17
zeitschrift ffir Zellforschung, ]~d. 43, S. 104--120 (1955). Aus dem Pathologischen Institut der Medizinischen Akademie Diisseldorf (Direktor: Prof. Dr. H. MEESSEN) und dem Rheinisch-Westf~lischen Institut ffir (~bermikroskopie Diisseldoff (Direktor: Prof. Dr. B. v. BORRIES). UNTERSUCHUNGEN ZUR FRAGE DER GLANZSTREIFEN DES HEI:tZMUSKELGEWEBES BEIM WARMBL~TER UND BEIM KALTBL(~TER. Von REINHARD POCHE und ERICH LINDNER. Mit 9 Textabbfldungen. (Eingegangen am 6. Mai 1955.) Unter Glanzstreifen verstehen wir besondere Querstrukturen, die die Herzmuskelfasern in bestimmten Abst~nden entweder geradlinig oder in Form ein- oder mehrstufiger Treppen durchqueren. Ihre Dicke ist beim Menschen mit 1--1,7/~ etwas geringer als die eines Muskel- laches (2/~), entspricht beim Hund etwa einem halben Muskelfaeh und nimmt bei den kleinen S~ugetieren und den VSgeln weiter ab. Bei jungen VSgeln und bei Fischen, Amphibien und Reptilien sollen die Glanzstreifen fehlen. Die Verteilung der Glanzstreifen im Herzen ist unterschiedlich. Am h~ufigsten finder man sie in der Muskulatur der linken Herzkammer, vor allem in den Papillarmuskeln, w~hrend sie in der Vorhofsmuskulatur nur in sp~rlicher Zahl angetroffen werden. Bei den st~rksten VergrS~erungen des Lichtmikroskopes erscheinen die Glanzstreifen aus kleinen, in L~ngsrichtung der Herzmuskelfasern aus- gerichteten St~bchen zusammengesetzt, w~hrend sie im Querschnitt das Bild durchlScherter Scheiben bieten. In der Literatur wurden die Glanzstreifen zum ersten Male von AEBu (1863) erwi~hnt und sind von EBERTH (1866) n~her untersucht worden. EBERTIt sah die Glanzstreifen als Kittsubstanz an, die die einzelnen Herzmuskelzellen miteinander verbindet, und bezeichnete sie als ,,Kitt- linien". Seitdem ist zum Problem der Glanzstreifen yon zahlreichen Autoren Stellung genommen worden. Dabei wurden die verschieden- sten Bezeiehnungen gew~hlt: Kittlinien, Querlinien, Querbi~nder, Schaltstiicke, Bandes scalariformes striSes, Intercalated Discs, Quer- scheiben, Glanzscheiben, Glanzstreifen. Der Name ,,Glanzstreifen" stammt von v. EB:NER (1914) und hat sich heute allgemein durchgesetzt; er nimmt nichts fiber die physiologi-

Untersuchungen zur Frage der Glanzstreifen des Herzmuskelgewebes beim Warmblüter und beim Kaltblüter

Embed Size (px)

Citation preview

zeitschrift ffir Zellforschung, ]~d. 43, S. 104--120 (1955).

Aus dem Pathologischen Institut der Medizinischen Akademie Diisseldorf (Direktor: Prof. Dr. H. MEESSEN)

und dem Rheinisch-Westf~lischen Institut ffir (~bermikroskopie Diisseldoff (Direktor: Prof. Dr. B. v. BORRIES).

U N T E R S U C H U N G E N ZUR FRAGE D E R G L A N Z S T R E I F E N DES HEI : tZMUSKELGEWEBES

BEIM W A R M B L ~ T E R UND BEIM KALTBL(~TER.

Von

REINHARD POCHE und ERICH LINDNER.

Mit 9 Textabbfldungen.

(Eingegangen am 6. Mai 1955.)

Unter Glanzstreifen verstehen wir besondere Querstrukturen, die die Herzmuskelfasern in best immten Abst~nden entweder geradlinig oder in Form ein- oder mehrstufiger Treppen durchqueren. Ihre Dicke ist beim Menschen mit 1--1,7/~ etwas geringer als die eines Muskel- laches (2/~), entspricht beim Hund etwa einem halben Muskelfaeh und n immt bei den kleinen S~ugetieren und den VSgeln weiter ab. Bei jungen VSgeln und bei Fischen, Amphibien und Reptilien sollen die Glanzstreifen fehlen. Die Verteilung der Glanzstreifen im Herzen ist unterschiedlich. Am h~ufigsten finder man sie in der Muskulatur der linken Herzkammer, vor allem in den Papillarmuskeln, w~hrend sie in der Vorhofsmuskulatur nur in sp~rlicher Zahl angetroffen werden. Bei den st~rksten VergrS~erungen des Lichtmikroskopes erscheinen die Glanzstreifen aus kleinen, in L~ngsrichtung der Herzmuskelfasern aus- gerichteten St~bchen zusammengesetzt, w~hrend sie im Querschnitt das Bild durchlScherter Scheiben bieten.

