university of groningen nutrient digestion and absorption

15
University of Groningen Nutrient digestion and absorption during chemotherapy-induced intestinal muscositis in the rat Fijlstra, Margot IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2012 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Fijlstra, M. (2012). Nutrient digestion and absorption during chemotherapy-induced intestinal muscositis in the rat. s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). The publication may also be distributed here under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license. More information can be found on the University of Groningen website: https://www.rug.nl/library/open-access/self-archiving-pure/taverne- amendment. Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 30-05-2022

Upload: others

Post on 30-May-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

University of Groningen

Nutrient digestion and absorption during chemotherapy-induced intestinal muscositis in the ratFijlstra, Margot

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Publication date:2012

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):Fijlstra, M. (2012). Nutrient digestion and absorption during chemotherapy-induced intestinal muscositis inthe rat. s.n.

CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

The publication may also be distributed here under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license.More information can be found on the University of Groningen website: https://www.rug.nl/library/open-access/self-archiving-pure/taverne-amendment.

Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

Download date: 30-05-2022

Page 2: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

CHAPTER

 8 

SUMMARY AND GENERAL DISCUSSION, CONCLUSIONS AND FUTURE PERSPECTIVES 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Chapter 8 

128 | 169 

SUMMARY AND GENERAL DISCUSSION 

Patients with mucositis  suffer  from weight  loss, which  is associated with a  reduced 

overall survival in cancer patients [1]. This weight loss seems primarily the result of a 

reduced  food  intake  [15],  which  suggests  that  (force‐)  feeding  might  be  able  to 

prevent weight  loss during mucositis.  It  is unknown how  to optimally  feed patients 

with mucositis, because their capacity to digest and absorb nutrients is hardly known. 

Normally, enteral nutrition, which  is the physiological way of feeding,  is preferred to 

total parenteral nutrition (TPN) because the latter carries a high risk of infection and, 

upon  prolonged  administration, may  cause  liver  disease  [2‐4].  However, when  the 

absorptive  function  of  the  intestine  is  compromised,  TPN  offers  a  useful  feeding 

alternative.  The  experiments  described  in  this  thesis  aimed  to  determine  the 

digestive and absorptive capacity of nutrients during gastrointestinal (GI) mucositis 

in the rat, to ultimately design a rational feeding strategy for mucositis patients.  

Since  accurate  evaluation  of mucositis  via  intestinal  biopsies  is  rather  invasive  and 

potentially  dangerous  in  patients,  and  there  is  no  objective,  easy  measurable 

parameter to score GI mucositis in patients, we chose to determine nutrient digestion 

and  absorption  in  a  chemotherapy‐induced  mucositis  rat  model.  Because  plasma 

citrulline  seemed  to be  a promising marker  for mucositis  in patients  [5‐8], we also 

aimed  to determine  the  value of plasma  citrulline as an objective marker  for  the 

level of GI mucositis and the respective intestinal function, in a rat model.  

The mucositis rat model 

We developed a rat model with methotrexate  (MTX)‐induced GI mucositis based on 

other rodent mucositis models [9‐11], as described  in chapter 2. To find the optimal 

dosage of MTX (i.e. development of mucositis without causing mortality), and the best 

time  interval  to  study nutrient digestion and absorption during mucositis  (i.e. when 

histological  symptoms  of mucositis were most  severe), we  performed  several  pilot 

studies with varying dosages of MTX (30‐150 mg/kg). Rats were killed at different days 

after  intravenous MTX  injection  (day  2‐10)  to  determine  the  level  of mucositis  by 

histology. Histological symptoms of mucositis were comparable between all parts of 

the  small  intestine,  i.e.  the  duodenum,  jejunum  and  ileum.  The  optimal  dosage  of 

MTX turned out to be 60 mg/kg. Based on these pilot studies, nutrient digestion and 

absorption experiments were performed in rats that received 60 mg/kg MTX or saline 

(controls),  4  days  after  their  intravenous  injection.  Jejunal  histology was  used  as  a 

representative for small intestinal damage.  

In the model, rats transiently develop mucositis upon MTX injection, thereby showing 

the typical subsequent phases as described by Sonis [12, 13]. At day 2 after  injection 

with MTX, crypt loss is seen while villi still appear normal. At day 4, typical histological 

symptoms  of  mucositis  like  villus  atrophy  and  blunting,  enterocyte  damage, 

infiltration  of  inflammatory  cells  and  accumulation  of  Goblet  cells  at  villus  tops  is 

Page 4: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Summary and General Discussion, Conclusions and Future Perspectives 

129 | 169 

seen. By  this  time, crypts  tend  to be elongated,  indicating crypt  regeneration. From 

day 6 on,  villi of  rats  start  to  recover.  Typical  clinical  symptoms of mucositis  like  a 

decreased intake of food and water, diarrhea and weight loss are present from day 2 

until day 5, after which rats recover.   

Histological  and  clinical  symptoms  of  mucositis  differed  substantially  between 

individual MTX‐treated rats. We hypothesized that this variance in observed individual 

symptoms of mucositis, as also seen in patients, could be a result of genetic variability 

between outbred Wistar  rats  [14]. Moreover,  the mucositis  rat model  is based on a 

single  intravenous  injection  of  MTX,  leaving  the  period  of  epithelial  crypt  cell 

susceptibility  to  MTX  shorter  than  in  models  where  multiple  MTX  injections  are 

administered [12, 13, 15‐17]. The amount of subsequent crypt loss by apoptosis, crypt 

atrophy  and ultimately  villus  atrophy  [18] per MTX‐injected  rat might  therefore be 

explained by these factors. The variance in individual symptoms of mucositis in the rat 

model allowed us to determine intestinal function during mild to severe mucositis.    

