Die neurotoxische Wirkung der Zytostatika Cyclophosphamid und Thiotepa im infantilen Gehirn der Ratte

Abstract

Die Entwicklung neuer Medikamente und Therapieverfahren wie die Hochdosischemotherapie und die Möglichkeit der Stammzelletransplantation haben die Heilungschance krebskranker Kinder in den letzen Jahrzehnten enorm verbessert. Aus diesem Grund erlangt die Berücksichtigung der Spätfolgen der Therapie eine größere Bedeutung. Es wurden die Zytostatika Cyclophosphamid und Thiotepa auf ihre Neurotoxizität im infantilen Rattengehirn untersucht. Dazu wurde Ratten im Alter von 7, 14, 21 oder 28 Tagen Cyclophosphamid (200-600mg/kg) oder Thiotepa (15-45 mg/kg) intraperitoneal injiziert. Nach einer Überlebenszeit von 4-24 Stunden wurden die Tiere getötet. Die Dichte degenerierter Zellen wurde lichtmikroskopisch in den nach De Olmos gefärbten Hirnschnitten mit Hilfe des stereologischen Dissektors ermittelt. Weiterhin wurden eine TUNEL-Färbung, elektronenmikroskopische sowie eine immunhistochemische Untersuchung für Caspase 3 und den Fas Rezeptor durchgeführt. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Versuchsgruppen wurde mit Hilfe des Student`s t-Test auf ihre Signifikanz hin überprüft. Die Untersuchungen zur Zeit und Dosisabhängigkeit wurde mit Hilfe der ermittelten Gesamtscores und der Varianzanalyse (ANOVA) überprüft. Diese Untersuchung zeigte, dass eine Exposition mit den Zytostatika Cyclophosphamid und Thiotepa altersabhängig zu ausgeprägten Zellschädigungen im Gehirn führt. Besonders ausgeprägte Zelluntergänge fanden sich im Cortex, den thalamischen Kerngebieten, und dem Hippocampus. Ultrastrukturell ließen sich bereits kurz nach der Applikation des Zytostatikums anschwellende Dendriten als Hinweis auf einen exzitotoxischen Zelltodmechanismus nachweisen. Im Gegensatz dazu zeigten sich bei Tieren mit längerer Lebensdauer nach Exposition gegenüber dem Zytostatikum typische ultrastrukturelle Veränderungen wie man sie bei apoptotischem Zelltod finden kann. Mit dieser Untersuchung konnte gezeigt werden, dass die neurotoxische Wirkung der Zytostatika Cyclophosphamid und Thiotepa eine exzitotoxische und eine apoptotische Komponente aufweist.

Survival rates for children with cancer have increased dramatically over the past few decades. The expanded use of older agents, the development of new chemotherapeutic agents, the introduction of high dose chemotherapy and stem cell transplantation regimen have had a major impact on this improvement. These positive results have also focused increased attention on post-therapeutic effects of anticancer drugs. To investigate whether common cytotoxic drugs cause neurotoxic effects in the developing rat brain the following alkylated agents were administered to 7-day-old rats: cyclophosphamide (200–600mg/kg IP) and thiotepa (15– 45mg/kg IP). The brains were analysed at 4 to 24 hours. Quantitation of brain damage was performed in De Olmos cupric silver-stained sections using the stereological dissector method. Furthermore electron microscopy on plastic sections, TUNEL staining and immunohistochemistry for activated caspase 3 and Fas receptor was performed. Statistical analysis was performed by means of Student´s t test or one-way analysis of variance with subsequent pairwise comparison (Scheffé-test). Cytotoxic drugs produced widespread lesions within cortex, thalamus, hippocampal dentate gyrus, and caudate nucleus in a dose-dependent fashion. Early histological analysis demonstrated dendritic swelling and relative preservation of axonal terminals, which are morphological features indicating excitotoxicity. After longer survival periods, degenerating neurons displayed morphological features consistent with active cell death. These results demonstrate that anticancer drugs are potent neurotoxins in vivo; they activate excitotoxic mechanisms but also trigger active neuronal death.