In der Literatur wurden die Glanzstreifen zum ersten Male von AEBu (1863) erwi~hnt und sind von EBERTH (1866) n~her untersucht worden. EBERTIt sah die Glanzstreifen als Kit tsubstanz an, die die einzelnen Herzmuskelzellen miteinander verbindet, und bezeichnete sie als , ,Kitt- linien". Seitdem ist zum Problem der Glanzstreifen yon zahlreichen Autoren Stellung genommen worden. Dabei wurden die verschieden- sten Bezeiehnungen gew~hlt: Kittlinien, Querlinien, Querbi~nder, Schaltstiicke, Bandes scalariformes striSes, Intercalated Discs, Quer- scheiben, Glanzscheiben, Glanzstreifen.

Der Name ,,Glanzstreifen" s tammt von v. EB:NER (1914) und hat sich heute allgemein durchgesetzt; er n immt nichts fiber die physiologi-

Zur Frage der Glanzstreifen des I-[erzmuskelgewebes. 105

sche Bedeutung dieser Gebilde vorweg. Wie schon die fibrigen Be- zeichnungen erkennen lassen, wurden yon den Autoren verschiedene Ansichten fiber das Wesen der Glanzstreifen ge/iul3ert. Man hielt sie unter anderem ffir Zellgrenzen, Verdichtungsstreifen im Sinne agonaler Schrumpfkontraktionen, Wachstumszentren, mechanische Einrich- tungen zur Festigung des Herzmuskelsyncytiums, Alterserscheinungen, pathologische Ver/i, nderungen, umgewandelte Muskelf/~cher, elektrische Isolierschichten, Trugbilder, Kunstpredukte oder Zerrungen beim un- gleichm/iBigen Absterben der Herzmuskelfasern. Die zuletzt genannte Auffassung wurde in neuerer Zeit besonders yon BOERNER-PATZELT und LIPP (1949) vertreten. Nach ihren Untersuchungen sehen sie die Glanzstreifen als reversible Bildungen an, die normalerweise dem Herzen fehlen, und ffir deren Entstehung Zug- und Spannungskr/~fte sowie Anderungen des pu-Milieus die wesentlichen Faktoren darstellen. Das angebliche Fehlen der Glanzstreifen bei Reptilien, Amphibien und Fischen wird auf ein gleichm/il~iges Absterben des ganzen Muskel- syncytiums zurfickgeffihrt, das keine ungewShnlichen Spannungskr/~fte auftreten 1/~l~t. Auch in Meerschweinchenherzen, die unter der Wirkung tSdlicher Strophanthindosen (0,2 mg/kg) in Systole gleichm/E3ig abge- storben waren, konnten BOERI~ER-PATZELT und LIer keine Glanz- streifen beobachten. Die vom pH-Wert abh/~ngige Reversibilit/it der Glanzstreifen iiul~erte sich in den Versuchen yon BOnRNER-PATZELT und LIFe darin, daf3 die Glanzstreifen bei Behandlung mit Veronal- AcetatpufferlSsungen von PH 4,5--5,0 verschwanden und nach Zusatz einer Pufferltisung yon Pn 9,0 wieder erschienen.

Wir sahen unsere Aufgabe darin, eine Kl~rung der Frage nach dem Wesen der Glanzstreifen mit Hilfe der Phasenkontrastmikroskopie und der Elektronenmikroskopie an mSglichst lebensfrischem Material zu ver- suchen. Unsere Untersuchungen erstreckten sich fiber die Zeit yon 1952--1954 und wurden am Herzmuskel des Hundes und dos Frosches durchgeffihrt.

M e t h o d i k .

Untersuchungen am Hundeherzen. Wir untersuchten die Herzen yon 10 gesun- den, erwachsenen Hunden. Bei einigen Tieren war am selbcn Tag in der Chirurgi- schen Klinik der Medizinischen Akademie Dfisseldorf ein grol~er AderlaB und so- fort anschlie[3end eine Wiederaufffillung des Blutkreislaufes mit Blutersatzmitteln vorgenommen worden. Wir konnten diese Tiere ohne weiteres ffir unsere Unter- suchungen benutzen, da nach ST#BLUR (1917) selbst vOllige Entblutung auf die Zahl der Glanzstreifen keinen EinfluB hat. Die TOtung erfolgte dutch schnelle intravenSse Injektion yon 10 cm a Evipan oder in einzelnen Fi~llen yon 20 cm 3 Luft. Das I-Ierz wurde sofort herausgenommen und kleine Stfickchen der Muskulatur - - meist aus dem linken hinteren Papillarmuskel - - entnommen und unter einem Lupenmikroskop oder einer Pr/iparierlupe mit besonders fein zugeschliffenen

