400 G. •. ])OttLMAN: Mechanismus des Ionenaustausches

45. G. F. D0~LMAN-Toronto: Mechanismns des Ionenaustausches, der Sekretion und der Exln'etion der Endolymphe bei der Taube

Der hohe Kaliumgehalt und der niedrige Natriumgehalt in der Endo- lymphe einerseits und das hohe positive Bestandspotential der Endo- lymphe auf der anderen Seite sind 2 Befunde, die einander zu wider- sprechen scheinen. Bekanntlich hat das Cytoplasma der Zellen die gleichen Elektrolytkonzentrat ionen wie die Endolymphe, jedoch ist das intraeellulgre Potential in der l%egel negativ (-- 70 mV).

Nun aber hat JOHnSTOnE kfirzlieh gezeigt, daft bei Anoxy das positive Endo]ymphpotent ial innerhalb weniger Minuten sieh in ein negatives Potential yon ungefghr 30 mV umkehrt , diese - - 3 0 mV entsprechen annghernd dem aus den Elektrolytwerten yon Endo- und Peri lymphe zu errechnenden elektroehemisehen Potential. Daraus muft nun gesehlossen werden, daft ein selektiver und aktiver Transport yon solchen Elektrolyt-Ionen im Innenohr vor sieh geht. Dieser Transport kann nur mit den Lebensvorggngen der Zellen in den versehiedenen Membranen des Innenohres zusammenhiingen, so daft das endolymphati- sche Bestandspotential als Funktion dieser Zellen aufzufassen wgre.

Die Aufgabe dieser Untersuchungen ist deshalb, zu zeigen, welche Zellen dazu befiihigt sind, einen Ionenaustausch durehzufiihren, der abhgngig yon ihren Lebensvorggngen das positive Potential aufbaut.

Zuerst wurde das flache, undifferenzierte Epithel der Wand des Endolymphsehlauches im Bogengang untersueht. Es wurde dazu der Endolymphsehlauch des vorderen vertikalen Bogenganges der Taube an beiden Seiten abgeklemmt, nachdem vorher die Blutgef/~fte frei- pr/~pariert und in takt gelassen wurden. Bei flammenspektrometrischer Untersuchung zeigte sich, daft der Kaliumgehalt auch noch 3- -4 Std naeh der Abklemmung unveriindert bleibt.

Wird aber in einem weiteren Versuch der Kanal mit den Gef/iften zu- sammen abgeklemmt, dann sinkt die Kaliumkonzentrat ion rasch und erreieht naeh 2- -3 Std das Niveau der umgebenden Perilymphe. Wird schlieftlieh in einem 3. Experiment bei erhaltener Blutzirkulation die Endolymphe durch physiologisehe KochsalzlSsung ersetzt und der

Abb. 1. Elektronenmikroskopisches Bild yon dunklen und lichten Zellen der Crista amp. der Taube. Mierovilli (M V), dunkle Zellen (DC), Zellkerne (N), Basilarmembran

(BM), Basale Einbuchtungen der Zellmembran (BI), Helle Zellen (LC)

Abb. 2. Elektronenmikroskopisches Bild eines Teiles yon zwei sekretorischen Zellen der Ampulla: Endolymphatische Oberfl~che der Zellen (ECS). Die gewundene Zell- membran zwischen den beiden Zellen (iCi). Mit kolloidalem Eisen gefi*rb~e Vacuole zeigen die Anwesenheit yon ~ucopolysaccharide (PSV) ebenso wie in dem Netz-

werk der Polysaecharide in der Endolymphe (PSM)

Abb. 1

Abb. 2

402 G.F. DOHLMA~: Neehanismus des Ionenaustausehes

Kanal dann wieder abgeklemmt, so steigt der Kaliumgehalt im Endo- lymphsehlaueh langsam wieder an.

Daraus kann gesehlossen werden, dag das Epithel des Endolymph- sehlauehes das Verm6gen hat, akt iv die Ionenkonzentrat ion der Endo- lymphe aufreeht zu erhalten.

Wenn aber das flaehe und morphologiseh undifferenzierte Epithel eine solche Aufgabe 16sen kann, ware es wahrscheinlieh berechtigt, anzunehmen, dab nile anderen Epithelzellen, die die W/~nde der endo- lymphatisehen Rs auskleiden, mehr oder weniger ebenfalls diese Eigensehaft besitzen.

Wenn man die Zellen der Wand der Ampulle untersucht, f/~llt es auf, dab an den Abh/~ngen der Crista ampullaris bei der Taube ein Mosaik yon abweehselnd dunklen und hellen Zellen vorhanden ist (Abb. 1). Diese Zellen sind frtiher meist als sekretoriseh beschrieben worden.

