Die orale Mukositis ist eine der häufigsten und schwerwiegendsten frühen Nebenwirkungen nach einer Ganzkörperbestrahlung im Rahmen der Therapie hämatologischer Tumoren sowie nach einer Strahlenexposition im Kopf-Hals-Bereich. Es existieren zahlreiche experimentelle und klinische Ansätze zur Prophylaxe und Therapie dieser Strahlenfolge, aus denen jedoch bisher kein allgemein anwendbares Behandlungsschema ableitbar ist. Für Keratinozyten-Wachstumsfaktor (KGF) werden in präklinischen und klinischen Untersuchungen mukoprotektive Effekte nachgewiesen. Er ist als rekombinante humane Form (∆23-rHuKGF) mit der Wirkstoffbezeichnung Palifermin unter dem Markennamen Kepivance® für die Anwendung beim Menschen zur Prophylaxe der oralen Mukositis im Rahmen der Konditionierungsbehandlung bei Knochenmarktransplantationen zugelassen. Die Applikation von Palifermin erfolgt dabei intravenös in einer Dosierung von 60 g/kg an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Konditionierungstherapie. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu prüfen, ob eine Reduktion der Anzahl der Palifermin-Applikationen vor und/oder nach der Konditionierungstherapie möglich ist. Zusätzlich sollen histologische Untersuchungen Hinweise zum Mechanismus der Paliferminwirkung geben. Die Untersuchungen erfolgen am etablierten Modell des Epithels der Zungenunterseite von C3H/Neu-Mäusen. Eine Einzeitbestrahlung der Zunge simuliert die Konditionierungsbehandlung. Gestaffelte Strahlendosen werden zur Auslösung einer Ulzeration verwendet, um komplette Dosis-Effekt-Kurven zu generieren. Primärer Endpunkt ist die Induktion einer ulzerativen Mukositis in Abhängigkeit von der Strahlendosis. Latenzzeit und Ulkusdauer beschreiben den zeitlichen Verlauf der Veränderungen. Die beim Menschen zugelassene Anwendung von Palifermin wird auf das Mausmodell übertragen (Standardanwendung), wobei Palifermin in einer Dosierung von 5 mg/kg an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Einzeitbestrahlung (Tag -3,-2,-1,+1,+2,+3) subkutan appliziert wird. Die Palifermin-Applikation wird vor der Bestrahlung auf zwei Gaben (Tag -3,-2,+1,+2+3, Tag -2,-1,+1,+2,+3) bzw. eine Gabe (Tag -3,+1,+2,+3, Tag -2,+1,+2,+3, Tag -1,+1,+2,+3) oder nach der Bestrahlung auf zwei (Tag – 3,-2,-1,+1,+2, Tag -3,-2,-1,+2,+3) bzw. eine Applikation (Tag -3,-2,-1,+1, Tag -3,-2,-1,+2, Tag -3,-2,-1,+3) reduziert. Die Palifermin-Dosierung beträgt bei mehr als einer Applikation 5 mg/kg s.c. täglich, bei einer einmaligen Anwendung 15 mg/kg s.c.. Histologische Untersuchungen der Mukosa erfolgen bei Standardanwendung von Palifermin sowie bei Applikation nur an drei Tagen vor oder nach der Einzeitbestrahlung. Nach alleiniger Einzeitbestrahlung treten ulzerative Läsionen mit einer ED50 von 11,0  1,3 Gy (Dosis, bei der bei 50 % der Tiere eine ulzerative Läsion im Zungenepithel erwartet wird) nach durchschnittlich 10,0  0,7 Tagen (Latenzzeit) für 3,4  1,0 Tage (Ulkusdauer) auf. Erhalten die Mäuse Palifermin im Standardprotokoll, so ist die Strahlentoleranz des Zungenepithels im Vergleich zur alleinigen Bestrahlung erhöht (ED50=21,9  2,2 Gy, DMF=2,0). Eine signifikant stärkere Wirkung wird erzielt, wenn Palifermin nach der Einzeitbestrahlung nur ein- oder zweimal appliziert (ED50=31,5  5,1 