Spatial oxygenation profiles in tumors during normo- and hyperbaric hyperoxia

Abstract

Background

Inspiratory hyperoxia reduces tumor hypoxia, which is responsible for limited radiosensitivity of tumors. However, very little is known about the heterogeneity of intratumoral oxygenation during this supportive treatment. The study analyzes whether local hypoxia is still present during normobaric and hyperbaric inspiratory hyperoxia and whether the addition of CO₂ to the inspiratory gas affects the spatial pO₂ distribution.

Material and methods

Tumor oxygenation of experimental DS-sarcomas in rats was assessed by polarographic needle electrodes at 1 and 2 atm (bar) environmental pressure during pure O₂ or carbogen (95 % O₂ + 5 % CO₂) breathing. Up to 320 individual pO₂ measurements were performed in a strictly oriented grid resulting in an oxygenation profile in a horizontal tumor layer.

Results

In the experimental tumors used the oxygenation showed pronounced heterogeneities with closely adjacent hypoxic and oxygenated regions. This heterogeneity was still visible under normobaric hyperoxia where large confluent hypoxic regions were detectable. At 1 atm, the addition of CO₂ improved tumor oxygenation significantly (at least in large tumors). At 2 atm, only very small local regions of hypoxia were detected. However, under this condition hypercapnia had no impact on tumor oxygenation.

Conclusions

The data show that even under hyperbaric hyperoxia, hypoxic regions are detectable despite the average pO₂ increased by a factor of 100. The results also clearly indicate that the oxygenation pattern improves disproportionally with increasing environmental pressure.

Zusammenfassung

Hintergrund

Inspiratorische Hyperoxie reduziert die Hypoxie im Tumorgewebe, die u. a. für eine verminderte Strahlensensibilität verantwortlich ist. Über die räumliche Heterogenität der intratumoralen Oxygenierung während inspiratorischer Hyperoxie ist jedoch wenig bekannt. Ziel der Untersuchung war daher die Analyse, inwieweit Hypoxie bei inspiratorischer Hyperoxie unter normo- oder hyperbaren Bedingungen weiterhin nachweisbar ist und ob darüber hinaus der Zusatz von CO₂ zum Atemgas die räumliche pO₂-Verteilung beeinflusst.

Material und Methoden

Die Tumoroxygenierung experimenteller DS-Sarkome der Ratte wurde mittels polarographischen Nadelelektroden bei einem Umgebungsdruck von 1 bzw. 2 atm (bar) gemessen. Die Versuchstiere atmeten hierbei Raumluft, reinen Sauerstoff oder Karbogen (95 % O₂ + 5 % CO₂). Bis zu 320 einzelne pO₂-Werte wurden in jedem Tumor in einem gitterförmigen Raster ermittelt und pO₂-Profile im Gewebe berechnet.

Ergebnisse

In dem untersuchten experimentellen Tumormodell fand sich eine ausgeprägte Heterogenität der Oxygenierung mit hypoxischen Regionen unmittelbar benachbart zu gut versorgten Geweberegionen. Diese Heterogenität mit großen zusammenhängenden hypoxischen Regionen ließ sich auch bei normobarer inspiratorischer Hyperoxie nachweisen. Bei normobarem Umgebungsdruck führte der Zusatz von CO₂ zumindest in großen Tumoren zu einer signifikanten Verbesserung der Oxygenierung. Bei einem Druck von 2 atm ließen sich nur noch sehr kleine hypoxische Geweberegionen nachweisen. Hyperkapnie hatte unter diesen Bedingungen keinen Einfluss auf die Tumoroxygenierung.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse belegen, dass auch bei hyperbarer Hyperoxie hypoxische Regionen im Tumor nachweisbar sind, obwohl der mittlere pO₂ um den Faktor 100 anstieg. Die Daten zeigen deutlich, dass sich die Tumoroxygenierung mit zunehmendem Umgebungsdruck überproportional verbessert.