Kardiomyopathie und akute Hypoxie: Eine experimentelle morphometrische Studie

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels qualitativer und quantitativer Untersuchungen zu ausgewählten Zeitpunkten der postnatalen Entwicklung den Zeitpunkt herauszuarbeiten, in welchem die Unterschiede in der Ultrastruktur der Kardiomyozyten zwischen den Gruppen der gesunden und kardiomyopathischen Hamster am stärksten repräsentiert sind, um zu diesem Zeitpunkt die Auswirkungen der Hypoxie auf die Kardiomyozyten in beiden Gruppen zu untersuchen. Als Versuchstiere dienten 35 gesunde männliche Hamster, unterteilt in 7 Kontrollgruppen im Alter von 3 bis 540 Tagen, sowie 45 gleichaltrige kardiomyopathische Hamster männlichen Geschlechts in den Kontrolltieren. Aus der Versuchsgruppe der kardiomyopathischen Hamster wurden 7 Tiere, und aus der Kontrollgruppe 5 gesunde Hamster einer 25-minütigen normobaren Hypoxie ausgesetzt. Die Tiere wurden unter Äthernarkose durch Genickschlag getötet. Nach Thorakotomie wurden Gewebeproben von der apikalen Region des Herzens jedes einzelnen Tieres entnommen und histologisch und elektronenmikroskopisch untersucht Für die Ermittlung der Messwerte der Kardiomyozytenstrukturen wurden sowohl das konventionelle Punktzählverfahren, als auch das Schnittpunktzählverfahren sowie das Auszählen von Strukturanschnitten genutzt Bis zum 1. Monat der postnatalen Entwicklung konnten auf lichtoptischer Ebene keine morphologischen Unterschiede zwischen den gesunden und den kardiomyopathischen Tieren festgestellt werden. Erst zum 45. Tag der postnatalen Entwicklung traten bei den kardiomyopathischen Hamstern qualitative ultrastrukturelle Veränderungen in Form von Zellödem und destruktiven Veränderungen der Mitochondrien und der Myofibrillen auf. Mit zunehmendem Alter traten geschädigte Z-Streifen und degenerierte Mitochondrien hervor. Form, Ausstattung und Lokalisation der Mitochondrien zeigten deutliche Abweichungen von der Norm, wie Kalkablagerungen, kleine, geschwollene und Riesenmitochondrien und solche mit konzentrischer Anordnung der Cristae und Ausbildung von Myelinfiguren. Das sarkoplasmatische Retikulum und die t-Tubuli waren nach dem ersten Monat der postnatalen Entwicklung oft stark dilatiert. In einigen Kardiomyozytenkernen ließen sich Chromatinverklumpungen nachweisen. Die Ergebnisse der im lichtoptischen Vergrößerungsbereich durchgeführten morphometrischen Untersuchungen zeigten, dass der Durchmesser der Kardiomyozyten bei den kardiomyopathischen Tieren mit zunehmendem Alter stärker als bei den Kontrolltieren anstieg. Dahingegen nahm die Kardiomyozyten/Interstitiumrelation bei den kardiomyopathischen Tieren ab. Die ultrastrukturellen morphometrischen Untersuchungen an 2, 6 und 27 Wochen alten kardiomyopatischen Hamstern ergaben, dass sich in der 6. und 27. Woche die Mitochondrienpopulation, verglichen mit der 2. Woche der postnatalen Entwicklung, aus einer geringeren Anzahl größerer, weiter auseinander liegender Mitochondrien zusammensetzte. Dies war als Folge der stärkeren Vergrößerung der Kardiomyozyten selbst anzusehen, welche quantitativ durch die Zunahme des Durchmessers der Kardiomyozyten ausgewiesen war. Sowohl die Anzahl der Schnittpunkte der Cristae pro Mitochondrion, als auch die Volumendichte der Cristae nahmen signifikant ab, welches auf eine Verschmälerung der intracristaeren Räume hinwies. Das relative Gesamtvolumen der geschädigten Bereiche der Mitochondrien zeigte sich in der 6. Woche nahezu halbiert, um sich in der Woche 27 wiederum mehr