Nutrient digestion and absorption during GI mucositis in the rat 

After  establishing  a  stable  and  reproducible mucositis  rat model, we  subsequently 

determined the digestive and absorptive capacity of the major food constituents (i.e. 

carbohydrates, fats, proteins) during mucositis in the rat model. Therefore, we used a 

stable  isotope dilution technique; a technique that has successfully been applied for 

many  years  in  our  lab  [19‐26].  Stable  isotope  labeled  nutrients  were  enterally 

administered  as  a  bolus  by  oral  gavage  (since  intermittent  bolus  administration 

resembles  the  physiological  situation  of  consuming meals  [27]) or  continuously  by intraduodenal  infusion  (since  continuous  enteral  nutrient  administration  has  been 

shown to improve nutrient absorption during other forms of intestinal failure [3]).  

Carbohydrates 

In our first experiment, as described in chapter 2, rats with and without MTX‐induced 

mucositis  orally  received  trace  amounts  of  [1‐13C]lactose  and  [U‐13C]glucose  to 

determine carbohydrate digestion and absorption. The digestion of  lactose  (the sole 

disaccharide  in breast milk and an  important disaccharide  in Western pediatric diets 

and formulas [28]) was severely decreased during mucositis, and we showed that this 

was due to a decreased jejunal lactase activity and immunohistochemical protein‐ and 

mRNA expression after MTX treatment. The enzyme activity of other glycohydrolases 

(i.e. sucrase, isomaltase and maltase) was also decreased during mucositis, indicating 

that all disaccharides, as well as polysaccharides, will probably not be hydrolyzed and 

its  derivatives  not  be  absorbed  during mucositis.  It  therefore  seems wise  to  omit 

disaccharides and polysaccharides from the diet of patients with mucositis to prevent 

possible negative side effects of carbohydrate maldigestion, like lactose intolerance.  

In contrast  to  lactose digestion, glucose absorption was still  intact during mucositis, 

when  supplied  in  trace  amounts,  in  spite  of  decreased  immunohistochemical 

Page 5: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Chapter 8 

130 | 169 

protein‐  and/or  mRNA  expression  of  glucose  transporters  SGLT1  and  GLUT2.  To 

determine whether glucose could be a useful source of energy during mucositis, we 

studied  the  quantitative  capacity  to  absorb  [1‐13C]glucose  during  mucositis  when 

enterally administered  in physiologically  relevant amounts  (meal  size) as a bolus by 

oral  gavage  or  continuously  by  intraduodenal  infusion,  as  described  in  chapter  3. 

When glucose was administered as a bolus, rats with mucositis only absorbed 15% of 

the administered glucose, compared with 85% in controls. However, upon continuous 

intraduodenal  glucose  infusion,  the median  absorptive  capacity  for  glucose  in  rats 

with mucositis did not differ  from  controls  (80  versus 93% of administered glucose 

respectively),  although  glucose  absorption  varied  from  severely  reduced  to 

completely normal between  individual MTX‐treated rats (range 21‐95%). Apparently, 

continuous enteral administration could completely overcome the reduced absorptive 

capacity for glucose in about half of rats with mucositis. Our findings can be explained 

by  the  concept  that  by  continuous  enteral  nutrient  infusion,  saturation  of  the 

(residual)  carrier proteins  is maximized  and  the  intestinal  function  increased, when 

compared  with  bolus  administration  of  nutrients.  Apart  from  absorption  via 

transporters on  the  epithelial membrane,  glucose  absorption  could  also have been 

possible  via  paracellular  absorption  [29]  or  via  leakage  through  damaged  tight 

junctions  since  gut permeability  is  increased during mucositis  [30, 31]. Our  findings 

suggest that enteral glucose is preferably administered continuously to patients with 

mucositis, to optimize glucose absorption. 

Fats 

To determine the absorptive capacity of long‐chain fatty acids (LCFA) during mucositis, 

rats  with  and  without  MTX‐induced  mucositis  enterally  received  a  physiologically 

relevant  amount  (meal  size)  of  saturated  ([U‐13C]palmitic  acid)  and  unsaturated 

([U‐13C]linoleic  acid)  fatty  acids dissolved  in oil,  either  as  a bolus by oral  gavage or 

continuously  by  intraduodenal  infusion,  as  described  in  chapter  4. MTX  treatment 

severely reduced the appearance of [U‐13C]palmitic‐ and [U‐13C]linoleic acid in plasma 

and  liver,  compared  with  controls,  either  when  administered  as  a  bolus  or 

continuously  (all  at  least  ‐63%).  It  is  remarkable  that  continuous  enteral  fat 

administration could not overcome  the  reduced absorptive capacity  for LCFA during 

mucositis,  in  contrast  to  glucose  absorption.  Differences  in  absorption  might  be 

explained  by  the  fact  that  intestinal  absorption  of  fatty  acids  is  much  more 

complicated  than  that of  carbohydrates  (and proteins).  In  fact,  the exact molecular 

mechanism of fatty acid translocation across the epithelial membrane is still a matter 

of debate [32‐34].  Apparently, the mucosal damage during mucositis is too prominent 

to  allow  for  normal  absorption  of  LCFA,  even  when  administered  continuously. 

Parenteral administration of LCFA might therefore be a rational alternative for enteral 

LCFA administration in patients with mucositis. Furthermore, plasma citrulline turned 

out  to  be  a  better  marker  than  diarrhea  to  detect  LCFA  malabsorption  during 

mucositis. 

