Myocardial Loss of Glutamate after Cold Chemical Cardioplegia and Storage in Isolated Blood-Perfused Pig Hearts

Summary

Metabolic adaptation of the ischemic human heart includes release of lactate, augmented uptake of glucose and glutamate, together with increased release of citrate and alanine. In the present study exchanges of these metabolites were examined in relation to left ventricular function (LVF) in pig hearts during reperfusion after hypothermic cardioplegic-induced global ischemia and storage.

Three groups of pig hearts were studied. Group I consisted of 11 hearts subjeeted to 9 minutes of warm ischemia prior to cold chemical cardioplegia with Bretschneider's cardioplegic Solution (CCC), and hypothermic storage (HS), for a total of 180 minutes. Groups II and III, 8 hearts in each, were subjeeted to 90 and 180 minutes of CCC and HS, without precardioplegic warm ischemia. All hearts were reperfused in an isolated blood-perfused Langendorff model.

Myocardial oxygen uptake and LVF were two-fold depressed in Group I compared to Groups II and III during the first 25 minutes of reperfusion. An increased uptake of glucose (p<0.05) and augmented release of lactate (p<0.01) and citrate (p<0.001) were found during the reperfusion period in the hearts subjeeted to precardioplegic warm ischemia, indicating an increased total ischemic burden compared to Groups II and III. No significant changes in LVF or myocardial metabolism were noted between Groups II and III during reperfusion. In all three heart groups a substantial release or loss of glutamate was found at Start of reperfusion, although in the preischemic state prior to cardioplegia pig hearts were found to extract glutamate from the circulation to an extent similar to that of the human heart.

The mechanism underlying the documented loss of glutamate is unknown. Myocardial loss of glutamate may be a major cause why glutamate-enrichment during reperfusion improves recovery of hearts subjeeted to cardioplegia.

Zusammenfassung

Die metabolische Anpassung des ischämischen menschlichen Herzens beinhaltet die Freisetzung von Laktat und die gesteigerte Aufnahme von Glukose und Glutamat in Verbindung mit einer erhöhten Freisetzung von Citrat und Alanin. In der vorliegenden Studie untersuchten wir den Stoffwechsel dieser Metaboliten in Relation zur linksventrikulären Funktion (LVF) an Schweineherzen während der Reperfusion nach kalter Kardioplegie-induzierter globaler Ischämie und hypothermer Lagerung.

Dazu wurden 3 Gruppen gebildet: Gr. I bestand aus 11 Herzen, die vor der Gabe von hypothermer Kardioplegie nach Bretschneider und daran anschließender Lagerung von insgesamt 180 Minuten zunächst einer normothermen Ischämie von 9 Minuten Dauer zugeführt wurden. Gr. II und III, bestehend aus je 8 Herzen, wurden einer 90 bzw. 180 minütigen Lagerung nach vorheriger Gabe von Kardioplegie ausgesetzt. Daran anschließend wurden alle Herzen dann isoliert in einem Langendorff-Modell mit Blut reperfundiert.

In der Gruppe I war im Gegensatz zur Gruppe II und III die myokardiale Sauerstoffaufnahme und die LVF zweifach während der ersten 25 Minuten der Reperfusion erniedrigt. Ebenso wurde in dieser Gruppe ein erhöhter Verbrauch von Glukose (p < 0,05) und eine gesteigerte Freisetzung von Laktat (p < 0,01) und Citrat (p < 0.001) in der Reperfusionsphase beobachtet, als Ausdruck einer im Gegensatz zu Gr. II und III erhöhten totalen Ischämielast. Keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die LVF oder den myokardialen Stoffwechsel konnte zwischen Gr. II und Gr. III gefunden werden. In allen drei Gruppen fanden wir eine ausgeprägte Freisetzung oder Verlust von Glutamat zu Beginn der Reperfusion, obwohl präischämische Schweineherzen in der Lage sind, dem Kreislauf Glutamat zu entziehen, in einem Ausmaß ähnlich dem eines menschlichen Herzen nur mit kardioplegischem Stillstand.

Der zugrunde liegende Mechanismus des hier dokumen tierten Glutamatverlustes ist unbekannt. Der myokardiale Verlust von Glutamat könnte somit einwichtiger Grund dafür sein, daß eine Glutamatanreicherung während der Reperfusion die Erholung des Herzens nach kardioplegischem Stillstand verbessert.

Key words

Cold cardioplegia - Storage - Isolated blood-perfused pig hearts - Transmyocardial metabolite exchanges - Ventricular function - Glutamte loss