Myocardial Protection: Left Ventricular Ultrastructure after Different Forms of Cardiac Arrest

Summary

Clinically applied methods of cardioplegia show very different effects on the rapidity of decay of energy-rich phosphates as well as on kind and progression of ultrastructural alterations of the ischemic myocardium. Comparing the methods of cardioplegia according to Kirklin, St. Thomas's Hospital and Bretschneider (solution HTK) with pure ischemia at 25° C (model A) and Kirklin's or St. Thomas's cardioplegia and subsequent 210 min or HTK cardioplegia and 300 min ischemia at 22° C plus 20 min subsequent reperfusion (model B) leads to the following results:

Model A:

1. Compared with pure ischemia cardioplegia according to Kirklin and the St. Thomas's Hospital slows down the decay of the left ventricular ATP-concentration by a mean factor of 3 and the progression of structural alterations of the left ventricular subendocardium bya factor of 2. HTK retards the ATP-decay by a factor of 6, the alterations of ultrastructure by a factor of 6.5.

2. St. Thomas's solution, in contrast to all other methods of cardioplegia, at the onset of ischemia already causes a cellular edema of myocytes; the edema increases during ischemia, and at the ATP-concentration of 4 μmol per gram myocardium is more pronounced than with pure ischemia, Kirklin or HTK.

3. After application of Kirklin's solution, in contrast, a cellular edema of capillary endothelia develops during ischemia, which at 4 μmol ATP is more pronounced than with each of the other methods.

Model B:

After global ischemia until the ATP-concentration of left ventricular myocardium is 4 μmol/g and a subsequent 20 minutes post-ischemic recovery the ultrastructural alterations in principle resemble those occurring during ischemia (model A). They show differences, however, depending on the method of artificial cardiac arrest applied:

1. In all cases cell organelles of myocytes show distinct regeneration; with HTK it is almost complete, with Kirklin or St. Thomas' it is very inhomogeneous.

2. The intracellular edema of myocytes with HTK is almost completely reversible, with Kirklin it is moderately, with St. Thomas' it is scarcely reversible. With Kirklin as well as with St. Thomas' there are striking inhomogeneities of the reversal. In case of St. Thomas's method even contraction bands are found contiguous to areas with marked cellular edema.

3. The intracellular edema of capillary endothelia is completely reversible with HTK, moderately reversible with St. Thomas' and scarcely with Kirklin. In areas in which the edema of endothelia has lead to obstruction of capillaries, contraction bands are fóund in the neighbouring myocytes.

These results show a remarkably differing protective potency of the different methods of artificial cardiac arrest. They moreover demonstrate that during resuscitation even pronounced structural alterations of mitochondria are reversible, whereas edema of myocytes or endothelia leads to delayed recovery of the ultrastructure or even to further deterioration of the fine structure compared with the state during ischemia.

Zusammenfassung

Klinisch eingeführte Kardioplegieverfahren haben, wie die folgenden experimentellen Untersuchungen an Hundeherzen zeigen, sehr unterschiedliche Auswirkungen nicht nur auf die Zerfallsgeschwindigkeit der energiereichen Phosphate, sondern auch auf Art und Progredienz der ultrastrukturellen Veränderungen des ischämischen Myokards. Der intraischämische Vergleich der Verfahren nach Kirklin, St. Thomas-Hospital und Bretschneider (Lösung HTK) mit der einfachen Aortenabklemmung bei 25° C (Modell A) sowie der postischämische Vergleich nach Kirklin oder St. Thomas und 210 min oder HTK und 300 min Ischämie bei 22° C und 20 min Wiederbelebung (Modell B) führte zu folgenden Ergebnissen:

Modell A:

1. Gegenüber reiner Ischämie verzögern die Verfahren nach Kirklin und dem St. Thomas-Hospital die Abfallgeschwindigkeit der linksventrikulären ATP-Konzentration im Mittel um den Faktor 3, die Progredienz der Strukturveränderungen des linksventrikulären Subendokards um den Faktor 2. HTK verlangsamt den ATP-Zerfall um den Faktor 6, die Veränderungen der Feinstruktur um den Faktor 6,5.

2. Die St. Thomas-Lösung führt im Gegensatz zu allen anderen Verfahren von Ischämiebeginn an zu einem Myokardzellödem; das Ödem ist bei jeweils gleicher ATP-Konzentration von 4 μmol pro Gramm Myokard stärker ausgeprägt als unter den Bedingungen der reinen Ischämie, der Kardioplegie nach Kirklin oder der HTK-Kardioplegie.

3. Nach Anwendung der Kirklin-Lösung entwickelt sich dagegen im Ischämieverlauf ein Ödem der Kapillarendothelien, das bei 4 μmol ATP pro Gramm Myokard wesentlich stärker ist als bei allen anderen Verfahren.

Modell B:

Nach einer Ischämiebelastung bis zu einer ATP-Konzentration des linksventrikulären Arbeitsmyokards von 4 μmol/g FG und, anschließender 20minütiger Reperfusion entsprechen die ultrastrukturellen Veränderungen im Prinzip denjenigen während Ischämie (Modell A) und unterscheiden sich je nach angewandter Methode des künstlichen Herzstillstandes:

1. In allen Fällen zeigen die Zellorganellen der Kardiomyozyten eine deutliche Regeneration; die Erholung ist nach HTK weitgehend vollständig, nach Kirklin oder St. Thomas dagegen sehr inhomogen.

2. Das intrazelluläre Ödem der Kardiomyocyten ist nach HTK fast vollständig, nach Kirklin mäßig und nach St. Thomas kaum reversibel. Sowohl nach Kirklin- als auch nach St. Thomas-Kardioplegie erfolgt die Rückbildung des Zellödems regional unterschiedlich. Insbesondere nach der St. Thomas-Lösung finden sich in der Nachbarschaft ödemreicher Areale Kontraktionsbande als Zeichen irreversibler Schädigung der Ultrastruktur.

3. Das intrazelluläre Ödem der Kapillarendothelien bildet sich nach HTK und intraischämisch geringer Ausprägung vollständig, nach St. Thomas mäßig, nach Kirklin kaum zurück. In Bereichen, in denen das Endothelödem nach Kirklin-Kardioplegie zum Verschluß des Gefäßlumens geführt hat, finden sich im benachbarten Arbeitsmyokard Kontraktionsbande.

Diese Ergebnisse zeigen einerseits die erheblich unterschiedliche Protektivität der verschiedenen Verfahren des künstlichen Herzstillstandes. Sie zeigen andererseits, daß selbst höhergradige ultrastrukturelle Veränderungen der Mitochondrien bei Wiederbelebung reversibel sind, während ein Ödem der Myokard- oder Endothelzellen zu Verzögerungen der Strukturerholung oder sogar zu weiterer Verschlechterung der Ultrastruktur gegenüber dem intraischämischen Befund führt.

Key words

Myocardial ultrastructure and ATP - Pure ischemic arrest - Kirklin's, St. Thomas's, Bretschneider's cardioplegia - Reversibility of structural alterations