Page 6: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Summary and General Discussion, Conclusions and Future Perspectives 

131 | 169 

Proteins 

Next, we determined the capacity to absorb amino acids during mucositis. Rats with 

and  without  MTX‐induced  mucositis  enterally  received  a  physiologically  relevant 

amount (meal size) of 13C‐ or 15N‐labeled amino acids (leucine,  lysine, phenylalanine, 

threonine and methionine), as described in chapter 5. Since glucose absorption during 

mucositis improved upon continuous enteral administration, as compared with bolus 

administration, amino acids were enterally administered by continuous intraduodenal 

infusion. The median  systemic availability of all amino acids except  for  leucine was 

similar  in MTX‐treated  rats  and  in  controls.  However,  individual  availability  of  all 

amino acids differed substantially within the group of MTX‐treated rats, ranging from 

severely reduced (<10%  intake) to not different from controls (>40%  intake  in 5 of 9 

rats).  Since  absolute  amino  acid  utilization  was  mostly  reduced  or  similar  in 

MTX‐treated  rats,  compared  with  controls,  we  concluded  that  continuous  enteral 

administration  enabled  normal  amino  acid  absorption  in  about  half  of  rats  with 

mucositis. These findings were in line with our findings regarding glucose absorption. 

Like  glucose  absorption,  amino  acid  absorption  could  have  been  possible  via 

transporters  on  the  epithelial  membrane,  via  paracellular  absorption  [29]  or  via 

leakage  through damaged  tight  junctions  [30, 31]. Our  findings  suggest  that enteral 

amino acids are preferably administered continuously  to patients with mucositis,  to 

optimize amino acid absorption. Furthermore, we showed  that  the  intestine prefers 

basolateral  instead of apical amino acid uptake to meet  its need for amino acids for 

protein synthesis during mucositis.  

We aimed to determine the digestive and absorptive capacity of nutrients during GI 

mucositis in the rat. We found the digestion of disaccharides to be severely reduced 

during mucositis,  as was  the  absorption  of  LCFA.  In  contrast,  the  absorption  of 

glucose  and  amino  acids  could  be  normal  during  mucositis,  when  enterally 

administered continuously by intraduodenal infusion. Of note, large interindividual 

differences in glucose and amino acid absorption were seen during mucositis.  

Continuous (par)enteral feeding during mucositis in the rat 

Now  that we  concluded  that  the  absorption  of  glucose  and  amino  acids  could  be 

normal  during mucositis, when  enterally  administered  continuously, we  set  out  to 

determine  if  continuous  enteral  feeding with  these  nutrients  could prevent weight 

loss  during mucositis.  In  this  experiment, we  determined  the  effects of  4  different 

(par)enteral  feeding  strategies  during  mucositis  on  body  weight,  as  described  in 

chapter  6.  Rats  with  MTX‐induced  mucositis  continued  ad  libitum  purified  diet 

(AIN‐93G,  strategy  1),  received  continuous  enteral  force‐feeding  with  glucose  and 

amino acids (Nutriflex®, strategy 2) or with standard tube‐feeding (Nutrini®, strategy 

3), or  received standard parenteral  feeding  (NuTRIflex® Lipid, strategy 4)  for 3 days. 

Control  rats continued ad  libitum purified diet. We  found  that both enteral  feeding 

strategies were  poorly  tolerated by  rats with mucositis. Most  rats had  to be  killed 

Page 7: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Chapter 8 

132 | 169 

early  because  of  severe  watery  diarrhea,  abdominal  distention,  lethargy  and 

hyperglycemia after 1‐2 days of feeding. Only a few rats tolerated enteral feeding with 

glucose  and  amino  acids. We  hypothesized  that  the  reduced  spontaneous  intake 

during  mucositis  (causing  the  loss  of  body  weight),  as  seen  in  rats  as  well  as  in 

humans, might  be  a mechanism  to  protect  the  damaged  intestine  that  apparently 

does  not  tolerate  normal  daily  amounts  of  enteral  nutrition.  In  contrast  to 

enterally‐fed  rats,  all  parenterally‐fed  rats  with  mucositis  grew  similarly  as 

saline‐treated  controls.  This  could  be  explained  by  the  fact  that  via  parenteral 

nutrition, nutrients are delivered directly into the blood and the damaged intestine is 

completely  bypassed.  Our  findings  in  the  rat  suggest  that  nutrition  should  be 

administered  parenterally  during GI mucositis  to  prevent weight  loss,  since  daily 

amounts of enteral nutrition (even of glucose and amino acids) are badly tolerated 

during mucositis.   

Apart  from  the  effect  on  body  weight,  we  also  determined  the  effect  of  the 

mentioned feeding strategies on intestinal recovery as measured by plasma citrulline 

concentrations  and  jejunal  histology.  We  found  advantageous  effects  of  enteral 

nutrition  (including  minimal  intake  in  ad  libitum‐fed  rats)  during  mucositis  on 

intestinal  citrulline  synthesis  (preferably  glucose  and  amino  acids)  and histology,  in 

comparison with solely parenteral nutrition. Advantageous effects of enteral nutrition 

have  also  been  reported  during  other  forms  of  intestinal  failure  [35],  as may  be 

explained by  its stimulatory effect on  intestinal epithelial cells and the production of 

trophic hormones  [27, 35, 36]. Taken  together, our  findings  in  the  rat  indicate  that 

the  optimal  feeding  strategy  during  GI  mucositis  consists  of  a  combination  of 

parenteral  nutrition  to  prevent  weight  loss,  and  tolerated  amounts  of  enteral 

glucose and amino acids via continuous infusion to optimize intestinal recovery from 

mucositis.   