Wenn nun etwas KoehsalzlSsung in die Endolymphe injiziert wird, sieht man im Elektronenmikroskop, dab die dunklen Zellen stark yon Vaeuolen durehsetzt werden. Wird Methylenblau in die Endolymphe injiziert, sieht man dieselbe Vaeuolenbildung mit Aufnahme yon Farb- ]Ssung, die sieh liehtmikroskopiseh a]s b]augefiirbte Tropfen und im Elektronenmikroskop ebenfalls deutlich als Farbe-enthaltende Vaeuolen im Cytop]asma dieser Zellen darstellen. Naeh 1--11/2 Std 15ogt sieh der Farbstoff in der Wand der Blutgefs wiederfinden.

Aber aueh morphologiseh spricht sehon der diehte Saum yon Mikro- villi an der OberflS~ehe der dunklen Zellen fiir Resorption (Abb.1). Aueh das Labyr inth yon Einbuehtungen der Ze]lmembran an der Zellbasis, wo- dureh die Cytoplasmamembran stark vergrSBert wird, sprieht ftir einen ]ebhaften Fliissigkeits- und Ionentransport . Uberall in der Ze]le sieht man augerdem eine enorme Diehte yon Mitochondrien, die die Energie- spender sind fiir die Funktionen der Zelle.

Zwisehen diesen dunklen Zellen finder man regelm~Big abweehselnd helle Zellen, die im Elektronenmikroskop Merkmale einer sekretorisehen Ts zeigen. Sie haben einen betr/~ehtliehen Golgi-Apparat und regelm/~Big grol3e Einschltisse, die yon einer Membran umgeben sind. Ob diese Einsehlfisse Aufspeieherungen von Sekretionsprodukten oder ob sie Lysosomen darstellen, wurde tells mit der Reaktion auf saure

Abb. 3. Die Struktur der Cupula im Elektronenmikroskop. Die keratinhaltigen Trabekel der Cupula sind mit Polysaccharide belegt, die mit kolloidalem Eisen angef~rbt sind. Auch die Zwischenri/,ume, die ,,KanSole" der Cupula sind ~eilweise

gef~rbt

Abb. 4. Dunkte und helle Zellen des Tegmentum vasculosum (equiv. zu den Stria vascularis der Siiugetiere)

Abb. 3

Abb. 4

404: G.F. DOttLMAN: Mechanismus des Ionenaustausches

Phosphutase untersucht. Diese Reaktion war positiv; munche Ein- schliisse mfisseI1 durum offenbar zu den Lysosomen gerechnet werden, tells wurden undere Vacuolcn mit t~utheniumrot oder mit kolloidalem Eisen ungef/~rbt, bestehen ulso aus Polysacehariden.

Solche polysueeharidhultigcn Vucuolen finden sich noch deutlicher und noeh h/iufiger in den hohen Zellen des Planum semilunatum, die schon frfiher autoradiographisch als polysaccharidsezernierende Bezirke nuehgewiesen wurden. AnBerdem finder man mit diesen histochemisehen Methoden den Oberflaehenbelug der Zelle mit einer Polysacchuridsehieht bedeekt.

Auf der Oberfl/~ehe der Zellen vom Plannm semilunatum fs es auBerdem anf, dug ein Netzwerk yon diesem Sekret in der Endolymphe zu finden ist (Abb.2). Aueh wenn man die Cupulu elektronenmikro- skopiseh untersucht, finder man, dab die feinen Proteintrabekel dieser Struktur mit polysaccharidhaltigen Massen belegt sind, bzw. der Zwisehen- raum ausgefiillt ist (Abb.3).

Der prinzipielle Bauplan dieser Zellen in der Ampulle zeigt also folgende Richtlinien: Die dunklen Zellen huben eine huupts/iehlieh exkre- torisehe und ionentransportierende Funktion, die hellen Zellen haben eine huupts/~ehlieh sekretorisehe, glykoproteine-produzierende Funktion. Diese Glykoproteine kSnnen in der Endolymphe wiedergefunden werden.

Dieser Bauplun seheint aber ffir die gesamte Zellmorphologie des Innenohres und nieht nur ffir den vestibnlaren Anteil zu gelten; finder man doeh aueh in der Cochlea, im sog. Tegmen vuseulosum der Taube einen Bezirk, weleher der Stria vaseuluris bei S~ugetieren entsprieht, wie- der denselben Aufbuu yon dunklen und hellen Zellen (Abb.4). Die dunklen Zellen zeigen experimentell und morphologiseh die gleichen Merkmule wie in den anderen l~egionen und sind deshalb allem Ansehein nueh wieder ubsorbierende Zellen. Die hellen Zellen haben einen bedeutenden Golgi-Apparat und nuhe der Oberflache uueh Sekretgranula, im fibrigen abet sind sie uuffallend leer. Munehmal kann man sehen, dal3 diese Granula in die Endolymphe ausgetrieben werden. Das Sekret der Zellen im Tegmen vaseulosum seheint abet nieht den gleiehen Glykoprotein- reiehtum zu haben wie das Sekret im vestibuli~ren Anteil.

