeit vorliegt.Material und Methodik:Bei weiblichen Lewis-Ratten (n = 128) wurde durch intradermale Injektion von hitzeinaktiviertem Mycobacterium tuberculosis am Tag 0 eine Adjuvansarthritis induziert. Beide Hinterpfoten arthritischer Versuchstiere wurden scheinbestrahlt (Gruppe 1: Tage 10–14; Gruppe 2: Tage 15–19; Gruppe 3: Tage 22–26) oder lokal bestrahlt mit entweder 5 × 1,0 Gy (Gruppe 4: Tage 10–14; Gruppe 6: Tage 15–19; Gruppe 8: Tage 22–26; Gruppe 10: Tage 10, 12, 14, 16 und 18) oder 5 × 0,5 Gy (Gruppe 5: Tage 10–14; Gruppe 7: Tage 15–19; Gruppe 9: Tage 22–26; Gruppe 11: Tage 10, 12, 14, 16 und 18; Gruppe 12: Tage 10–14 und 22–26). Die klinischen Parameter Arthritisscore (AS), Hinterpfotenvolumen (HPV) und Körpergewicht wurden im Verlauf bestimmt.Ergebnisse:Nach 5 × 0,5 Gy oder 5 × 1,0 Gy während des akuten Entzündungsmaximums (Tage 15–19) konnte eine signifikante Reduktion der klinischen Arthritisparameter beobachtet werden. Der günstigste Behandlungseffekt wurde mit zwei täglich fraktionierten Serien von 5 × 0,5 Gy bei frühzeitigem Behandlungsbeginn (Tage 10–14) und Wiederholung im Intervall (Tage 22–26) erreicht. Nach 5 × 1,0 Gy an den Tagen 10–14 oder in einem protrahierten Schema (Tage 10, 12, 14, 16 und 18) war lediglich ein nichtsignifikanter positiver Trend nachweisbar. Die tägliche fraktionierte Bestrahlung in der chronischen Phase der Adjuvansarthritis (Tage 22-26) zeigte keinen positiven klinischen Effekt.Schlussfolgerung:Eine niedrig dosierte Strahlentherapie ist in der Lage, die volle Ausprägung einer arthritischen Reaktion zu verhindern, wenn sie während der floriden Phase der Adjuvansarthritis appliziert wird. In dieser Studie waren zwei Bestrahlungsserien von 5 × 0,5 Gy mit frühzeitigem Behandlungsbeginn (Tage 10–14) und Wiederholung im Intervall (Tage 22–26) das effektivste Behandlungsschema.

Chromosomal Aberration in Peripheral Lymphocytes and Doses to the Active Bone Marrow in Radiotherapy of Prostate Cancer

