Ultrastructural Changes of Coronary Artery Endothelium Induced by Cardioplegic Solutions

Summary

Coronary artery endothelial and myocardial ultrastructure was studied in guinea-pig heart-lung preparations (HLP) subjected to ischemic cardiac arrest induced by threc hypothermic solutions. Two of the solutions used had high potassium chloride concentration (“Alabama” and “St. Thomas”) while the third, instead, was a bicarbonate buffer (Kreb's solution). Five experimental groups were studied. In group 1 (control) the HLP were not subjected to cardiac arrost. Groups 2, 3, and 4 were subjected to a period of cardiac arrest of 30, 60, and 120 minutes respectively. In group 5, HLP were reperfused with blood for 30 minutes after 60 minutes of cardiac arrest. A thin ring of the left anterior descending coronary artery and myocardial fragments were obtained at the end of each experiment and were analyzed by means of transmission electron microscopy (TEM). Functional parameters were recorded in group 5.

HLP perfused with Alabama solution showed a well-preserved endothelium and myocardium. HLP perfused with Krebs solution showed slight changes of the endothelial glycocalix only in group 4. Further, HLP perfused with Krebs Solution showed extensive myocardial lesions (groups 3 and 4). These ischemic changes were not completely reversed after reperfusion (group 5). HLP perfused with St. Thomas solution showed only endothelial changes. These lesions were mainly characterized by: disappearance of the glycocalix and pynocytotic vesicles, endothelial cell bulging (group 2), and loss of the endothelial continuity (groups 3, 4, and 5). Hemodynamic parameters were significantly changed only in the Krebs-perfused HLP which showed a deterioration of the cardiac function related to the ischemic damage.

These findings show the development of arterial endothelial ultrastructural lesions after infusion of hyperpotassic cardioplegia. It is also shown that hypothermia alone with Krebs perfusion, while not inducing disendothelialization, fails to adequately protect the myocardial tissue during ischemia. In order to avoid coronary artery occlusion subsequent to disendothelialization, cardioplegic solution that preserves endothelial cells should be selected for heart protection during cardiopulmonary bypass.

Zusammenfassung

Es wird über Experimente am Herz-Lungen-Präparat des Meerschweinchens berichtet, in denen nach unterschiedlich langem Herzstillstand - durch drei verschiedene hypotherme Lösungen hervorgerufen - ein Ringstück der A. interventricularis anterior und ein Myokardfragment elektronenmikroskopisch auf ultrastrukturelle Veränderungen hin untersucht wurden. Als kardioplegische Lösungen wurden die kaliumreiche sogenannte “Alabama-Lösung” und die “St. Thomas-Lösung” verwandt, als Kontroilösung diente eine Standard-Bikarbonat-gepufferte Krebs-Lösung. Es wurden 5 Untersuchungsgruppen gebildet. Gruppe 1 (n = 12): kein Herzstillstand; in Gruppe 2, 3 und 4 (jeweils n = 6) wurde ein Herzstillstand von 30, 60 oder 120 min erzeugt. Während der Experimente wurden HZV, Herzarbeit, rechtsatrialer Druck, dp/dt, systolischer Aortendruck, Herzfrequenz und die Temperaturen des Myokards und der Perfusate gemessen sowie ein EKG registriert. Mit Hilfe dieser funktionellen Parameter ließ sich eine gute Erholung der Herzen nach dem kardioplegischen Herzstillstand mit der Alabama- und der St. Thomas-Lösung nachweisen, nach Benutzung der Krebs-Lösung war jedoch die Herzfunktion erheblich beeinträchtigt. Was die ultrastrukturellen Veränderungen angeht, so zeigten sich nach Verwendung der Krebs-Lösung am Koronararterienendothel geringe, am Myokard jedoch hochgradige Läsionen. Nach Anwendung der Alabama-Lösung waren weder am Endothel noch am Myokard pathologische Veränderungen zu erkennen, während die St- Thomas-Lösung zu Läsionen am Koronararterienendothel führte. Die Autoren diskutieren diese Befunde im Hinblick auf späte, evtl. durch solche Endothelläsionen ausgelöste Gefäßverschlüsse nach Kardioplegieanwendung.

Key words

Cardioplegia - Hypothermia - Endothelial damage - Ultrastructure - Guinea-pig heart-lung preparation