Plasma citrulline as a marker for (intestinal function during) mucositis 

An objective, easy measurable parameter to score GI mucositis  in patients  is needed 

in order to diagnose this (sometimes subclinical) disease and to offer patients the best 

treatment. Since plasma citrulline (a nonprotein amino acid made by enterocytes [37]) 

was  earlier  found  to  be  a  promising  marker  for  mucositis  in  patients  [5‐8],  we 

measured plasma citrulline in rats of all our previously described experiments. At day 

4 after MTX  injection  (the day when  symptoms of mucositis were most  severe and 

nutrient  digestion  and  absorption  experiments  were  performed),  plasma  citrulline 

was  always  severely  decreased  in MTX‐treated  rats,  as  compared with  controls.  In 

individual  rats, plasma citrulline  level  strongly correlated with villus  length, which  is 

the most accurate (but rather invasive) indicator of mucositis [5, 14]. However, at day 

5 after MTX  injection (when  intestinal villi were mostly recovered from mucositis, as 

described in chapter 6) plasma citrulline was still decreased in most MTX‐treated rats, 

as compared with controls. Our  findings therefore suggest that plasma citrulline has 

Page 8: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Summary and General Discussion, Conclusions and Future Perspectives 

133 | 169 

limited  value  as  a  marker  for  the  level  of  mucositis;  low  plasma  citrulline 

concentrations  post  chemotherapy  might  indicate  that  individuals  suffer  from 

mucositis or that they are in an early recovery phase from mucositis. 

We related villus  length and plasma citrulline concentrations with nutrient digestion 

and  absorption  in  individual  rats  to  determine  if  individual  levels  of  mucositis 

correlated with individual levels of nutrient (mal)digestion and (mal)absorption. If so, 

plasma citrulline  (as a  relatively noninvasive marker  for mucositis) might be used  in 

clinic to adapt the feeding strategy of  individual patients, regardless of their  level of 

mucositis.  Both  villus  length  and  plasma  citrulline  correlated  strongly with  lactose 

maldigestion and fat malabsorption during mucositis, but poorly with the absorption 

of glucose and amino acids when enterally administered continuously. About half of 

MTX‐treated  rats with severe mucositis  (villus  length <300 µm and plasma citrulline 

<30  µmol/L)  showed  a  rather  reduced  absorption  of  continuously  administered 

glucose  and  amino  acids,  while  the  other  half  absorbed  glucose  and  amino  acids 

efficiently.  

The second aim of this thesis was to determine the value of plasma citrulline as an 

objective marker for the level of GI mucositis and the respective intestinal function, 

in the rat. We found plasma citrulline to be a marker with limited value for the level 

of GI mucositis. Since absorption of continuously administered glucose and amino 

acids did not correlate with the level of mucositis (as measured by villus length and 

plasma  citrulline),  citrulline  seems  not  a  usable marker  to  differentiate  between 

individuals  with  intact  or  reduced  glucose  and  amino  acid  absorption  during 

mucositis. 

The management of mucositis in cancer patients 

Progress in understanding the pathobiology of mucositis is difficult due to the relative 

inaccessibility  of  the  intestine  and  the  obvious  difficulty  in  obtaining  biopsies  at 

multiple  time  points  after  cytotoxic  therapy.  Nevertheless,  new  agents  for  the 

management of mucositis are being tested in patients using symptoms of mucositis as 

clinical  endpoints.  As  part  of  the  Mucositis  Study  Group  of  the  Multinational 

Association  of  Supportive  Care  in  Cancer/International  Society  of  Oral  Oncology 

(MASCC/ISOO),  we  reviewed  the  literature  and  updated  the  evidence‐based 

guidelines for the prevention and treatment of GI mucositis [38, 39]. For our review, a 

literature search  for relevant papers  indexed  in Medline on or before December 31, 

2010 was conducted  (including only human studies), as described  in chapter 7. One 

new recommendation, two new suggestions and one change from previous guidelines 

could  be  made.  Firstly,  the  panel  recommends  against  the  use  of  misoprostol 

suppositories  for  the  prevention  of  acute  radiation‐induced  proctitis.  Secondly,  the 

panel suggests probiotic treatment containing Lactobacillus spp. may be beneficial for 

prevention  of  chemotherapy  and  radiotherapy‐induced  diarrhea  in  patients  with 

Page 9: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Chapter 8 

134 | 169 

malignancies of  the pelvic  region. Thirdly,  the panel  suggests  the use of hyperbaric 

oxygen as an effective means in treating reducing radiation‐induced proctitis. At last, 

new evidence has emerged which is in conflict with the previous guideline concerning 

the use of systemic glutamine, meaning that the panel  is unable to form a guideline. 

No guideline was possible  for any other agent, due to  inadequate and/or conflicting 

evidence. Our updated  review of  the  literature has  allowed new  recommendations 

and  suggestions  for  clinical  practice  to  be  reached,  highlighting  the  importance  of 

regular updates. 

CONCLUSIONS 

The major aim of this thesis was to determine the capacity of nutrient digestion and 

absorption during GI mucositis in a rat model, to ultimately design a rational feeding 

strategy  for mucositis patients.  In  the  last 4.5  years, we were  able  to develop  and 

characterize a stable MTX‐induced mucositis  rat model  in which we determined  the 

digestion  and/or  absorption  capacity  of  carbohydrates,  long‐chain  fatty  acids  and 

amino acids. Of these nutrients, only the absorption of glucose and amino acids could 

be normal during mucositis (but differed substantially between individual rats), when 

enterally administered continuously. 