106 REINHARD POO:HE und ERICH LINDNER:

Pr/~parier~ladeln zerzupft. Das Zerzupfen erfolgte teils ohne Zusatz, teils in Aqua dest., in hypo-, iso- oder hypertonischen NaC1-L6sungen, in isotonischen Phosphat- pufferl6sungen yon versehiedenem pH-Wert und vereinzelt auch in zuekerhaltigen isotonisehen Salzl6sungen oder in Tyrodel6sung. Die Zupfpraparate wurden unter einem Deckglas, das an zwei gegenfiberliegenden Seiten mit Vaseline auf dem Ob- jekttr/~ger befestigt worden war, im Phasenkontrastmikroskop beobachtet. In vielen Fallen gelang es bei diesem Vorgehen, die Herzmuskelfasern in schlagendem Zustand zu beobaehten, besonders wenn die Prgparate ohne jeden Flfissigkeits- zusatz zerzupft women waren. Um wahrend der phasenkontrastmikroskopisehen Beobachtung das Milieu zu verandern, wurden die genannten Fliissigkeiten neben das Deekglas auf dan Objekttrager aufgetropft und mit Hilfe eines Stiiekehens Fliegpapier unter dem Deckglas hindurehgesaugt. Der p~-Wert der verwendeten Pufferl6sungen wurde mit der Glaselektrode gemessen, der pH-Wert der dureh- gesaugten Pufferl6sungen mit pH-Indieatorpapier. Darfiber hinaus wurden kleine Muskelstiickchen aus der linken Herzkammerwand 1 Std lang in NaC1-LSsungen versehiedener Konzentration oder in Pufferl6sungen yon verschiedenem pr[-Wert gebracht und ansehlieSend in 10%igem Formalin fixiert. Von diesem Material kamen Gefrierschnitte und im Homogenisator hergestellte Fragmentate zur Unter- suchung.

Zur elektronenmikroskopischen Bearbeitung haben wir in einftihrenden Ver- suchen im Homogenisator hergestellte Fragmentate yon in Formalin fixiertem Hundeherzmuskel auf befilmte Objekttragerblenden gebraeht. Fiir die weiteren Untersuchungen haben wir yon Herzmuskelstiickchen aus der linken Kammer- wand, die 1 Std lang in 0,45%ige NaC1-L6sung gebraeht und ansehlieSend in 10%igem, neutralem Formalin fixiert worden waren, 10/~ dicke Gefriersehnitte hergesfellt. Aus diesen Gefrierschnitten wurden Bezirke, die phasenkontrast- mikroskopiseh reiehlieh Glanzstreifen erkennen liegen, mit Hilfe einer yon LINDNER und TISCHER angegebenen Ausschneidevorrichtung, die auf das Objektiv eines Liehtmikroskopes aufgesetzt wird, in Form kleiner runder Scheibchen ausge- stanzt. Diese Scheiben wurden dann in 1%iger OsmiumtetroxydlOsung nach- behandelt, tiber die Alkoholreihe in Methyl-butyl-methacrylat eingebettet und mit dem Ultramikrotom nach v. ]~ORRIES und ]:IuPPERTZ in Dtinnschnitte zer- legt. Damit war zun/iehst einmal die Gew/~hr gegeben, die phasenkontrastmikro- skopiseh festgestellten Glanzstreifen auch im Elektronenmikroskop wiederzufinden. Da die Fixierung bei dieser Methode jedoeh nicht allen Anforderungen, die heute gestellt werden mtissen, geniigt, haben wir sp/~ter kleinste Muskelstiickchen aus dem linken hinteren Papillarmuskel lebensfrisch in gepufferter, isotonischer, 1% iger OsmiumtetroxydlSsung 1 Std lang fixiert und dann weiter fiber die Alkoholreihe in Methyl-butyl-methacrylat eingebettet.

Untersuchunffen am Froschherzen. Die yon uns untersuchten Fr6sehe wurden durch Dekapitation und Ausbohren des Rfickenmarkskanals getStet, der Brust- korb wurde sofort erSffnet. Das Herz wurde in schlagendem Zustand aufge- schnitten und kleine Sttiekchen Herzmuskel ohne Zusatz oder in Aqua dest. oder in versehieden konzentrierten NaC1-L6sungen zerzupft und im Phasen- kontrastmikroskop untersucht. AuBerdem wurden yon unfixierten und yon in Formalin fixierten Muskelstiiekchen Gefrierschnitte sowie von fixierten Muskel- stiickehen Fragmentate hergestellt und ebenfalls phasenkontrastmikroskopisch untersucht.

Ftir die elektronenmikroskopische Bearbeitung wurden Froschherzen benutz~, die durch Betr/~ufeln mit Strophanthin (Kombetin)in situ in maximaler Kontraktion zum Stillstand gebracht worden waren. Von diesen Herzen wurden kleinste Sttiek- ehen sofort in Osmiums~urel5sung fixiert und welter pr~pariert.