als verdoppelt darzustellen. Wie erwartet, nahm die Anzahl der geschädigten Mitochondrienareale pro Einheitsfläche Kardiomyozyt stetig zu. Gemessen an den zwei Wochen alten Tieren, wies die Mitochondrien/Myofibrillenrelation sowohl bei den 6 Wochen alten, als auch bei den 27 Wochen alten Tieren geringere Werte auf, welches als Ausdruck der Hypertrophie der Myofibrillen anzusehen ist. Der ultrastrukturelle quantitative Vergleich zwischen den 100 Tage alten gesunden und kardiomyopathischen Hamstern zeigte, dass die numerische Dichte der Mitochondrien bei den kardiomyopathischen Tieren tendenziell größer war als im Vergleich zu den gesunden Tieren. Die nahezu doppelt so große Volumendichte des Sarkoplasma bei der kardiomyopathischen Versuchsgruppe wirkte sich ausgleichend auf die Unterschiede in der numerischen und Volumendichte der Mitochondrien aus. Das mittlere Volumen der Mitochondrien war gleichwohl bei den kardiomyopathischen Tieren in Relation zu den gesunden Hamstern erhöht. Die Mitochondrienpopulation setzte sich bei den kardiomyopathischen Tieren aus einer vermehrten Anzahl größerer Mitochondrien zusammen. Daraus resultierend, waren die Oberflächen-/Volumenrelation der Mitochondrien gleichsam in beiden Gruppen auf ein und demselben Niveau anzutreffen. Die Oberflächen/Volumenrelation der Cristae war bei den kardiomyopathischen Tieren deutlich gesteigert. Dies wies auf eine Verschmälerung der Cristae hin. Diese Umstrukturierung der Cristae war bei den kardiomyopathischen Tieren möglicherweise als eine Reaktion auf die Hypertrophie der Mitochondrien, diesbezüglich auf die Verlängerung ihrer Zentrum- zu Zentrumdistanz durch die Vergrößerung des relativen Gesamtvolumens des Sarkoplasmas, anzusehen. Ein ausgeprägt größeres relatives Gesamtvolumen und eine eminent vermehrte Anzahl der degenerativen Mitochondrienareale waren in der Gruppe der kardiomyopathischen Tiere, gemessen an der Kontrollgruppe, feststellbar. Als Folge der Hypoxie war eine Steigerung des relativen Gesamtvolumens des Sarkoplasma und der t-Tubuli in beiden Gruppen der Hamstern belegbar. Die Mitochondrienpopulation setzte sich in beiden Gruppen aus einer geringeren Anzahl vergrößerter Mitochondrien zusammen, welche durch eine verkleinerte spezifische Oberflächendichte der Außenmembran und der Cristae charakterisiert waren. Hypoxie- bedingt, war in beiden das relative Gesamtvolumen der degenerierten Mitochondrienareale, verglichen mit den Versuchsgruppen, welche keine hypoxische Exposition erfahren haben, signifikant erhöht. Die Hypoxie exponierten gesunden Hamster, mit den Hypoxie exponierten kardiomyopathischen Hamstern in Relation setzend, war bei den an DCM Tieren ein größeres relatives Gesamtvolumen der Mitochondrien, ein nahezu verdoppeltes Mitochondrieneinzelvolumen und eine kleinere numerische Dichte sowie Steigerung war bei der spezifischen Oberflächendichte der Cristae dieser Zellorganelle erkennbar. Die Mitochondrienpopulation in der Gruppe der Hamster mit DCM und Hypoxieexposition bestand demzufolge aus einer geringeren Anzahl größerer Mitochondrien, welche durch eine kleinere spezifische Oberflächendichte und einen größeren Anteil an degenerierten Mitochondrienarealen charakterisiert waren und deren intracristäre Räume, gemessen an den gesunden Tieren, deutlich verschmälert imponierten. Die Volumendichte des Sarkoplasma war bei den Hamstern mit DCM nach Hypoxie deutlich größer und das relative Gesamtvolumen der Myofibrillen deutlich kleiner im Vergleich mit den gesunden Hamstern nach Hypoxie.