We performed the nutrient digestion and absorption tests at day 4 after injection with 

MTX or saline, while symptoms of MTX‐induced mucositis were actually present from 

day  2  until  day  5  in  the  rat. We  therefore  do  not  know  when maldigestion  and 

malabsorption of nutrients exactly starts or ends and, if we extrapolate our findings to 

the clinic, for how long the feeding strategy of mucositis patients should be adapted. 

Although plasma citrulline turned out to be to be a marker with limited value for the 

level of mucositis, it could still be used in clinic to partially adapt the feeding strategy 

(i.e.  no  enteral  polysaccharides  or  LCFA),  and  more  generally  the  treatment,  of 

mucositis patients. Plasma citrulline could be useful in addition to the currently used, 

more subjective  ‘National Cancer  Institute Common Toxicity Criteria’ as a parameter 

for GI mucositis  in patients  [5, 40].  Since plasma  citrulline was  reduced  from day 1 

after MTX injection on, nutrient maldigestion and malabsorption may actually already 

start in an early phase of mucositis when clinical symptoms are still absent. Moreover, 

since  plasma  citrulline  remained  reduced  until  day  5  after  MTX  injection,  when 

intestinal  villi  were  mostly  recovered  from  mucositis,  nutrient  maldigestion  and 

malabsorption  may  even  exist  longer  than  expected  upon  intestinal  histology. 

Therefore,  the  nutritional  status  of  patients  receiving  chemotherapy  should  be 

carefully watched, and their plasma citrulline concentrations measured, from the start 

of anti‐cancer treatment on, at least until plasma citrulline levels start getting back to 

normal. 

Page 10: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Summary and General Discussion, Conclusions and Future Perspectives 

135 | 169 

Unfortunately,  continuous enteral  feeding with glucose and amino acids  (as well as 

with standard  formula)  in normal daily amounts was often poorly  tolerated by  rats. 

Parenteral feeding on the other hand (which is quite invasive and carries an increased 

risk of infection [2‐4]) prevented weight loss during mucositis, in contrast to ad libitum 

feeding,  although  ad  libitum  feeding  caused  accelerated  intestinal  recovery.  Future 

research  in mucositis patients  is  indicated to define their optimal feeding strategy  in 

order  to prevent weight  loss during mucositis and optimize  intestinal  recovery  from 

mucositis.  

FUTURE PERSPECTIVES 

Our findings in the rat indicate that during GI mucositis, the optimal feeding strategy 

consists of a combination of parenteral nutrition to prevent weight loss, and tolerated 

amounts  of  enteral  glucose  and  amino  acids  via  continuous  infusion  to  optimize 

intestinal recovery from mucositis. However, we do not know to what extent enteral 

nutrition is tolerated in patients with mucositis. Further research in mucositis patients 

is  needed  to  determine  whether  either  continuous  enteral  administration  with 

glucose and amino acids or TPN  is  indicated to prevent weight  loss during mucositis. 

Since  both  enteral  tube‐feeding  (in  pediatric  and  adult  mucositis  patients)  and 

parenteral feeding (only  in adult mucositis patients [41]) are already commonly used 

in the clinic, studies with varying doses of enteral and parenteral nutrition in mucositis 

patients can now be undertaken.  

If  continuous  enteral  administration  of  glucose  and  amino  acids  in  normal  daily 

amounts is well tolerated in mucositis patients, but individual glucose and amino acid 

absorption differs  substantially between patients  (like  in  rats), plasma  citrulline will 

probably  not  be  a  usable  discriminatory marker  between  their  reduced  or  intact 

absorption.  Future  research  should  then  focus  on  finding  another  discriminatory 

marker  in order  to select patients  that would benefit most  from continuous enteral 

glucose and amino acids.    

If  continuous  enteral  administration  of  glucose  and  amino  acids  in  normal  daily 

amounts  is poorly tolerated  in mucositis patients  (like  in rats), additional research  in 

patients on the role of enteral glucose and amino acids to improve intestinal recovery 

from mucositis seems attractive. The design should focus on titrating sufficient enteral 

nutrients  to  promote  intestinal  recovery  from mucositis  on  the  one  hand,  and  on 

negative side effects of enteral feeding on the other hand.  

To  date,  there  is  a  considerable  need  for  management  interventions  to  prevent 

and/or treat GI mucositis. Unfortunately, well performed human studies in which new 

interventions  are  tested  are  scarce,  due  to  the  difficulty  in  obtaining  biopsies  at 

multiple time points after cytotoxic therapy. However, now that proof of citrulline to 

Page 11: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Chapter 8 

136 | 169 

be a useful marker  for GI mucositis accumulates  (in addition  to  the more subjective 

‘National Cancer Institute Common Toxicity Criteria’), this might change. For now, the 

mucositis  rat  model  seems  ideal  to  test  new  strategies  for  the  prevention  and 

treatment  of GI mucostis.  The model  allows  for  repeated  scoring  of mucositis  (by 

plasma  citrulline and/or  intestinal histology) and absorptive  function before, during 

and after mucositis, by using stable isotope‐labeled nutrients. Promising agents could 

then be examined in patients in the clinic. 

Theoretically,  all  agents  that  intervene  in  the  pathobiology  of  GI  mucositis,  as 

described by Sonis [12, 13], could prevent or treat GI mucositis and should therefore 

be  the  focus  of  future  research.  Of  these  agents,  especially  R‐spondin1  (a  novel 

epithelial  mitogen  that  stimulates  the  growth  of  mucosa  in  the  small  and  large 

intestine [42]), seems attractive to test in the rat model. Prophylactic treatment with 

R‐spondin1  has  been  shown  to  protect  mice  against  chemotherapy‐  or 

radiation‐induced oral mucositis [43]. Since the pathobiology of oral and GI mucositis 

is  thought  to  be  similar  [12, 13],  R‐spondin1  might  also  prevent 

chemotherapy‐induced GI mucositis. 