Zur Frage der Glanzstreifen des I~erzmuskelgewebes. 107

Ergebnisse. Untersuchungen am Herzmus]cel des Hundes:

1. Phasenkontrastmikroslcopische Untersuchungen an NativprSparaten.

a) Glanzstrei/enbe/unde an schlagenden Herzmuskel]asern. In sehr ffisehen Pri~paraten zeigten die Herzmuskelfasern unter dem Deekglas gewShnlich noch Kontraktionen. Am l~ngsten sehlugen die Herz- muskelfasern in Prgparaten, die ohne jeden Zusatz zerzupft worden waren. So waren in einem Falle z. B. bis 50 rain nach Anfertigung des Pr~parates ( ~ 80 rain nach dem Tode des Tieres) noch krgftige Kon- traktionen zu beobachten. In einem anderen Falle fanden sich noch trgge Kontrakt ionen in einem ohne Zusatz hergestellten Prgparat , das erst 155 rain nach dem Tode des Tieres hergestellt worden war. ]:)as Herz war bis dahin bei einer Temperatur yon etwa 350 C aufgehoben worden. Wurden die kleinen Muskelstiickehen dagegen in Puffer- oder SalzlSsungen zerzupft, hSrten die Kontrakt ionen meist frfiher auf. In ganz frischen Pri~paraten betrug die Schlagffequenz etwa 28 je Minute, wobei die Kontraktionswelle gewShnlieh 10--15 Muskelf~cher einnahm. Bevor die Herzmuskelfasern nach und nach ihre T~tigkeit einstellten, wurden die Kontrakt ionen unregelm~Biger und trgger, bis sie schlieBlieh ganz aufhSrten. Die Querstreifung der Herzmuskelfasern war durchweg deutlich, aueh in den frischesten Pr~paraten mit noch sehr kr~f~igen Kontraktionen, dagegen konnten wit Glanzstrei/en in schlaqenden Herz- muskel/asern niemals erkennen.

b) Be/unde an Glanzstrei/en yon nicht mehr schlagenden, un/ixierten Herzmuskel/asern. Bei Pr~paraten, deren Herzmuskelfasern sich nicht mehr kontrahierten, konnten wir zu verschiedenen Zeitpunkten unter- schiedliehe Befunde hinsiehtlich der Zahl der Glanzstreifen erheben. So waren z. B. in einem Pr~parat, das 35 min nach der TStung des Hundes angefertigt und ansehliel~end unter dem Deckglas so stark gequetscht worden war, dab die Herzmuskelfasern ihre Kontrakt ionen einstellten, keine Glanzstreifen zu erkennen. In einem anderen Pr~parat, das 105 min nach dem Tode des Tieres hergestellt worden war und keine Kontrakt ionen zeigte, waren zun~chst keine Glanzstreifen sichtbar, w~hrend die Querstreifung der Herzmuskelfasern sehr klar und schaff zu erkennen war. 25 rain sparer war pl6tzlich an einer Stelle des Pr~- parates ein Glanzstreifen zu sehen und nach weiteren 30 rain waren mehrere Glanzstreifen vorhanden. Naeh abermals 30 min, also ins- gesamt 190 rain nach der T6tung des Tieres, war das Pr/~parat sehr reich an Glanzstreifen. Ein anderes Pr/iparat, das 90 min nach dem Tode des Tieres in 0,9%iger NaC1-LSsung zerzupft worden war und keine Kontrakt ionen mehr zeigte, lieB zuerst wenig Glanzstreifen erkennen, nach 30 rain aber sehr viele. Dasselbe Verhalten zeigten zahlreiche

108 REINHARD POCHE und E m c H LINDNER:

weitere Prgparate, unter anderem auch solche, die in TyrodelSsung zerzupft worden waren. Hiernaeh kann also gesagt werden: _~ach dem Au/hSren der Kontraktionen treten in den Herzmuskel/asern Glanz- atrei/en in Erscheinung, deren Zahl mit der Zeit zunimmt.

c) Wirlcung yon isotonischen Phosphatpu//erlSsungen verschiedener Reaktion au/ die Entwicklung yon Glanzstrei/en. Bei 4 der untersuchten Hundeherzen wurden die Zupfprgparate mit frisch hergestellten iso-

tonischen Phosphatpuffer- 15sungen behandelt. Dabei zeigte sich, da~ einmal vorhandene Glanzstreifen durch Ver~nderung des pH-Milieus nieht zum Ver- schwinden zu bringen waren. Da wir bei unserer Methodik ein und densel- ben Glanzstreifen w~hrend der gesamten Einwirkungs- dauer der Pufferl6sungen und aueh w~hrend des Durchsaugens kontinuier- lich beobaehteten, konnte uns ein vorfibergehendes Verschwinden dieses Glanz- streifens bei einem Milieu