Gy und 28,9  3,8 Gy) oder wenn vor und nach der Einzeitbestrahlung der Wirkstoff nur einmal verabreicht wird (ED50=31,1  3,8 Gy). Die ulzerativen Reaktionen treten dabei später auf und sind von kürzerer Dauer, insbesondere wenn die Palifermin-Gabe unmittelbar nach der Einzeitbestrahlung erfolgt. Die Reduktion der Palifermin-Anwendung vor der Einzeitbestrahlung auf eine oder zwei Applikationen ist in ihrer Wirkung mit der Standardanwendung vergleichbar. Nach einer alleinigen Einzeitbestrahlung mit 13 Gy verringern sich Zellzahl (Minimalwert Tag 6 - 8, 73-74 %) und Dicke (Minimalwert Tag 4, 72 %) des Epithels, das Zellvolumen nimmt zu (Maximalwert Tag 8, 239 %). Palifermin erhöht nach dreitägiger Applikation vor der Bestrahlung die Zellzahl (184 %), die Epitheldicke (215 %) und vergrößert das Zellvolumen (152 %). Wird Palifermin zusätzlich an drei Tagen nach der Bestrahlung appliziert (Standardanwendung), erfolgt die Abnahme der epithelialen Zelldichte verzögert (Minimalwert Tag 7, 36 %). Die Epitheldicke nimmt bis Tag 3 weiter zu (286 %). Die vorliegenden Untersuchungen am Modell der Zungenseite der Maus zeigen, dass die mukoprotektive Wirkung von Palifermin im Vergleich zu klinisch üblichen Standardanwendung erhöht werden kann, wenn der Wirkstoff vor und nach der Bestrahlung nur einmal gegeben wird oder die Applikationen nach der Bestrahlung reduziert werden.

Die orale Mukositis ist eine der häufigsten und schwerwiegendsten frühen Nebenwirkungen nach einer Ganzkörperbestrahlung im Rahmen der Therapie hämatologischer Tumoren sowie nach einer Strahlenexposition im Kopf-Hals-Bereich. Es existieren zahlreiche experimentelle und klinische Ansätze zur Prophylaxe und Therapie dieser Strahlenfolge, aus denen jedoch bisher kein allgemein anwendbares Behandlungsschema ableitbar ist. Für Keratinozyten-Wachstumsfaktor (KGF) werden in präklinischen und klinischen Untersuchungen mukoprotektive Effekte nachgewiesen. Er ist als rekombinante humane Form (∆23-rHuKGF) mit der Wirkstoffbezeichnung Palifermin unter dem Markennamen Kepivance® für die Anwendung beim Menschen zur Prophylaxe der oralen Mukositis im Rahmen der Konditionierungsbehandlung bei Knochenmarktransplantationen zugelassen. Die Applikation von Palifermin erfolgt dabei intravenös in einer Dosierung von 60 g/kg an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Konditionierungstherapie. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu prüfen, ob eine Reduktion der Anzahl der Palifermin-Applikationen vor und/oder nach der Konditionierungstherapie möglich ist. Zusätzlich sollen histologische Untersuchungen Hinweise zum Mechanismus der Paliferminwirkung geben. Die Untersuchungen erfolgen am etablierten Modell des Epithels der Zungenunterseite von C3H/Neu-Mäusen. Eine Einzeitbestrahlung der Zunge simuliert die Konditionierungsbehandlung. Gestaffelte Strahlendosen werden zur Auslösung einer Ulzeration verwendet, um komplette Dosis-Effekt-Kurven zu generieren. Primärer Endpunkt ist die Induktion einer ulzerativen Mukositis in Abhängigkeit von der Strahlendosis. Latenzzeit und Ulkusdauer beschreiben den zeitlichen Verlauf der Veränderungen. Die beim Menschen zugelassene Anwendung von Palifermin wird auf das Mausmodell übertragen (Standardanwendung), wobei