Radiation-Induced Proctitis in Rat and Role of Nitric Oxide

Abstract

PURPOSE: Proctitis is one of acute complications encountered when radiotherapy was applied to the pelvis. Radiation-induced proctitis represents similar microscopic findings that are observed in inflammatory bowel disease (IBD). Nitric oxide (NO) plays an important role in the inflammatory process and many data suggest a close relationship between NO production and gastrointestinal inflammation. This study was aimed to establish the optimal radiation dose for radiation-induced proctitis in rat and to find a relationship between radiation proctitis and NO production. MATERIALS AND METHODS: Female Wistar rats, weighing from 150 to 220 g, received various doses(10-30 Gy) of radiation to the rectum. On the 5th and 10th day after irradiation, rectal specimens were evaluated grossly and microscopically. In addition, the degree of NO production by irradiation dose was evaluated by study with NOS expression and nitrite production in the irradiated rectal tissue. To evaluate relationship between radiation proctitis and NO, we administered aminoguanidine, iNOS inhibitor and L-arginine, substrate of NOS to rats from 2 days before to 7 days after the irradiation. RESULTS: There were obvious gross and histological changes after 17.5 Gy or higher radiation dose but not with 15 Gy or less radiation dose. Twenty Gy or higher dose of radiation caused Grade 4 damage in most of rectal specimens which were more likely to be related to the late complications such as fibrosis, rectal bleeding and rectal obstruction. A single fraction of 17.5 Gy to the rat rectum is considered to be an optimal dose to produce commonly experienced proctitis in the clinic. The result demonstrated that severity of microscopic damage of rectal mucosa from irradiation significantly correlated with iNOS overexpression. However, administration of iNOS inhibitor or substrate of iNOS did not influence the degree of rectal damage. CONCLUSION: A single fraction of 17.5 Gy irradiation to the rat rectum considered to be an optimal dose for radiation induced proctitis model. These results indicated that an excess production of NO contributes to pathogenesis of radiation-induced proctitis in part but was not the direct cause of rectal damage.

목적 : 방사선 직장염은 골반부위에 방사선치료를 받는 환자에서 나타나는 급성부작용 중의 하나이다. 이러한 방사선 직장염은 병리학적으로 염증성 대장질환과 유사한 소견을 보인다. 따라서 염증성 대장질환의 유발인자로서 최근 활발하게 연구되고 있는 nitric oxide (NO)의 과다생성이 방사선 직장염을 유발하는 주요 원인일 수도 있다. 이를 검증하기 위하여 본 연구자들은 적절한 방사선 직장염 동물모델을 확립하고 이 모델에서 NO의 과다생성과 직장점막의 손상 정도의 상호 관련성을 연구하였다. 대상 및 방법 : 암컷 백서(Wistar)의 직장에 10\~30Gy의 다양한 선량의 방사선을 조사하였다. 방사선조사 후 5일 및 10일째에 직장조직을 얻어 점막의 형태학적 변화를 육안적으로 및 조직학적으로 관찰하였다. 방사선에 의한 손상에 대한 NO의 과다 생성이 미치는 영향을 평가하기 위하여 iNOS의 발현과 nitrite 측정을 시행하였고 iNOS의 억제제 및 기질을 경구투여한 후 점막 손상의 변화를 형태학적 및 생화학적으로 관찰하였다. 결과 : 육안적으로나 조직학적으로 17.5 Gy 이상의 선량에서는 직장 점막에 명백한 손상이 발생하였으나 15 Gy 이하에서는 일부 검체에서만 경미한 정도의 변화를 나타냈다. 20 Gy 이상의 방사선을 조사한 후에는 검체 대부분에서 등급 4의 조직학적 변화를 보였기 때문에 임상에서 흔히 경험하는 방사선 직장염을 재현할 수 있는 가장 적절한 일회 방사선조사량으로 17.5 Gy를 선택하였다. 직장 점막의 조직학적 손상정도가 방사선량 및 iNOS의 과발현과 유의한 상관관계를 보였다. 그러나 iNOS의 기질 및 억제제의 경구투여시 iNOS 발현양상, NO 생성 뫼 조직 손상 정도의 차이는 없었다. 결론 : 임상에 적용할 수 있는 방사선 직장염 연구를 위한 동물모델로서 적절한 일회 방사선조사량은 17.5 Gy임을 확인하였다. 또한 덜 연구결과는 NO의 과다생성이 방사선에 의한 염증 및 손상 정도와는 연관성을 가지나 직접적인 원인이 아님을 시사하고 있다.