Obwohl die Endolymphe in der Cochlea und die Endolymphe im Vestibularupparat die gleiehen Elektrolytkonzentrutionen aufweist, ist

Abb. 5. Dunkle und helle Zellen des Saccus endolymphaticus

Abb. 6. Mehrere bewegliche Cilien (ira Saccus endolymphatieus) mit 9 peripheren und 2 zentrMen Kaniilen. Die zentralen sind verschieden orientiert, was eine

verschiedene Schlagrichtung anzeigt

Abb. 5

Abb. 6

27 Arch. klin. exp. Ohr,-, Nas.-, u. Kehlk.-Heilk. , ~d . 194 (Kongrel3bericht 1969)

406 Diskussion zum Vortrag 45

anscheinend der Glykoproteingehal t ganz verschieden. Ein Netzwerk yon Glykoproteinen in der Cochlea w/~re wahrscheinlich eher ein Hinder- nis ffir die raschen Flfissigkeitsverschiebungen des Schneckeninhaltes. I n den Kan~len der Bogeng~nge jedoch k6nnte ein mi t der Cupula zusammenh~ngendes schwammiges Netzwerk mechanisch ffir den Reiz- vorgang einen Vorteil darstellen.

I m Saccus endolymphat icus sind die zahlreichen Mikrovilli charakteri- stisch und sprechen f/ir die hohe resorptive T~tigkeit der Epithelzellen (Abb.5). Aber auch hier finder man eine Differenzierung in dunkle und helle Zellen, wodurch der Plan yon der exkretorisch-sekretorischen Funk- t ion im ganzen endolymphat ischen System komplet t ier t wird.

Bei st~rkerer Vergr61~erung (Abb.6) sieht man aber aul3er den Mikro- vflli auch zahlreiche bewegliche Ci]ien. Diese Cilien scheinen aber in ver- schiedene Rich tungen zu sch]agen, wie aus der verschiedenart igen Anordnung ihrer Centriolen hervorgeht . Offenbar sollen sie so eine Strudelbi ldung der umgebenden F1/issigkeit bewirken, wodurch eine Resorpt ion dieser Flfissigkeit von den Mikrovilli her erleichtert werden k6nnte.

Somit findet sich im gesamten Bauplan der W~nde des endolympha- t ischen Systems - - mit Ausnahme der Sinneszellen selbst - - ein gleich- artiges Prinzip. Auf der Grundlage eines solchen allgemeinen Bau- prinzips lassen sich dann bei nttherer Be t rach tung die funktionellen und morphologischen Verschiedenheiten der einze]nen S t ruk tu ren besser erkennen und hervorheben.

Die Untersuchungen sind durchgefiihrt worden mit Unterstfitzung des Canadian Defence Research Board und des Canadian Medical Research Counsel grant.

Disl~ussion zum Vortrag 45

]~. VYSLONZIL-Wien: Dieser so wesentliche Vortrag zeigt ira biologischen Epithel auf grol~en Abschnitten wie auf eine helle (sezernierende) Zelle eine dunkle (resor- bierende) folgt. Wit untersuchten elektronenoptisch neben verschiedenen S~iuger- labyrinthen (biologisches Epithel) auch das menschliche und fanden in dcr auf- steigenden Entwicklungsreihe, dal~ die resorbierenden Elemente gegeniiber den sezernierenden abnehmen, was beim menschlichen biologischen Epithel den st~rk- sten Ausdruck finder. Da in der aufsteigenden Entwicklungsreihe in bestimmten Grenzen die Gangbarkeit des Aqui~ductus chochlae abnimmt, was auf eine Funk- tionsabnahme schliel]en l~6t, ist daran zu denken, dieseVerschiebung im biologischen Eloithel damit in Beziehung zu setzen, d. h., dal~ mit der Zunahme des Autonom- werdens des Labyrinthes die resorbierenden Elemente immer geringer werden, was auf die Art und Intensit~t der im biologischen Epithe! ablaufenden Stoff- wechselvorg~nge Rfickschlfisse gestatten kSnnte.

