Quantitativ-morphologische Untersuchungen an Herzmuskelzellen von normalen und hypoxischen Ratten

Summary

In heart muscle cells of the left ventricle of rats the distribution of cell organelles and their reaction to hypoxia were investigated by electron microscopy.

In normal hearts fixed by perfusion with aldehydes, the mean sarcomere length was 2.2 μm. 27% of the longitudinal sectional area was occupied by mitochondria, 55% by myofibrils and 18% by sarcoplasmic reticulum and ground plasm. The mitochondria situated in rows between the fibrils were oval and measured 2.3 times more in length than in width. There was no difference between cells from subendocardial and subepicardial regions.

10 min hypoxia (complete occlusion of the trachea) did not affect the appearance of muscle cells but diminished the number of glycogen granules. After 20 minutes the area occupied by mitochondria was increased by 16%, the mitochondria between the myofibrils were more spherical and only 1.5 times longer than wide. The sarcomeres shortened to 2.0 μm. With hypothermia (25–30°C) hypoxia of 20 minutes duration did not affect the cell structure. Perfusion of the heart by a saline solution, which contained procaine but neither oxygen nor glucose, for 20 minutes prevented shortening of the sarcomeres but not swelling of the mitochondria. 30 minutes after occlusion of the trachea the myofibrils shortened to a sarcomere length of 1.7 μm. After 60 minutes irregularly and excessively contracted myofibrils appeared and some sarcomeres were interrupted at the level of the I-bands. In some of the swollen mitochondria the cristae were widely separated. The increase of the area occupied by mitochondria was 27%.

Asphyxia affects heart muscle cells severely with respect to function within 10 min, but morphologically it takes 20 min before a definite effect can be noticed. As to the time after which lack of oxygen is manifested morphologically, our results are consistent with findings in liver cells.

Zusammenfassung

Normale und hypoxische Herzmuskelzellen aus der Wand des linken Ventrikels der Ratte wurden quantitativ-morphologisch anhand von elektronenmikroskopischen Längsschnitten nach Perfusionsfixierung untersucht. In normalen Zellen waren alle Myofibrillen relaxiert, die mittlere Sarcomerlänge betrug 2,2 μm. Die Schnittfläche wurde zu 55% von Myofibrillen, zu 27% von Mitochondrien und zu 18% von Grundplasma und Reticulum eingenommen. Die zwischen den Myofibrillen liegenden Mitochondrien waren längsoval und im Mittel 2,3mal so lang wie breit. Es bestand kein Unterschied zwischen subendokardial und subepikardial gelegenen Zellen.

10 min nach Erstickung der Tiere waren in den sonst unauffälligen Muskelzellen die Glycogengranula vermindert. Nach 20 min führte die Hypoxie zu einer Zunahme der relativen Schnittfläche der Mitochondrien um etwa 16% und zu einer beginnenden Kontraktur der Myofibrillen (Sarcomerlänge 2,0 μm). 20 min Hypoxie in Hypothermie (25–30°C intrathorakal) veränderte die normale Zellstruktur dagegen kaum. Wenn die Herzen während der 20 min dauernden Hypoxie in Normothermie mit einer procainhaltigen sauerstoff- und glucosefreien Blutersatzlösung durchspült wurden, waren die Myofibrillen relaxiert, die Schwellung der Mitochondrien dagegen wurde nicht reduziert. 30 min nach Erstickung wurde die Kontraktur stärker (Sarcomerlänge 1,7 μm). Nach 60 min bildeten sich Superkontraktionsknoten, einzelne Myofibrillen waren in Höhe der I-Bänder unterbrochen. Die Cristae der Mitochondrien wichen auseinander, die Schnittfläche der Mitochondrien hatte um 27% zugenommen.

Während in Normotherapie eine Asphyxie des Tieres bereits nach 10 min die Herzmuskelzellen funktionell schwer schädigt, ist die Schädigung morphologisch erst nach 20 min eindeutig. Das bedeutet, daß für die elektronenmikroskopische Präparation eine Hypoxie von unter 10 min bedeutungslos ist. Hinsichtlich der morphologischen Manifestationszeit für die Unterbrechung der Sauerstoffversorgung stimmen unsere Befunde an Herzmuskelzellen gut mit vergleichbaren Angaben an Leberzellen überein.