Abb. 1. Glanzstreifen bei Behandlung ]Bait Puffer- v o r l PH 4,5--5,0 nicht ent- 16sungen verschiedener Reaktion. Herzmuskel, Hund, gehen. ADD. 1 gibt einen Zupfpr~parat. [Phasenkontrastmikroskopische Unter-

suchung, 525:1 (01416bis 21/52).] derartigen Versuch wieder. Es gelang uns hier, ein

und denselben Glanzstreifen bei pH-Werten yon 5,3, 4,1, 3,5, 9,5, 11,4 und schlieBlich wieder bei 5,0 zu photographieren. Die PufferlSsungen lieBen wit dabei so lange unter dem Deckglas hindurchflieBen, bis das Durchgesaugte denselben pH-Wert ergab wie die aufgetropfte Puffer- 15sung. Wie die Abbildung zeigt, bleibt der Glanzstreifen bei den ver- schiedenen pH-Werten bestehen. Dieses Verhalten fanden wir aueh in zahlreichen weiteren Versuchen best~tigt, so daft wir auf Grund unserer Be- /unde die von BOERNER-PATZELT und LIPP angenommene, vom PH" Wert abhdngige Reversibilitdt der Glanzstrei/en nicht bestdtigen kSnnen.

d) WirIcung yon SalzlSsungen verschiedener Konzentration au/ die Entwicklung yon Glanzstrei/en. Bei 3 Hundeherzen haben wir die Frischpr~parate auBer mit Pufferl6sungen auch mit NaC1-L5sungen verschiedener Konzentration behandelt. Eine solche Behandlung hatte auf die Entwicklung von Glanzstreifen keinen merklichen EinfluB;

Zur Frage der Glanzstreifen des Herzmuskelgewebes. 109

ebensowenig lieBen sich sichtbare Glanzstrei~en durch bestimmte Salz- 15sungen zum Verschwinden bringen. Jedoch zeigten die Muskelfasern bei den verschiedenen Salzkonzentrationen eine Ver~nderung des Aus- sehens. So war die Querstreifung sowohl bei Aqua dest. als auch

Abb. 2. H e r z m u s k e l des t t u n d e s m i t zah l re lchen GIanzst re i fen. Z u p f p r ~ p a r a t e , phasen - k o n t r a s t m i k r o s k o p i s c h . Oben : in A q u a dest . , 785:1 (01528/53); u n t e n : in 5,0 %iger

NaC1-LSsung, 585 : 1 (01538/53).

bei 5,0%iger NaC1-LSsung meistens sehr deutlich, w~hrend sie bei 0,9%iger NaC1-LSsung oft etwas undeutlich und grob erschien. Im Aqua dest.-Milieu fanden sich zwischen den Z-Streifen einheitliche, fiber mehrere Fibrillen hinwegziehende, homogene Querstreifen, in 5,0%iger NaCl-LSsung dagegen waren zwischen den Z-Streifen Quer- reihen yon groben KSrnchen zu erkennen (Abb. 2). An den Glanz- streifen traten derartige Strukturver/inderungen jedoch nicht in Er- scheinung.

110 ~EINHARD POCHE und ERICH LINDNER:

2. PhasenkontrastmiIcroskopische Untersuchungen an Ge/rierschnitten.

Die nach Behandlung mit verschiedenen PufferlSsungen in Formalin fixierten Herzmuskelpr~parate lieBen sowohl bei sauren als auch bei alkalischen Reaktionen keine Unterschiede in der Struktur der Glanz- streifen erkennen. Die Herzmuskelfasern selbst zeigten in allen F~llen eine deutliehe Querstreifung. Aueh Vorbehandlung mit NaC1-LSsungen verschiedener Konzentrat ion bewirkte keine Strukturver~nderungen an den Glanzstreifen. Die Herzmuskelfasern selbst zeigten jedoch nach Behandlung mit 0,45%iger NaC1-LSsung zahlreiche Bezirke von etwas gequollenem Aussehen.

3. Elelctronenmikroskopische Untersuchungen.

a) In Formalin vor/ixierter Herzmuskel. Zur ersten Orientierung haben wir zun~chst Fragmentate von in Formalin fixiertem Hundeherz- muskel auf befilmte Objekttr~gerblenden gebracht und im Elektronen- mikroskop untersucht. Es fanden sich dabei Bruchstficke von Herz- muskelfasern und einzelnen Fibrillen, die eine deutliehe Querstreifung zeigten. Besonders die Z-Streifen kamen sehr gut zur Darstellung. In den zahlreichen von uns untersuchten Pri~paraten sahen wir jedoch niemals Glanzstreifen. Vor Beginn unserer Untersuchungen fiber die Glanzstreifen hat ten wir weder in der Literatur noch in eigenen Herz- muskeluntersuehungen elektronenmikroskopische Bilder yon Glanz- streifen gesehen. Die Glanzstreifen besitzen fiir elektronenmikroskopi- sche Dimensionen recht groBe Abst~nde, so dab bei der Kleinheit des im Elektronenmikroskop zur Darstellung kommenden Ausschnittes die Wahrscheinlichkeit, gerade einen Glanzstreifen zu treffen, nur sehr gering war. Wir muBten daher gezielt arbeiten und ffir die elektronen- mikroskopischen Untersuchungen nur ein sicher Glanzstreifen ent- haltendes kleines Gewebsstiickchen benutzen. LIND~ER und TISCKER entwickelten eine Ausschneidevorrichtung fiir kleine Objektbereiche aus Gewebsschnitten, die auf das Objektiv des Lichtmikroskopes auf- gesetzt wird und gestattete, aus einem l0 # dicken Geffierschnitt Be- zirke auszustanzen, in denen phasenoptisch reichlich Glanzstreifen zu erkennen waren. Diese ausgestanzten kleinen ] 0 # dicken Scheiben gaben dann die B15cke fiir die weitere Preparat ion ab. Mit Hilfe einer derartigen ,,gezielten Pr~tparation" gelang es, Glanzstreifen im Elek- tronenmikroskop zur Darstellung zu bringen. I m elektronenmikroskopi- schen Ubersichtsbild bei 1200facher VergrSBerung erkennt man die Glanzstreifen - - i~hnlich wie im Phasenkontrastmikroskop - - als dunkle Querb~nder oder stufenfSrmige Gebilde. :Bei einer elektronen- mikroskopischen VergrSBerung von 4700 : 1 zeigen die Glanzstreifen eine ,,Sti~bchenstruktur", die an die lichtoptisch beschriebene St~bchen-