Background and Purpose: Radiotherapy plays an important role in the management of prostate cancer. Epidemiological data indicate a small but sinificant risk of radiation-induced leukemia after radiotherapy which might be related to the high mean bone marrow dose associated with radiotherapy of prostate cancer. The purpose of the study was to investigate the relation between the mean bone marrow dose and unstable chromosome aberrations in peripheral blood lymphocytes in patients undergoing conformal radiotherapy for prostate cancer as a possible indicator of risk. Endometrial cancer patients were also included for comparison. Patients and Methods: Nine patients, six with prostate cancer (60–73 years old) and three with endometrial cancer (61–81 years old) treated with radiotherapy were included in the study. The non-body spaces inside the pelvic bones were outlined on every CT slice using the treatment planning system and mean doses to the bone marrow calculated. Blood samples of the patients were obtained at different times before, during and at the end of treatment. Lymphocytes were cultured in the usual way and metaphases scored for dicentric aberrations. Results: 46 samples from nine patients were obtained. The mean number of metaphases analyzed per sample was 180 with a range from 52 to 435. The mean bone marrow doses for prostate cancer patients ranged from 2.8 to 4.2 Gy and for endometrial cancer patients from 12.8 to 14.8 Gy. The aberration yield increased with the planning target volume and the mean bone marrow dose. Conclusion: The yield of dicentric aberrations for prostate cancer patients correlated closely with the mean bone marrow dose albeit the induction of dicentrics occurred in mature T lymphocytes most of which were probably in transit through the irradiated volumes. Therefore, the observed relationship between dicentrics and mean bone marrow doses are indirect.Hintergrund: Bei der kurativen Behandlung des Prostatakarzinoms besitzt die Radiotherapie einen wichtigen Stellenwert. Andererseits weisen epidemiologische Daten auf ein erhöhtes Leukämierisiko nach Strahlenbehandlung hin. Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Analyse des Zusammenhangs zwischen akkumulierter Knochenmarkdosis und der Häufigkeit dizentrischer Chromosomenaberrationen in peripheren Blutlymphozyten von konformierend bestrahlten Patienten mit Prostatakarzinom. Patientinnen mit Endometriumkarzinom wurden zum Vergleich in die Untersuchung eingeschlossen. Patienten und Methode: Neun Patienten, sechs mit Prostatakarzinom (Alter 60–73 Jahre) und drei mit Endometriumkarzinom (Alter 61–81 Jahre), bei denen das Behandlungskonzept eine konformierende Strahlentherapie vorsah, wurden in die Untersuchung eingeschlossen. Knochenmarkvolumen und mittlere Knochenmarkdosis wurden nach Kontuierung der Markräume in jedem CT-Schnitt am Bestrahlungsplanungssystem berechnet. Zu bestimmten Zeitpunkten vor, während und nach Abschluss der Strahlentherapie erfolgten die Entnahme von Blutproben der Patienten und die Anfertigung von Chromosomenpräraten für die konventionelle zytogenetische Analyse. Die Häufigkeit dizentrischer Chromosomenaberrationen wurde bestimmt. Ergebnisse: 46 Blutproben von neun Patienten wurden untersucht. Die mittlere Anzahl der analysierten Metaphasen pro Probe betrug 180 (Bereich 52–435). Die mittlere Knochenmarkdosis von Patienten mit Prostatakarzinom lag zwischen 2,8 und 4,2 Gy und fünf Patientinnen mit Endometriumkarzinom zwischen 12,8 und 14,8 Gy. Die Häufigkeit dizentrischer Chromosomenaberrationen korrelierte mit dem Planungszielvolumen (PTV) und der mittleren Knochenmarkdosis. Schlussfolgerung: Die Häufigkeit dizentrischer Chromosomenaberrationen bei bestrahlten Prostatakarzinompatienten ist deutlich geringer als bei Endometriumkarzinompatientinnen. Sie korreliert mit der mittleren Knochenmarkdosis, obwohl die Aberrationen in reifen T-Lymphozyten induziert wurden, die sich vor allem im Transit durch die bestrahlten Volumina zum Zeitpunkt der Bestrahlung befunden haben. Deshalb halten wir diese beobachtete Korrelation für indirekt.

The micronucleus test in pigs : induction of micronuclei in polychromatic erythrocytes by various doses of X-rays

This paper describes the results of a study in which pigs were used in the bone marrow micronucleus assay. In a first experiment the spontaneous frequency of micronucleated polychromatic erythrocytes (MPE) among polychromatic erythrocytes (PE) was investigated in 78 animals. It was found that it is low with individual values of 0-4 MPE/1000 PE and a group average of 1.76 +/- 1.06% (mean +/- SD). In a second set of investigations animals were exposed to 0.25, 0.5, 1.0, 1.5, 2.25 and 2.75 Gy of 9-MeV X-irradiation performed as a single whole-body exposure. Time- and dose-dependent changes in micronucleus incidence were observed. Maximal group averages appeared nearly uniform 36 h post irradiation (p.i.). Considering the 36-h values in the dose range of 0-2.25 Gy there is a marked dose-effect relationship (r = 0.971). The data yield best to a regression curve of a third-grade polynomial indicating a complex interaction between dose and micronucleus formation. In conclusion, the results demonstrate that it appears feasible to use swine as target organisms in the micronucleus test to estimate the cytogenetic damage caused by ionizing radiations or, potentially, chemical compounds.