Ultrastructural effects of estrogen on epiphyseal cartilage

Abstract

Ten male weanling Holtzman rats, injected intraperitoneally with aqueous estradiol (Progynon, Schering), in daily doses of 1 μg. per g body weight, were sacrificed, simultaneously with controls receiving an equivalent amount of diluent, at intervals ranging from one hour to six days. Upper tibial epiphyseal cartilage plates (ECP), procesed for electron microscopy, revealed, as early as three hours after injection, appreciable enhancement of secretory activity, evidenced, in the zone of matrix secretion, by the abundance in Golgi cisternae of stippled material representing proteinpolysaccharide complexes.

Disintegration of the lining membrane of individual Golgi vesicles was advanced after twenty-four hours; following three days of treatment, few vesicles remained intact, and pools of initially intravacuolar material were observable in the gound plasm. Long filaments, suggestive of primary or precursor collagen fibrils were apparent in this secretion. After six days, virtual lakes of this substance filled cells in the zone of prehypertophy, with consequent displacement of the rough endoplasmic reticulum against the cell periphery. Cytoplasmic vacuoles, containing mateerial similar to that found in the lacunar moat, and displaying finely beaded, radially arrayed filaments on the lining membrane were frequently encountered.

Our observations suggest an initial acclleration of chondrocytic secretory activity, with subsequent retardation of transport. The resultant retention and intracellular polymerization of precollagenous products accelerates hypertrophy, thereby promoting early degeneration of chondrocytes. These ultrastructural alterations are apparently estrogen-specific.

Résumé

Dix rats Holtzman mâles et sevrés sont sacrifiés injection intrapéritonéale d'oestradiol (Progynon, Schering) aqueux, à des doses quotiediennes de 1 μ g. par g de poids. Des témoins, ayant reçu une dose équivalente de liquide de dilution, sont sacrifiés à des intervalles de 1 heure à 6 jours, identiques aux temps de sacrifice des animaux injectés. Les cartilages épiphysaires supérieurs des tibias tibias (ECP) étudiés en microscopie électronique, montrent, dès trois heures après l'ionjection, une augmentation nette de 'activié sécrétoire, caractérisée, au niveau de la zone de sécrétion matricielle, par l'abondance dans les citernes golgiennes d'un matériel piqueté, constitué par des complexes protéino-polysaccharidiques.

La désintégration de la membrane limitante de vésicules golgiennes individuelles est plus avancée après vingt quatre heures: après trois jours de traitement, seules quelques vésicules restent intactes et des plages d'un matériel initialement intravacuolaire sont visibles dans le cytoplasme. De longs filaments, rappelant les précurseurs ou les fibrilles primaires du collagène, sont visibles dans cette sécrétion. Après six jours, de grandes plages de cettre subestance remplissent les cellules de la couche pré-hypertrophieque, avec déplacement de l'ergastoplasme en périphérie. Des vacuoles cytoplasques, contenant un matériel semblable à celui qu'on retrouve dans la lacune, et présentant des filament finement moniliformes et disposés en rayons le long de la membrane limitante, sont visibles.

Ces observations suggèrent une accélération initiale de l'activité sécrétoire chondrocytaire, suivie par un retard de transfert. La rétention consécutive et la polymérisation intracellulaire de produits précollagéniques accélèrent l'hypertrophie et favorisent ainsi la dégénérescence précoce des chondrocytes. Ces altérations ultrastructurales paraissent être spécifiques aux oestrog`enes.

Zusammenfassung

Zehn männliche Hotlzmann-Ratten, die im Entwöhnungsstadium waren, erhielten täglich wässerige Oestradioldosen (Progynon, Schering) von 1 μ/g Körpergewicht i.p. Dann wurden sie gleichzeitig mit Kontrolltieren, welche die gleiche Menge Verdünnungsmittel erhalten hatten, in Intervallen von 1 Std bis zu 6 Tagen getötet. Platten des oberen tibialen Epiphysenknorples (ECP), welche für die Elektronenmikroskopie präpariert wurden, zeigtem, daß schon 3 Std nach der Injektion ein bemerkenswerte Erhöhung der sekretorischen Tätigkeit entsteht. Dies wurde in der Zone der Matrixausscheidung sichtbar, wo sich in den Golgi-Zisternen eine Anhäufung von punktiertem, aus Proteinpolysaccharid-Komplexen bestehendem Material zeigte.

Der Zerfall der Membran, welche die einzelnen Golgi-Bläschen umgibt, nahm nach 24 Std zu; nach 3 Tagen Behandlung blieben nur wenige Gefäße intakt, und Ansammlungen von ursprünglich intravacuolörem Material konnten im Grundplasma beobachtet werden. Lange Fasern, welche auf primäre oder Prae-Kollagefibrillen hindeuteten, konnten in diesem Sekret gesehen werden. Nach 6 Tagen wurden die Zellen in der prähypertrophen Zone mit dieser Substanz richtiggehend überschwemmt, und das rauhe endoplasmatische Reticulum wurde anschließend gegen die Zellperipherie verlagert. Die oft beobachteten cytoplasmatischen Vacuolen enthielten ein Material, das dem in den Lacunen vorkommenden ähnlich ist und zeigten auf der ungebrenden Membran feinperlige, radial angeordnete Fasern.

Unsere Beobachtungen deuten auf eine anfängliche Beschleuning der chondrocytischen sekretorischen Tätigkeit, mit nachfolgender Transportverlangsamung, hin. Die dadurch entstehende Retention und intrazelluläre Polymerisation von präkollagenen Produkten beschleunigt die Hypertrophie und begünstigt dadurch die frühe Degeneration von Chondrocyten. Diese ultrastrukturellen Veränderungen scheinen oestrogen-spezifisch zu sein.