Zur Frage der Glanzstreifen des Herzmuskelgewebes. 111

struktur erinnert. Abb. 3 zeigt ein solches Prs Es handelt sieh hier um Herzmuskel, der vor der Fixierung in neutralem, 10%igem Formalin 1 Std lang mit 0,45%iger NaC1-LSsung behandelt worden war. Die Z-Streifen sind wie in allen in Formalin vorfixierten Pr~pa- raten sehr deutlieh. Weiter l~Bt Abb. 3 erkennen, daB es nach Vor- behandlung mit hypotonischer NaC1-LSsung zu partiellen Aufquellungen der Herzmuskelfasern kommt, wobei die Myofibrillen eine semmelartige

Abb . 3. E i n s t u f e n f 6 r m i g e r u n d ein d u r c h g e h e n d e r Glanzs t re i fen a n der Grenze zwischen gequo l l enen u n d n i c h t g e q u o l l e n e n A b s c h n i t t e n des Herzmuske l s . H u n d . Di innschn i t t , P r ~ p a r a t : 1 S t d in 0,45 %ige NaC1-LSsung, ansch l ieBend F i x i e r u n g in 10 %igem, n e u t r a l e m F o r m a l i n , N a c h b e h a n d l u n g m i t 1 % i g e r OsO4-LSslmg. [E l ek t ronenop t i s che Vergr . 4700 :1

( P h o t o m o n t a g e , D 3721, 3722, 3723/54).]

Gestalt annehmen. Die Glanzstreifen liegen an der Grenze zwischen gequollenen und niehtgequollenen Faserabschnitten. Das Sarkolemm ist manchmal arkadenfSrmig yon der ~uBeren Fibrille der Herzmuskel- laser abgehoben, wobei diese Arkaden ziemlieh regelm~Big auf den Z-Streifen orientiert sind (Abb. 3, vgl. auch Abb. 6). Im Bereieh eines Glanzstreifens jedoch liegt das Sarkolemm lest an. StufenfSrmige Glanzstreifen zeigen sarkolemmartige Verbindungen zwischen den ein- zelnen Stufen. Bei 14100facher VergrSBerung trifft man im Bereich der Glanzstreifen auf Anteile einer feinen hellen Linie; da diese jedoch bei der angewandten Fixierungsart nieht klar genug zur Darstellung kam, haben wir fiir die weitere Analyse lebensfrisch in OsmiumsiiurelSsung fixierten Herzmuskel benutzt.

b) Lebens/risch in OsmiumsdurelSsung /ixierter Herzmuskel. Da die Fixierung mSghchst lebensfriseh, d .h . unmittelbar nach der Ent- nahme erfolgen sollte und die in Osmiums~urelSsung zu fixierenden Gewebsstiickchen eine Kantenl~nge von weniger als 1 mm besitzen sollten, war eine ,,gezielte Preparat ion" hier nicht zweekmiiBig. Wir

112 REINHARD POCHE u n d ERICH LINDNER:

benutzten deshalb fiir die folgenden Untersuchungen ausschliel31ich Muskelstfickchen aus dem linken hinteren Papillarmuskel des Hunde- herzens, da bekannt ist, d~13 an dieser Stelle die Glanzstreifen am dich-

Abb. 4. E l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s c h e s ~ b e r s i c h t s b i l d , t t e r zmuske l , gesunde r , n i c h t v o r b e . h a n d e l t e r I t u n d . Der Ver lauf der Glanzs t re i fen u n d des S a r k o l e m m is t in der Skizze oben r ech t s wiede rgegeben , a t t e r z m u s k e l k e r n ; b Capi l lare m i t E r y t h r o c y t ; c S a r k o s o m ( M u s k e h n i t o c h o n d r i u m ) ; d kleine G r a n u l a m i t k 6 r n i g e m I n h a l t ohne Innen lamel l en . Dt innschn i t t . P r ~ p a r a t : Lebens f r i sch in 1%iger , gepuf fe r t e r , i so ton i scher OsO~-L6sung

f ix ier t . E l e k t r o n e n o p t i s c h e [Vergr. 1300:1 , A b b i l d u n g 3076:1 (6083/54).]

