“Cardioplegia on the Contractile Apparatus Level”: Evaluation of a New Concept for Myocardial Preservation in Perfused Pig Hearts

Summary

The concept of a reversible desensitization of the myocardial contractile apparatus for calcium by 2,3 Butanedione Monoxime (BDM) as a method to improve tho myocardium's tolerance to cold ischemia was evaluated in normal pig hearts (n = 14). The results were compared to those obtained after application of Bretschneider's HTK cardioplegic Solution.

Methods: Series I) After BDM treatment (concentrations: 0-30 mmol/L) the isometric force Output and the intracellular calcium transients (measured using the FURA-2 ratio method) of electrically driven (1 Hz) isolated left-ventricular muscle strips excised from beating pig hearts (n = 14) were recorded simultaneously in order to analyse the mode of action of BDM; Series II) The cardioprotective effects of BDM (30 mmol/L) and Bretschneider's cardioplegic Solution (HTK) were compared in a large-animal model: after “in situ perfusion“ of pig hearts with either 2000 ml ice-cold BDM Solution (30 mmol/L) (n = 7) or 2000 ml HTK (n = 7) the hearts were explanted and stored at 4 °C in the same Solutions for up to 42 h. The contractile properties of muscle fibres, excised after storage periods of 8, 24, and 42 h from these hearts were analyzed in terms of isometric force development and isotonic shortening. 280 muscle fibres from 14 pigs were used for measurements.

Results: Series I) In pig myocardium a dose-dependent reduction of isometric force development was found after BDM application. The shape and the amplitude of the intracellular calcium transient were also affected by BDM. At 30 mmol/L BDM no force development could be elicited despite the presence of an intracellular calcium transient (amplitude < 70 % of the control). Series II) Shortening, calcium transient, and force of left-ventricular muscle Strips of pig myocardium excised after storage periods for up to 42 h showed complete recovery when BDM was applied. In contrast HTK perfusion allowed complete recovery of these parameters when the storage period did not exceed 6 hours.

Conclusion: Under the given experimental conditions reversible desensitization of the contractilo apparatus for calcium results in a considerable Prolongation of the tolerance to cold ischemia in explanted pig hearts. The present study shows that the protective effects of BDM are not only present when isolated muscle fibres were stored (and the extracellular space is large) but also after storage of complete hearts in a Solution containing BDM. Thus BDM may become a useful agent to enlarge the storage period of donor hearts in heart transplantation considerably.

Zusammenfassung

Das Konzept einer reversiblon Desensitivierung des myokardialen kontraktilen Apparates für Calcium mittels 2,3 Butanedione - Monoxime (BDM) zur Verbesserung der Ischämietoleranz des Myokards wurde im Großtierexperiment anhand in situ perfundierter Schweineliorzen überprüft. Als Kontrollgruppe dienten Schweineherzen, die mit Kardioplegie nach Bretschneidor (HTK) behandolt wurden.

Methodon: Serie I) Nach Applikation von BDM (Konzentrationen 0-30 mmol/L) wurden die isometrische Kraftentwicklung und der intrazelluläre Calciumtransient (gemessen mittels des Indikators FURA-2, “Verhältnismethode“) elektrisch stimulierter (1 Hz) isolierter linksventrikulärer Muskelstreifen, die von schlagenden Schweineherzen (n = 14) exzidiert wurden, gleichzeitig registriert und aufgezeichnet, um das Wirkprinzip von BDM zu untersuchen; Serie II) Im Großtierversuch wurden die kardioprotektiven Effekte von BDM (30 mmol/L) und von Brotschneider's Kardioplegie (HTK) miteinander verglichen: nach “in situ Perfusion“ der Schweineherzen entweder mit 2000 ml 4 °C kalter BDM-Lösung (30 mmol/L) oder mit 2000 ml 4 °C kalter HTK-Lösung (jeweils n = 7), wurden die Herzen explantiert und in den jeweiligen Perfusionslösungen bis zu 42 Stunden bei 4 °C konserviert. Die kontraktilen Eigenschaften der nach Konsorvierungszeiten von 8, 24 und 42 Stunden aus den Herzen exzidierten Muskelfasern wurden mittels isometrischer Kraftentwicklung und isotonen Verkürzungsverhaltens ermittelt. Für diese Messungen wurden insgesamt 280 Muskelfasern aus den 14 Schweineherzen untersucht.

Ergebnisse: Serie I) Beim Myokard des Schweines konnte eine dosisabhängige Reduktion der isometrischen Kraft in Abhängigkeit der BDM-Konzentration nachgewiesen werden. Die Form und die Amplitude des intrazellulären Calciumtransienten wurden von BDM ebenfalls dosisabhängig beeinflußt. Bei 30 mmol/L konnte koine Kraftentwicklung mehr registriert werden, obwohl ein intrazollularer Calciumtransient nachweisbar war (Amplitude 70% der Kontrolle). Serie 11) Die Vorkürzungsfähigkeit, Kraftentwicklung und der intrazellulare Calciumtransient linksventrikulärer Muskelfasern aus BDM-perfundierten Schweineherzen zeigten auch nach Konservierungszeiten bis zu 42 Stunden eine vollständige Erholung zu Ausgangswerten. Eine vollständige Erholung der Muskelfasern von HTK-perfundierton Herzen wurde nur dann erreicht, wenn eine Lagerungszeit von 6 Stunden nicht überschritten wurde.

Schlußfolgerung: Unter den gegebenen experimentellen Bedingungen läßt sich mittels einer reversiblen Desensitivierung des kontraktilen Apparates für Calcium durch BDM eine beträchtliche Verlängerung der Ischämietoleranz bei explantierten Schweineherzen erreichen. Die vorliegende Studie belegt, daß der protektive Effekt von BDM nicht nur bei Muskelfasern, die in BDM gelagert wurden (bei entsprcchend großem Extrazellularraum) vorhandon ist, sondern auch dann nachgewiesen werden kann, wenn ganze Herzen mit einer BDM-haltigen Lösung konserviert werden. Die Experimente douten darauf hin, daß die Anwendung von BDM dazu boitragen konnte, die Konservierungszeiten von Sponderherzen im Rahmen von Herztransplantationen erheblich zu verlangern.

Key words

Myocardial protection - Ischemia - BDM (2,3 Butanedione Monoxime) - Cardioplegia - Muscle contractility - Heart transplantation