The aim of the study was to determine by means of qualitative and quantitative examinations during post-natal development the age at which the differences in the ultrastructure of cardiomyocytes between Syrian hamsters (strain BIO 8262) as a model of human cardiomyopathy (DCM) and healthy hamsters at corresponding stages of development are most pronounced. We then compared the effects of normobaric hypoxia on the cardiomyocytes in the two groups at that age. At the light optical level, no morphological differences could be determined between healthy and cardiomyopathic animals up to the first month of postnatal development. Qualitative ultrastructural changes in the form of cell oedema and destructive changes in the mitochondria and myofibrils of cardiomyopathic hamsters only occurred after day 45. Damaged Z-lines and abnormalities (e.g. size variation, degeneration) within mitochondria occurred with increasing age. The results of morphometric investigations conducted in the light optical magnification range showed that the diameter of the cardiomyocytes of the healthy and cardiomyopathic animals increased during postnatal development (2, 6 and 27 weeks), but that this increase appeared to be more pronounced in the cardiomyopathic than in the control animals. By contrast, the cardiomyocyte to interstitium ratio diminished in the cardiomyopathic animals. Ultrastructural morphometric examinations of 2-, 6- and 27-week-old cardiomyopathic hamsters showed that the mitochondria population in the 6thand 27 th week consisted of a smaller number of larger mitochondria situated further apart when compared to animals in the 2nd week of postnatal development. This is considered to be the result of the more pronounced enlargement of the cardiomyocytes themselves, accounted for by the quantitative increase in the diameter of the cardiomyocytes. Both the number of intersections of cristae per mitochondrion, which represented the length and surface area of the cristae membrane, and the volume density of the cristae diminished significantly. This change suggests a reduction in intercristal spaces. The relative total volume of damaged regions of mitochondria was almost halved in the 6th week, only to more than double in week 27. As expected, the number of damaged mitochondria areas per unit area of cardiomyocyte increased steadily. Compared with 2-week-old animals, the mitochondria to myofibril ratios of both 6-week-old and 27-week-old animals were lower, interpreted as expression of hypertrophy of the myofibrils. The ultrastructural quantitative comparison of 100-day-old healthy versus cardiomyopathic hamsters showed that the numerical density of mitochondria (Nvm) of the cardiomyopathic animals tended to be higher than that of healthy animals. The fact that the volume density of sarcoplasm was almost twice as high in the cardiomyopathic test group has an equalising effect on the differences in the numerical and volume density of the mitochondria. However, the mean volume of mitochondria (Vm) in the cardiomyopathic animals was elevated in relation to that of the healthy hamsters. The mitochondria population in the cardiomyopathic animals showed an increased number of larger mitochondria. As a result, the surface area to volume ratio of the mitochondria in the two groups virtually equalised. The surface area to volume ratio of the cristae was markedly elevated in the cardiomyopathic animals. This points to a narrowing of the cristae and a diminished volume of the intercristal space. This restructuring of the cristae in the cardiomyopathic animals is seen as a possible reaction to the hypertrophy of the mitochondria, in this case to an elongation of their centre-to-centre distance as a result of the increase in the relative total volume of the sarcoplasm. A markedly enlarged relative total volume and a pronounced increase in the number of degenerative mitochondrial areas relative to the control group were evident. In the two groups, the mitochondria population comprised of a smaller number of enlarged mitochondria characterised by a diminished specific surface area density of the outer membrane and of the cristae. Following hypoxia, the relative total volume of the degenerative mitochondrial areas was significantly elevated in both experimental groups of healthy and cardiomyopathic animals compared with that of the healthy and cardiomyopathic animals that had not been subjected to hypoxia. Comparing healthy and cardiomyopathic hamsters that had been exposed to hypoxia, a larger relative total volume of mitochondria, an individual mitochondrial volume almost twice as large and a smaller numerical density of these cell organelles are demonstrable in animals suffering from DCM. An increase in specific surface area density of the cristae is observed in the DCM hamsters. Consequently, the mitochondrial population in the group of hamsters with DCM and exposure to hypoxia consists of a smaller number of larger mitochondria, which are characterised by a smaller specific surface area density and a larger proportion of degenerative mitochondrial areas whose intercristal spaces are manifestly narrower than those of the healthy animals.