tes~en stehen. Im elektronenmikroskopischen Ubersichtsbild waren in zahlreichen derartigen Pr~paraten Glanzstreifen zu erkennen. Abb. 4 gibt ein solches Ubersichtsbild bei einer elektronenoptischen VergrSBe- rung von 1300:1 wieder. Die Abbildung zeigt 4 stufenfSrmige und 1 geradlinigen Glanzstreifen, auI3erdem 2 Herzmuskelkerne, 2 Blut- capillaren, zahlreiche Sarkosomen (Muskelmitochondrien) sowie an

Zur Frage der Glanzstreifen des Herzmuskelgewebes. 113

einzelnen Stellen neben den Sarkosomen etwas kleinere Granula mit feinkSrnigem Inhal t und ohne Innen- oder AuBenlamellen. Die Myo- fibrillen zeigen aul~er dunklen Z-Streifen oft auch feine M-Streifen. Zur besseren (~bersicht haben wir von diesem Bild eine maI~stabgerechte Skizze angefertigt (Abb. 4). Bei st~rkeren VergrSBerungen zeigen die

Abb. 5. Glanzstreifen, I t e rzmuske l , Hund . Man e rkenn t Antei le eines e twa 150--200 A breiten, k o n t r a s t a r m e n , hellen, geschl~ngelten Bandes m i t begle i tenden dunklen Linien, an die sich beiderseits eine kont ras t re iche , dunkle, feinkSrnige Substanz anlagert . Links oben l~bergang in Sarkolemm. Die MyofibriIlen enden a m Glanzstreifen. Dfinnschnit t . P r h p a r a t : ~Vie Abb. 4. [Elektronenopt ische Vergr. 4450:1, Abb. 42 300 : l (D 4906/54).]

Glanzstreifen eine charakteristische Feinstmktur . Die Stufen treppen- fSrmiger Glanzstreifen sind durch sarkolemmartige Membranen mit- einander verbunden. I m Bereich der Glanzstreifen selbst erkennt man deutlich ein etwa 150--200 A breites, unregelmi~i~ig geschli~ngeltes, kon- trastarmes, helles Band, dessen Windungen eine GesamthShe bis etwa zur H~lfte eines Muskelfaches und eine relativ geringe Wellenl~nge auf- weisen. Dieses helle Band wird beiderseits von einer etwa 100--120 A breiten dunklen Linie begleitet, der wechselnde Mengen einer fein- kSrnigen, kontrastreichen, dunklen Substanz angelagert sind. I m Be- reich dieser kontrastreichen Substanz enden die Filamente der Myo- fibrillen und sind hier offenbar fest verankert ; wir mSchten sie daher als intracellul~re Kit tsubstanz bezeiehnen. Dieser Befund war bei allen von uns untersuchten Glanzstreifen zu erheben: Die Kontinuiti~t der Myofibrillen war stets an den Glanzstreifen unterbrochen, durchgehende Myofibrillen fanden sich niemals. Die ni~chsten auf einen Glanzstreifen folgenden Z-Streifen finden sich beiderseits im Abstand eines Muskel-

Z. Zellforsch. Bd. 43. 8

114 REINHARD POCHE u n d ]~RICIt LINDNER:

laches. Abb. 5 veranschaulicht diese Verh~ltnisse bei 42 300facher Ver- grSi3erung. Die Myofibrillen, deren Aufbau aus Filamenten zu erkennen ist, enden am Glanzstreifen im Bereich der dunklen Substanz. AuBer- dem ist auf dem Bild der unmittelbare Ubergang des Glanzstreifens zum Sarkolemm zu erkennen. Ein Schnittpr~parat yore Sarkolemm zeigt Abb. 6. Die Sarkolemmembran, die aus zwei dunklen und einer hellen Lamelle besteht, verl~uft arkadenfSrmig auf die Z-Streifen orientiert. Unmit te lbar unter der Sarkolemmembran liegen kleine bl~schenf6rmige Gebilde yon etwa 500/~ Durchmesser. Oben im Bild erkennt man eine Blutcapillare.

Abb. 6. A r k a d e n f 6 r m i g e s Sa rko lemm. A n der Innense i t e meh re r e e t w a 500 -~ im D u r c h - raesser groBe bl~i~chenf6rmige Gebilde. Oben im Bild Tell e iner Capi l lare m i t E r y t h r o - cy t . He rzmuske l , H u n d . Di innschn i t t , P r h p a r a t : ~Vie Abb . 4. [E l ek t ronenop t i s che

Vergr . 1 1 7 0 0 : 1 , A b b i l d u n g 3 2 0 0 0 : 1 (D 4912/54).]