Palifermin in einer Dosierung von 5 mg/kg an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Einzeitbestrahlung (Tag -3,-2,-1,+1,+2,+3) subkutan appliziert wird. Die Palifermin-Applikation wird vor der Bestrahlung auf zwei Gaben (Tag -3,-2,+1,+2+3, Tag -2,-1,+1,+2,+3) bzw. eine Gabe (Tag -3,+1,+2,+3, Tag -2,+1,+2,+3, Tag -1,+1,+2,+3) oder nach der Bestrahlung auf zwei (Tag – 3,-2,-1,+1,+2, Tag -3,-2,-1,+2,+3) bzw. eine Applikation (Tag -3,-2,-1,+1, Tag -3,-2,-1,+2, Tag -3,-2,-1,+3) reduziert. Die Palifermin-Dosierung beträgt bei mehr als einer Applikation 5 mg/kg s.c. täglich, bei einer einmaligen Anwendung 15 mg/kg s.c.. Histologische Untersuchungen der Mukosa erfolgen bei Standardanwendung von Palifermin sowie bei Applikation nur an drei Tagen vor oder nach der Einzeitbestrahlung. Nach alleiniger Einzeitbestrahlung treten ulzerative Läsionen mit einer ED50 von 11,0  1,3 Gy (Dosis, bei der bei 50 % der Tiere eine ulzerative Läsion im Zungenepithel erwartet wird) nach durchschnittlich 10,0  0,7 Tagen (Latenzzeit) für 3,4  1,0 Tage (Ulkusdauer) auf. Erhalten die Mäuse Palifermin im Standardprotokoll, so ist die Strahlentoleranz des Zungenepithels im Vergleich zur alleinigen Bestrahlung erhöht (ED50=21,9  2,2 Gy, DMF=2,0). Eine signifikant stärkere Wirkung wird erzielt, wenn Palifermin nach der Einzeitbestrahlung nur ein- oder zweimal appliziert (ED50=31,5  5,1 Gy und 28,9  3,8 Gy) oder wenn vor und nach der Einzeitbestrahlung der Wirkstoff nur einmal verabreicht wird (ED50=31,1  3,8 Gy). Die ulzerativen Reaktionen treten dabei später auf und sind von kürzerer Dauer, insbesondere wenn die Palifermin-Gabe unmittelbar nach der Einzeitbestrahlung erfolgt. Die Reduktion der Palifermin-Anwendung vor der Einzeitbestrahlung auf eine oder zwei Applikationen ist in ihrer Wirkung mit der Standardanwendung vergleichbar. Nach einer alleinigen Einzeitbestrahlung mit 13 Gy verringern sich Zellzahl (Minimalwert Tag 6 - 8, 73-74 %) und Dicke (Minimalwert Tag 4, 72 %) des Epithels, das Zellvolumen nimmt zu (Maximalwert Tag 8, 239 %). Palifermin erhöht nach dreitägiger Applikation vor der Bestrahlung die Zellzahl (184 %), die Epitheldicke (215 %) und vergrößert das Zellvolumen (152 %). Wird Palifermin zusätzlich an drei Tagen nach der Bestrahlung appliziert (Standardanwendung), erfolgt die Abnahme der epithelialen Zelldichte verzögert (Minimalwert Tag 7, 36 %). Die Epitheldicke nimmt bis Tag 3 weiter zu (286 %). Die vorliegenden Untersuchungen am Modell der Zungenseite der Maus zeigen, dass die mukoprotektive Wirkung von Palifermin im Vergleich zu klinisch üblichen Standardanwendung erhöht werden kann, wenn der Wirkstoff vor und nach der Bestrahlung nur einmal gegeben wird oder die Applikationen nach der Bestrahlung reduziert werden.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 5 2.1 Bedeutung von Tumorerkrankungen 5 2.2 Strahlentherapie in der Humanmedizin 5 2.3 Einzeitbestrahlung/kurzfristige Bestrahlung in der Human- medizin 6 2.3.1 Ganzkörperbestrahlung 6 2.3.2 Stereotaktische Strahlentherapie (Radiochirurgie) 7 2.3.3 Intraoperative Strahlentherapie 8 2.3.4 Brachytherapie 8 2.4 Strahlentherapie bei Hunden und Katzen 8 2.5 Akutes Strahlensyndrom nach Strahlenunfällen (Akzidentielle Strahlenexposition) 15 2.6 Nebenwirkungen