Another  important  focus  of  future  research  in  the  rat model  could  be  the  role  of 

intestinal microbiota  during mucositis.  Recent  research  has  shown  that  anti‐cancer 

treatment  is associated with a decrease  in  the number of anaerobic bacteria and a 

decrease in microbial diversity [44, 45]. We found similar changes in the mucositis rat 

model  (preliminary data). Although not  specifically mentioned  in  Sonis’ model, Van 

Vliet et al. suggest that the intestinal commensal bacteria could influence all phases of 

Sonis’ mucositis model  [46]. A causal  relationship between  the  intestinal microbiota 

and mucositis  has  been  proposed  but  has  not  been  demonstrated  so  far.  Further 

research  to  understand  the  role  of  bacteria  in  the  pathogenesis  of  mucositis  is 

indicated,  for  instance by determining  the  effects of broad‐spectrum  antibiotics on 

mucositis. Since specific groups of bacteria might be able to modulate the severity of 

mucositis,  research  focusing  on  restoring  dysbiosis  during mucositis  also  becomes 

essential. For  instance,  the effects of prebiotics and/or probiotics  (like  Lactobacillus 

spp.  [47]) on mucositis  should be  studied more extensively. Since administration of 

living  bacteria  to  immunocompromised  hosts  (like  cancer  patients  on  anti‐cancer 

therapy) can be life threatening [48, 49], alternatives like bacterial parts (for instance 

DNA) also deserve attention. 

REFERENCES 

1. Elting  LS,  Cooksley  C,  Chambers M,  Cantor  SB, Manzullo  E,  Rubenstein  EB  (2003)  The  burdens  of cancer therapy. Clinical and economic outcomes of chemotherapy‐induced mucositis. Cancer 98:1531‐1539  

2. Jeejeebhoy KN (2006) Management of short bowel syndrome: avoidance of total parenteral nutrition. Gastroenterology 130:S60‐6  

Page 12: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Summary and General Discussion, Conclusions and Future Perspectives 

137 | 169 

3. Olieman JF, Penning C, Ijsselstijn H, Escher JC, Joosten KF, Hulst JM, Tibboel D (2010) Enteral nutrition in children with short‐bowel syndrome: current evidence and recommendations for the clinician. J Am Diet Assoc 110:420‐426  

4. Anonymous  (1991) Perioperative  total parenteral nutrition  in  surgical patients. The Veterans Affairs Total Parenteral Nutrition Cooperative Study Group. N Engl J Med 325:525‐532  

5. Van Vliet MJ, Tissing WJ, Rings EH, Koetse HA, Stellaard F, Kamps WA, de Bont ES (2009) Citrulline as a marker  for chemotherapy  induced mucosal barrier  injury  in pediatric patients. Pediatr Blood Cancer 53:1188‐1194  

6. Blijlevens  NM,  Lutgens  LC,  Schattenberg  AV,  Donnelly  JP  (2004)  Citrulline:  a  potentially  simple quantitative marker  of  intestinal  epithelial  damage  following myeloablative  therapy.  Bone Marrow Transplant 34:193‐196  

7. Lutgens  LC,  Blijlevens  NM,  Deutz  NE,  Donnelly  JP,  Lambin  P,  de  Pauw  BE  (2005)  Monitoring myeloablative  therapy‐induced small bowel  toxicity by serum citrulline concentration: a comparison with sugar permeability tests. Cancer 103:191‐199  

8. Lutgens  LC, Deutz N, Granzier‐Peeters M,  Beets‐Tan  R, De  RD, Gueulette  J,  Cleutjens  J,  Berger M, Wouters  B,  von MM,  Lambin  P  (2004)  Plasma  citrulline  concentration:  a  surrogate  end  point  for radiation‐induced mucosal atrophy of the small bowel. A feasibility study  in 23 patients.  Int J Radiat Oncol Biol Phys 60:275‐285  

9. De Koning BA, Lindenbergh‐Kortleve DJ, Pieters R, Rings EH, Buller HA, Renes IB, Einerhand AW (2006) The effect of  cytostatic drug  treatment on  intestine‐specific  transcription  factors Cdx2, GATA‐4 and HNF‐1alpha in mice. Cancer Chemother Pharmacol 57:801‐810  

10. Taminiau  JA,  Gall  DG,  Hamilton  JR  (1980)  Response  of  the  rat  small‐intestine  epithelium  to methotrexate. Gut 21:486‐492  

11. Verburg M, Renes IB, Van Nispen DJ, Ferdinandusse S, Jorritsma M, Buller HA, Einerhand AW, Dekker J (2002) Specific responses  in rat small  intestinal epithelial mRNA expression and protein  levels during chemotherapeutic damage and regeneration. J Histochem Cytochem 50:1525‐1536  

12. Sonis ST (2004) The pathobiology of mucositis. Nat Rev Cancer 4:277‐284  

13. Sonis ST (2004) A biological approach to mucositis. J Support Oncol 2:21‐32  

14. Sonis ST, Elting LS, Keefe D, Peterson DE, Schubert M, Hauer‐Jensen M, Bekele BN, Raber‐Durlacher J, Donnelly  JP,  Rubenstein  EB  (2004)  Perspectives  on  cancer  therapy‐induced  mucosal  injury: pathogenesis, measurement, epidemiology, and consequences for patients. Cancer 100:1995‐2025  

