Auswirkung eines reduzierten Sauerstoffgehaltes in der Bebrütungsluft auf die Entwicklung des Herzmuskelgewebes im Hühnerembryo (Gallus gallus f. domestica): Eine lichtmikroskopische, immunhistochemische und morphometrische Studie

Abstract

Eine Vielzahl von Studien belegt, dass der im Ei heranwachsende Hühnerembryo eine hohe Toleranz gegenüber Sauerstoffmangelsituationen besitzt. Diese Toleranz ergibt sich aus der Fähigkeit zu verschiedenen Anpassungsmechanismen des embryonalen Organismus. Neben den physiologischen Untersuchungen von DECKER (2002) und DZIALOWSKI (2002) konnten mit der vorliegenden morphologischen Studie weitere Erkenntnisse zur Auswirkung einer Reduktion des Sauerstoffgehaltes in der Bebrütungsluft auf die Entwicklung des embryonalen Hühnerherzen auf zellulärer bzw. struktureller Ebene gewonnen werden. Das vom tubulären Organ mesodermalen Ursprunges zu einem vierkammerigem Organ heranwachsende Herz ändert gemäß einer vom wachsenden Embryo geforderten höheren Kontraktionskraft auch seine Funktion bzw. Effektivität. Diese möglicherweise auch unter dem Einfluss eines verminderten Sauerstoffgehaltes in der Bebrütungsluft des Embryos geforderte Mehrleistung des Herzens erfordert vermutlich qualitative Anpassungen der Zellen wie z. B. Unterschiede im Differenzierungsgrad und/oder induziert möglicherweise quantitative Veränderungen, die eine Proliferation der zur Kontraktionsarbeit benötigten Kardiomyozyten als Synzytium bedingen. Morphometrische Untersuchungen im Rahmen dieser Studie ergaben, dass quantitative Anpassungen im Vordergrund der Anpassungsmechnismen des Herzens stehen. So konnte bei den unter Sauerstoffreduktion bebrüteten Hühnerembryonen für die drei Lokalisationen am Herzen (linker Ventrikel, Septum interventriculare und rechter Ventrikel) eine Erhöhung der Mittelwerte der Zellzahlen innerhalb der jeweiligen Lokalisation gegenüber denen der Kontrollgruppe registriert werden. Diese zwar nur für das Septum interventriculare signifikanten Unterschiede zeigen, dass es eine Wirkung des verminderten Sauerstoffgehaltes in der Bebrütungsluft auch auf die strukturelle Entwicklung bzw. die Differenzierung des embryonalen Herzmuskelgewebes gibt. Bei diesem Anpassungsmechanismus handelt es sich vermutlich um eine reaktive Hyperplasie der Zellen bzw. einer innerhalb der zwischen dem sechsten und dem zwölften Bebrütungstag für den Hühnerembryo bestehenden sensiblen Phase erhöhte Mitoseaktivität der Kardiomyozyten. Diese Adaptation lässt sich, wie auch für andere in der Literatur beschriebene Parameter, nur temporär, innerhalb eines bestimmten Entwicklungsstadiums, registrieren. Die Organe der älteren, kurz vor dem Schlupf stehenden Tiere zeigten in beiden Gruppen nahezu identische mittlere Zellzahlen in den ausgewählten Lokalisationen des Herzmuskelgewebes. Es wurde somit ein Ausgleich der im Verlauf der Entwicklung vorher veränderten morphologischen Parameter in der Versuchsgruppe beobachtet. Durch die immunhistochemischen und lektinhistochemischen Untersuchungen der Herzen zur Dokumentation von qualitativen Anpassungen bzw. Unterschieden im Differenzierungsgrad der Kardiomyozyten des Arbeitsmyokards der Hühnerembryonen konnten keine Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen festgestellt werden; dennoch konnten Aussagen über die altersabhängigen Reaktionsmuster verschiedener Antikörper und Lektine am embryonalen Hühnerherzen gemacht werden. So zeigen die immunhistochemischen Untersuchungen die Unterschiede in der Entwicklung des Herzmuskelgewebes im Vergleich zur glatten Musku¬latur der herzeigenen Gefäße. Die lichtmikroskopischen Untersuchungen konnten die Literaturangaben zum Aufbau des Herzmuskelgewebes im Hühnerembryo größtenteils bestätigen. Durch diese lichtmikroskopischen Untersuchungen der Herzen aus unterschiedlichen Altersgruppen konnten in Abhängigkeit vom Alter der Embryonen strukturelle Unterschiede am Herzen dokumentiert werden.

A multitude of studies support the view that the chick embryo - developing within the egg - is endowed with a high tolerance for oxygen deficiency conditions. This tolerance results from the various adaptive abilities of the embryonic organism. Complementing the physiologic studies of DECKER (2002) and DZIALOWSKI (2002), the present morphologic study rendered new insights into the effect of incubation under reduced environmental oxygen content on the development of the embryonic heart, particularly regarding its cellular and structural components. While developing from a mesoderm-derived tube-like organ to a four-chambered organ, the embryonic heart complying with the growing embryo s needs - displays an increased contractive force as well as alterations in function and effectiveness. A like-wise increased efficiency of the heart is potentially needed under reduced environmental oxygen content and requires qualitative alterations of the cardiac cells, such as differences in the degree of differentiation. It might also induce quantitative alterations within the contracting syncytic cardiomyocytes, i.e. proliferation. The morphometric examination of this study showed that quantitative alterations prevailed within the adaptive mechanisms of the heart. The chick embryos incubated under reduced environmental oxygen content displayed an increase of the mean value cell count regarding three different locations within the heart (left ventricle, interventricular septum, and right ventricle) compared to the respective localisations within the control group. Although these results were only significant for the interventricular septum, they indicate that the reduced environmental oxygen content indeed effects the structural development and differentiation of the embryonic myocardium. This adaptive mechanism results presumably from a reactive hyperplasia of the cells, as well as from an increased mitotic myocardiac activity during a sensitive phase of the chick embryo between the sixth and twelfths day of incubation, respectively. This adaptive potential - like other parameters described in the literature - is detected only temporary, during a distinct developmental stage. The hearts of older chicks shortly before hatching of both, test and control groups, displayed nearly identical mean value cell counts within the selected localisations of the myocardium. Thus, the detected altered morphologic parameter within the test group was balanced towards the end of the prenatal development. The immuno- and lectin-histochemical examination of the hearts - carried out in order to document qualitative adaptations, and differences in the degree of myocardiac differentiation within the working myocard of the chick embryo, respectively - displayed no differences between the test groups. However, age-related reactivity patterns of different antibodies and lectins were detected in the embryonic chick heart. Thus, the immuno-histochemical characterisation displayed differences between the differentiation of the myocardiocytes and the smooth muscle cells of the heart vessels. The results of the light microscopic examination of the present study mainly confirmed the data described in the literature on the configuration of the myocardiac tissue in the chick embryo. Light microscopy of the developing embryonic heart from different age groups revealed age- related structural alterations within the myocardium.