einer Strahlentherapie bzw. -exposition 17 2.6.1 Frühe Strahlenfolgen 18 2.6.2 Späte Strahlenfolgen 18 2.6.3 Konsekutive Strahlenfolgen 18 2.7 Aufbau und proliferative Organisation der Mundschleimhaut 19 2.7.1 Anatomischer Aufbau der Mäusezunge 19 2.7.2 Histologischer Aufbau des Epithels der Zungenunterseite der Maus 19 2.7.3 Proliferationskinetik des Epithels der Zungenunterseite der Maus 20 2.7.4 Besonderheiten der Mundschleimhaut des Menschen 21 .2.8 Strahlenreaktion des Epithels der Mundschleimhaut 22 2.8.1 Pathogenese der radiogenen oralen Mukositis 22 2.8.2 Bedeutung der radiogenen oralen Mukositis 22 2.8.3 Klassifizierung der radiogenen oralen Mukositis 23 2.8.4 Prophylaxe und Therapie der oralen Mukositis 25 2.8.4.1 Allgemeine Maßnahmen 26 2.8.4.2 Zahnsanierung 26 2.8.4.3 Mundspülungen 27 2.8.4.4 Kälteapplikation 27 2.8.4.5 Stimulation von Proliferationsvorgängen 28 2.8.4.6 Reduktion freier Sauerstoffradikale 28 2.9 Tiermodelle zur Untersuchung der radiogenen oralen Mukositis 29 2.9.1 Maus 29 2.9.2 Ratte 30 2.9.3 Hamster 30 2.10 Einflussfaktoren der Strahlenempfindlichkeit 30 2.10.1 Intrinsische Radiosensibilität 31 2.10.2 Recovery (Erholung) 32 2.10.3 Repopulierung 33 2.10.4 Redistribution 33 2.10.5 Reoxygenierung 34 2.10.6 Volumeneffekt 34 2.11 Palifermin 35 2.11.1 Einfluss von Palifermin auf unbehandeltes Epithel 35 2.11.2 Einfluss von Palifermin auf das Zungenepithel bei Einzeitbestrahlung 36 2.11.2.1 In vitro Untersuchungen 36 2.11.2.2 In vivo Untersuchungen 37 2.11.3 Einfluss von Palifermin auf das Zungenepithel bei fraktionierter Bestrahlung 38 2.11.4 Einfluss von Palifermin auf das Zungenepithel bei Radiochemotherapie 38 2.11.5 Klinische Studien zur Wirkung von Palifermin 39 2.11.5.1 Gesunde Probanden 39 2.11.5.2 Palifermin in der Therapie hämatologischer Tumoren 39 2.11.5.3 Palifermin in der Therapie kolorektaler Karzinome 41 2.11.5.4 Palifermin in der Therapie von Kopf-Hals-Tumoren 41 2.11.6 Nebenwirkungen einer Palifermin-Behandlung 42 3 Material und Methoden 43 3.1 Versuchstiere 43 3.2 Lokale Bestrahlung der Zungenunterseite 43 3.2.1 Bestrahlungsanlage 43 3.2.2 Dosimetrie 44 3.2.3 Versuchsdurchführung 44 3.3 Palifermin 45 3.4 Beschreibung der durchgeführten Versuche 46 3.4.1 Alleinige Einzeitbestrahlung (Versuch K) 47 3.4.2 Einzeitbestrahlung und Palifermin-Applikation (Versuchsreihe P) 47 3.4.2.1 Palifermin-Applikation an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Einzeitbestrahlung (Stanardan- wendung,Versuch P1) 47 3.4.2.2 Modifikation der Palifermin-Applikation vor der Einzeit- bestrahlung (Versuche P 2.x, P 3.x) 47 3.4.2.3 Modifikation der Palifermin-Applikation nach der Einzeit- bestrahlung (Versuche P 4.x, P 5.x) 47 3.4.2.4 Palifermin-Applikation an einem Tag vor und nach der Einzeitbestrahlung (Versuch P 6) 48 3.5 Klinische Beurteilung der Strahlenreaktion 48 3.6 Statistische Auswertung 48 3.6.1 Dosis-Effekt-Beziehungen 49 3.6.2 Zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 49 3.7 Histologische Untersuchungen 49 3.7.1 Versuchsprotokoll 49 3.7.2 Präparation der Zunge und Herstellung histologischer Schnitte 50 3.8 Histologische Auswertung 51 4 Ergebnisse 53 4.1 Strahlenreaktion des Epithels der Zungenunterseite 53 4.1.1 Klinische Veränderungen und zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 53 4.1.2 Dosisabhängigkeit der Strahlenreaktion 55 4.1.3 Sonstige Effekte der Einzeitbestrahlung 55 4.2 Einfluss von Palifermin auf die Strahlenreaktion des Zungenepithels nach Einzeitbestrahlung 56 4.2.1 Palifermin-Applikation an drei Tagen unmittelbar vor und nach der Einzeitbestrahlung (Standardanwendung, Versuch P1) 57 4.2.1.1 Dosis-Effekt-Beziehung 57 4.2.1.2 Zeitlicher Verlauf 58 4.2.2 Reduktion der Palifermin-Gabe vor der Einzeitbestrahlung auf zwei Applikationen (Versuch 2.1, P 2.2) 58 4.2.2.1 Dosis-Effekt-Beziehung 58 4.2.2.2 Zeitlicher Verlauf 59 4.2.3 Reduktion der Palifermin-Gabe vor der Einzeitbestrahlung auf eine einmalige Applikation (P 3.1, P 3.2, P 3.3) 60 4.2.3.1 Dosis-Effekt-Beziehung 60 4.2.3.2 Zeitlicher Verlauf 61 4.2.4 Reduktion der Palifermin-Gabe nach der Einzeitbestrahlung auf zwei Applikationen (Versuch P 4.1, P 4.2) 61 4.2.4.1 Dosis-Effekt-Beziehung 61 4.2.4.2 Zeitlicher Verlauf 61 4.2.5 Reduktion der Palifermin-Gabe nach der Einzeitbestrahlung auf eine einmalige Applikation (Versuch P 5.1, P 5.2, P 5.3) 62 4.2.5.1 Dosis-Effekt-Beziehung 62 4.2.5.2 Zeitlicher Verlauf 63 4.2.6 Einmalige Palifermin-Applikation vor und nach der Einzeitbestrahlung (Versuch P 6) 64 4.2.6.1 Dosis-Effekt-Beziehung 64 4.2.6.2 Zeitlicher Verlauf 65 4.2.7 Zusammenfassung der Untersuchungen zur Ulkus- induktion 65 4.3 Histologische Untersuchungen 65 4.3.1 Histologie des unbehandelten Epithels 65 4.3.2 Qualitative histologische Veränderungen im Epithel durch die Behandlung 66 4.3.2.1 Alleinige Einzeitbestrahlung 66 4.3.2.2 Palifermin-Applikation 67 4.3.3 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach alleiniger Einzeitbestrahlung 68 4.3.3.1 Zellzahl 68 4.3.3.2 Epitheldicke 69 4.3.3.3 Zellvolumen 70 4.3.4 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach Palifermin-Applikation an drei Tagen vor und nach der Einzeitbestrahlung (Standard-anwendung) 71 4.3.4.1 Zellzahl 71 4.3.4.2. Epitheldicke 72 4.3.4.3 Zellvolumen 74 4.3.5 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach Palifermin-Applikation an drei Tagen vor der Einzeit- bestrahlung 75 4.3.5.1 Zellzahl 75 4.3.5.2. Epitheldicke 76 4.3.5.3 Zellvolumen 77 4.3.6 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach Palifermin-Applikation an drei Tagen nach der Einzeit- bestrahlung 78 4.3.6.1 Zellzahl 78 4.3.6.2. Epitheldicke 80 4.3.6.3 Zellvolumen 82 4.3.7 Zusammenfassung der Untersuchungen zu histologischen Veränderungen des Zungenepithels nach Einzeitbe- strahlung und Palifermin-Applikation 83 5 Diskussion 85 5.1 Radiogene orale Mukositis und Keratinozyten- Wachstumsfaktor 85 5.2 Zungenepithel der Maus als Tiermodell 86 5.3 Strahlenreaktion des Epithels der Zungenunterseite nach Einzeitbestrahlung 87 5.4 Einfluss von Palifermin auf die Strahlenreaktion der Mundschleimhaut 87 5.5 Histologische Untersuchungen 88 5.5.1 Zellzahl 89 5.5.2 Epitheldicke 91 5.6 Wirkmechanismen von Palifermin 91 5.7 Einfluss von Palifermin auf das Tumorwachstum 92 5.8 Ausblick 94 6 Zusammenfassung 95 7 Summary 97 8 Literaturverzeichnis 99 9 Anhang 125 9.1 SPF-Bedingungen im Tierstall des Experimentellen Zentrums 125 9.2 Reagenzien zur HE-Färbung 125 9.3 Ergebnisse der histologischen Untersuchungen 126 Danksagung 132