15. Boukhettala N, Leblond J, Claeyssens S, Faure M, Le PF, Bole‐Feysot C, Hassan A, Mettraux C, Vuichoud J, Lavoinne A, Breuille D, Dechelotte P, Coeffier M  (2009) Methotrexate  induces  intestinal mucositis and  alters  gut  protein metabolism  independently  of  reduced  food  intake. Am  J  Physiol  Endocrinol Metab 296:E182‐E190  

16. Harsha  WT,  Kalandarova  E,  McNutt  P,  Irwin  R,  Noel  J  (2006)  Nutritional  supplementation  with transforming  growth  factor‐beta,  glutamine,  and  short  chain  fatty  acids minimizes methotrexate‐induced injury. J Pediatr Gastroenterol Nutr 42:53‐58  

17. Howarth GS, Francis GL, Cool JC, Xu X, Byard RW, Read LC (1996) Milk growth factors enriched from cheese whey ameliorate  intestinal damage by methotrexate when administered orally to rats. J Nutr 126:2519‐2530  

18. Verburg M, Renes  IB, Meijer HP,  Taminiau  JA, Buller HA,  Einerhand AW, Dekker  J  (2000)  Selective sparing of  goblet  cells and paneth  cells  in  the  intestine of methotrexate‐treated  rats. Am  J Physiol Gastrointest Liver Physiol 279:G1037‐G1047  

19. Kalivianakis M, Minich DM, Havinga R, Kuipers F, Stellaard F, Vonk RJ, Verkade HJ (2000) Detection of impaired  intestinal  absorption  of  long‐chain  fatty  acids:  validation  studies  of  a  novel  test  in  a  rat model of fat malabsorption. Am J Clin Nutr 72:174‐180  

20. Minich DM, Kalivianakis M, Havinga R, van Goor H, Stellaard F, Vonk RJ, Kuipers F, Verkade HJ (1999) Bile diversion  in  rats  leads  to a decreased plasma concentration of  linoleic acid which  is not due  to decreased net intestinal absorption of dietary linoleic acid. Biochim Biophys Acta 1438:111‐119  

21. Kalivianakis M, Minich DM, Bijleveld CM, van Aalderen WM, Stellaard F, Laseur M, Vonk RJ, Verkade HJ (1999) Fat malabsorption  in cystic  fibrosis patients  receiving enzyme  replacement  therapy  is due  to impaired intestinal uptake of long‐chain fatty acids. Am J Clin Nutr 69:127‐134  

22. Minich DM, Havinga R, Stellaard F, Vonk RJ, Kuipers F, Verkade HJ  (2000)  Intestinal absorption and postabsorptive metabolism  of  linoleic  acid  in  rats with  short‐term  bile  duct  ligation.  Am  J  Physiol Gastrointest Liver Physiol 279:G1242‐8  

Page 13: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Chapter 8 

138 | 169 

23. Minich  DM,  Voshol  PJ,  Havinga  R,  Stellaard  F,  Kuipers  F,  Vonk  RJ,  Verkade  HJ  (1999)  Biliary phospholipid secretion  is not  required  for  intestinal absorption and plasma status of  linoleic acid  in mice. Biochim Biophys Acta 1441:14‐22  

24. Lukovac S, Gooijert KE, Gregory PC, Shlieout G, Stellaard F, Rings EH, Verkade HJ (2010) Gelucire 44/14 improves fat absorption in rats with impaired lipolysis. Biochim Biophys Acta 1801:665‐673  

25. Nishioka  T,  Having  R,  Tazuma  S,  Stellaard  F,  Kuipers  F,  Verkade  HJ  (2004)  Administration  of phosphatidylcholine‐cholesterol  liposomes  partially  reconstitutes  fat  absorption  in  chronically  bile‐diverted rats. Biochim Biophys Acta 1636:90‐98  

26. Rings EH, Minich DM, Vonk RJ, Stellaard F, Fetter WP, Verkade HJ (2002) Functional development of fat absorption in term and preterm neonates strongly correlates with ability to absorb long‐chain Fatty acids from intestinal lumen. Pediatr Res 51:57‐63  

27. DiBaise  JK, Young RJ, Vanderhoof  JA  (2004)  Intestinal  rehabilitation and  the  short bowel  syndrome: part 2. Am J Gastroenterol 99:1823‐1832  

28. Rings EH, Grand RJ, Buller HA (1994) Lactose intolerance and lactase deficiency in children. Curr Opin Pediatr 6:562‐567  

29. Pappenheimer JR (1993) On the coupling of membrane digestion with intestinal absorption of sugars and amino acids. Am J Physiol 265:G409‐17  

30. Carneiro‐Filho BA, Lima  IP, Araujo DH, Cavalcante MC, Carvalho GH, Brito GA, Lima V, Monteiro SM, Santos  FN,  Ribeiro  RA,  Lima  AA  (2004)  Intestinal  barrier  function  and  secretion  in methotrexate‐induced rat intestinal mucositis. Dig Dis Sci 49:65‐72  

31. Keefe  DM,  Cummins  AG,  Dale  BM,  Kotasek  D,  Robb  TA,  Sage  RE  (1997)  Effect  of  high‐dose chemotherapy on intestinal permeability in humans. Clin Sci (Lond) 92:385‐389  

32. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2012) Biochemistry:663‐697  