D. TRIN•KER-Kiel: Fiir seine grundlegenden histochemischen Untersuchungen sind besonders auch wir Labyrinth-Neurophysiologen Prof. DO~LMA~ ZU groI3em

Diskussion zum Vortrag 45 407

Dank verpflich~et. -- Hinsichtlich des aktiven Transports yon Kaliumionen in die Endolymphe zeigt der im Bride demonstrierte Versuch mit Abklemmung des gesamten membran6sen Bogenganges (aber ohne Ampulle) und mit nachfolgender Abklemmung auch seiner Blutgefal3versorgung, dal3 offenbar die ganze Innenseite der Wand des membranSsen Labyrinths am aktiven Kaliumionen-Transport beteiligt is% dal~ es nicht nur die bekannben Pri~dilektionsstellen sind, wie die Plana semilunata und das Tegmentum vasculosum bzw. die Stria vascularis. LiiBt sich etwas fiber das anteilm~13ige Verh~ltnis der Transportarten pro Fl~che sagen? -- Das fiir den Vorgang der Reizaufnahme durch die Sinneszellen kardinale Problem ist zweifellos die Frage nach der Permeabilit~t bzw. Impermeabili tat der apikalen ttaarzell- und Cilien-Membran fiir Ionen. -- Wie verh~lt sich schliel3lich die Produk- tionsrate ffir Mucopolysaccharide bei den spezialisierten, aktiven Zellen der basalen Absehnitte der Crista ampullaris im Vergleich mit den anderen Teilen der Ampullen- wand und mit der (undifferenzierten) Bogengangswand?

tI. It. NAUMANN-Berlin: Flimmer-Cilien sind vorwiegend yon der Schleimhaut des Atemtraktes her bekannt. Die Abbildungen yon I-Ier~m DOHL~A~ zeigen, dab sich auch im Saccus endolymphaticus Cilien befinden, die im Aufbau denen des Atemtraktes gleichen. W i e ist das Vorkommen yon Kinocilien an diesem Ort teleologisch zu erkl~ren, da doch der Saccus endolymphaticus keinerlei direkte Beziehung zum Atemtrakt hat?

(LF.DoHLMAN-Toronto (Sehlul3wort): Zu Prof. TRI~CXE~s Fragen m6chte ich hinzuffigen, daB, was die Mueopolysaccharide betrifft, ein bedeutender Unterschied vorhanden ist zwischen der Cochlea und dem Vestibularapparat. Im Vestibularapparat sieht man sehon bei geeigneter Fixation ein dichtes Netzwerk yon Glycoproteinen, was fast vSllig in der Cochlea fehlt. Ieh stelle mir vor, dal3 ein solches Netz- werk in der Cochlea ein Hindernis ausmachen wfirde ffir die dortigen raschen Flfissigkeitsbewegungen. Im Vestibularapparat w~re abet der zusammenh~ngende gel-~rtige Ring in den Bogeng~ngen mit der Cupula zusammen ein mechanisch wichtiges System. Was die Bedeutung der Elektrolyte betrifft, glaube ich, wfirde es zu weir ffihren, darauf einzugehen, da wir aueh noch davon zu wenig wissen, obwohl einige Versuche die jetzt im Gange sind hoffentlich etwas kli~ren k6nnten.

Den Beobachtungen yon t terrn Vu kann ich nur zustimmen, so welt meine Erfahrungen ausreichen. Beim Menschen und auch bei Meerschweinchen und Katzen sind die dunklen und hellen Zellen nieht miteinander regelm~l]ig abwechselnd wie bei der Taube, sondern geh~uft angeordnet. Darum scheint es mir schwer, auch sch~tzungsweise einen quanti tat iven Vergleich machen zu kSnnen.

~be r die klinischen Behandlungsmethoden und Resultate die Prof. ARSLA~ hier vorgelegt hat, kann ich reich natfirlieh nicht ~uBern, da sie ja unphysiologische destruktive Vorg~nge hervorrufen, yon denen ich keine Erfahrung habe. Ioh habe nur mit normalen Geweben gearbeitet, wo man mit grSl3ter Vorsicht die osmotischen Verhaltnisse beriicksichtigen mui3 um nicht abnorme Funktionen und morpho- logisehe Bilder hervorzurufen.

Wie Prof. NAUMANN war ich auch sehr iiberrascht, die reichliche Cilienversor- gung in den Saccus endolymphaticus bei der Taube zu finden. Ich habe nichts davon frfiher erw~hnt gefunden. Ich glaube, dal3 diese Cilien eine Funktion haben kSnnten, indem sie in diesem groi3en Sack die Flfissigkeit in Bewegung setzen kSnnten um eine l~esorption yon den umgebenden Mikrovilli zu erleichtern. Ieh werde reich darum bemfihen zu untersuchen, wie es sieh damit verhglt in den noch viel gr613eren Saccus, z. B. bei den Fr6sehen.

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