33. Carey MC, Small DM, Bliss CM (1983) Lipid digestion and absorption. Annu Rev Physiol 45:651‐677  

34. Phan CT, Tso P (2001) Intestinal lipid absorption and transport. Front Biosci 6:D299‐319  

35. Buchman AL, Scolapio J, Fryer J (2003) AGA technical review on short bowel syndrome and intestinal transplantation. Gastroenterology 124:1111‐1134  

36. DiBaise  JK, Young RJ, Vanderhoof  JA  (2004)  Intestinal  rehabilitation and  the  short bowel  syndrome: part 1. Am J Gastroenterol 99:1386‐1395  

37. Crenn P, Vahedi K, Lavergne‐Slove A, Cynober L, Matuchansky C, Messing B (2003) Plasma citrulline: A marker  of  enterocyte  mass  in  villous  atrophy‐associated  small  bowel  disease.  Gastroenterology 124:1210‐1219  

38. Keefe DM, Schubert MM, Elting LS, Sonis ST, Epstein  JB, Raber‐Durlacher  JE, Migliorati CA, McGuire DB,  Hutchins  RD,  Peterson  DE  (2007)  Updated  clinical  practice  guidelines  for  the  prevention  and treatment of mucositis. Cancer 109:820‐831  

39. Rubenstein EB, Peterson DE, Schubert M, Keefe D, McGuire D, Epstein J, Elting LS, Fox PC, Cooksley C, Sonis  ST, Mucositis  Study  Section  of  the Multinational  Association  for  Supportive  Care  in  Cancer, International  Society  for  Oral  Oncology  (2004)  Clinical  practice  guidelines  for  the  prevention  and treatment of cancer therapy‐induced oral and gastrointestinal mucositis. Cancer 100:2026‐2046  

40. Trotti  A,  Colevas  AD,  Setser  A,  Rusch  V,  Jaques  D,  Budach  V,  Langer  C, Murphy  B,  Cumberlin  R, Coleman CN, Rubin P  (2003) CTCAE  v3.0: development of a  comprehensive  grading  system  for  the adverse effects of cancer treatment. Semin Radiat Oncol 13:176‐181  

41. Blijlevens NM, Donnelly  JP, Naber AH,  Schattenberg AV, DePauw BE  (2005) A  randomised, double‐blinded,  placebo‐controlled,  pilot  study  of  parenteral  glutamine  for  allogeneic  stem  cell  transplant patients. Support Care Cancer 13:790‐796  

42. Zhao J, de Vera J, Narushima S, Beck EX, Palencia S, Shinkawa P, Kim KA, Liu Y, Levy MD, Berg DJ, Abo A, Funk WD (2007) R‐spondin1, a novel  intestinotrophic mitogen, ameliorates experimental colitis  in mice. Gastroenterology 132:1331‐1343  

43. Zhao  J,  Kim  KA,  De  Vera  J,  Palencia  S, Wagle M,  Abo  A  (2009)  R‐Spondin1  protects  mice  from chemotherapy or radiation‐induced oral mucositis through the canonical Wnt/beta‐catenin pathway. Proc Natl Acad Sci U S A 106:2331‐2336  

44. Van  Vliet  MJ,  Tissing  WJ,  Dun  CA,  Meessen  NE,  Kamps  WA,  de  Bont  ES,  Harmsen  HJ  (2009) Chemotherapy  treatment  in pediatric patients with  acute myeloid  leukemia  receiving  antimicrobial prophylaxis leads to a relative increase of colonization with potentially pathogenic bacteria in the gut. Clin Infect Dis 49:262‐270  

Page 14: University of Groningen Nutrient digestion and absorption

Summary and General Discussion, Conclusions and Future Perspectives 

139 | 169 

45. Stringer AM, Gibson RJ, Logan RM, Bowen JM, Yeoh AS, Hamilton J, Keefe DM (2009) Gastrointestinal microflora  and  mucins  may  play  a  critical  role  in  the  development  of  5‐Fluorouracil‐induced gastrointestinal mucositis. Exp Biol Med (Maywood) 234:430‐441  

46. Van  Vliet MJ,  Harmsen  HJ,  de  Bont  ES,  Tissing WJ  (2010)  The  role  of  intestinal microbiota  in  the development and severity of chemotherapy‐induced mucositis. PLoS Pathog 6:e1000879  

47. Osterlund  P,  Ruotsalainen  T,  Korpela  R,  Saxelin M, Ollus A, Valta  P,  Kouri M,  Elomaa  I,  Joensuu H (2007) Lactobacillus  supplementation  for diarrhoea  related  to chemotherapy of colorectal cancer: a randomised study. Br J Cancer 97:1028‐1034  

48. Besselink MG,  van  Santvoort HC, Boermeester MA, Buskens  E, Akkermans  LM, Gooszen HG  (2009) Probiotic prophylaxis  in acute pancreatitis: prudence  required. Nat Clin Pract Gastroenterol Hepatol 6:E3‐6  

49. Besselink  MG,  van  Santvoort  HC,  Buskens  E,  Boermeester  MA,  van  Goor  H,  Timmerman  HM, Nieuwenhuijs  VB,  Bollen  TL,  van  Ramshorst  B,  Witteman  BJ,  Rosman  C,  Ploeg  RJ,  Brink  MA, Schaapherder AF, Dejong CH, Wahab PJ, van Laarhoven CJ, van der Harst E, van Eijck CH, Cuesta MA, Akkermans  LM, Gooszen HG, Dutch Acute Pancreatitis  Study Group  (2008) Probiotic prophylaxis  in predicted  severe  acute  pancreatitis:  a  randomised,  double‐blind,  placebo‐controlled  trial.  Lancet 371:651‐659  

 

  

 

  

Page 15: University of Groningen Nutrient digestion and absorption