Untersuchungen am Herzmus]cel des Frosches :

1. Phasenkontrastmikroskopische Untersuchungen.

Die Herzen mehrerer FrSsche wurden sofort nach der TStung der Tiere im Phasenkontrastmikroskop untersucht. In Zupfpr~paraten waren Glanzstreifen nicht festzustellen, gleichgiiltig, ob die betreffen- den Herzmuskelstiickchen ohne Zusatz oder in Aqua dest. oder in ffir Kaltblfiter isotonischer, hypotonischer oder hypertonischer NaC1- LSsung zerzupft worden waren. In frischen Gefrierschnitten war wie in den Zupfpr~paraten die Querstreifung der Herzmuskelfasern deutlich zu erkennen, jedoch waren keine Glanzstreifen nachzuweisen. Ebenso waren bei phasenkontrastmikroskopischer Untersuchung yon Gefrier- schnitten und Fragmentaten von in 10%igem, neutralem Formalin fixierten Herzmuskelstfickchen Glanzstreifen nicht festzustellen.

Zur Frage der Glanzstreifen des Herzmuskelgewebes. 115

2. Elektronenmikroskopische Untersuchungen. Trotz des negativen phasenkontrastmikroskopischen Befundes haben

wir Froschherzmuskel auch im Elektronenmikroskop auf das Vor- handensein yon Glanzstreifen untersucht. Dadurch, dab wir Herzen benutzten, die durch Betr/~ufeln mit Strophanthin (Kombetin) in maxi- maler Kontraktion gleichmi~i~ig zum Stillstand gekommen waren, konnten Zerrungen infolge ungleichmi~i~igen Absterbens als ausl6sende

Abb. 7. Glanzs t rc i fen im I t e r zmuske l des Frosches n a c h S t r o p h a n t h i n b e h a n d l u n g . Dflnn- schn i t t . Pr~tpara t : Sys to l i scher I i e r z s t i l l s t and d u r c h Be t r~ufe ln m i t S t r o p h a n t h i n (Kom- bet in) , we l te r wie Abb . 4. [E l ek t ronenop t i s che Vergr . l l 5 0 0 : l , A b b i l d u n g 3 4 5 0 0 : 1

(D 3894/54).]

Ursache der Entstehung von Glanzstreifen von vornherein ausge- schlossen werden. Bei der Durchsicht zahlreicher Pri~parate im Elek- tronenmikroskop fielen Querstrukturen der Herzmuskelfasern auf, die den Glanzstreifen des Hundeherzmuskels i~hnelten. Gewellte oder leicht unregelmi~gig geschlitngelt verlaufende, kontrastarme, helle Biinder von etwa 150---1000/~ (etwa 450/~ im Mittel) Breite sind beider- seits yon einer feinen dunklen Linie begleitet. An diese dunklen LiNen lagert sich eine dunkle, feinkSrnige, kontrastreiche Substanz an, in deren Bereich die Myofibrillen enden. Abb. 7 zeigt ein derartiges Ge- bilde bei 34500facher Vergr6Berung, auf Abb. 8 erkennt man ein wei- teres derartiges Gebilde auf einem Schri~gschnitt. Der wesentliche Unterschied zu den Glanzstreifen des Hundeherzens besteht darin, dab

8*

116 REINHARD POCHE u n d ERICH LINDNER:

die Sehl/~ngelung der hellen B/~nder und dunklen Linien wesentlieh flacher verl~uft. Diese Querstrukturen des Froschherzmuskels sind wesentlich schm/~ler und fallen deshalb auf elektronenmikroskopischen Ubersichtsbildern viel weniger auf als die Glanzstreifen des Hundeherz- muskels. Aul~erdem wird damit auch verst/~ndlich, dab sie im Phasen- kontrastmikroskop nicht mit Sicherheit von der gewShnlichen Quer-

Abb. 8. G]anzstreifen im t t e rzmuske l des Frosches. Diinnschnit t . Pr~tparat: Wie Abb. 7. [Elektronenopt ische Vergr. ] 1 000 : 1, Abbi ldung 33000 : 1 (D 3207/54).]

streifung zu unterscheiden waren. Wir mSchten auch fiir diese Struk- turen des Frosehherzmuskels die Bezeichnung Glanzstreifen anwenden.

Diskussion. Der Befund, dal~ Glanzstreifen an schlagenden Herzmuskelfasern im

Phasenkontrastmikroskop nicht zu erkennen waren, sagt zun/~chst noch nichts fiber das Vorkommen der Glanzstreifen im lebenden Herzmuskel aus. Man kSnnte zwar daraus schlie2en, dab die Glanzstreifen erst beim Absterben der Herzmuskelfasern entstehen, etwa als Folge von Zug- und Spannungswirkungen, wie es BOERNER-PATZELT und Lxer an- genommen haben. Andererseits mu$ man aber daran denken, dab die Glanzstreifen sog. maskierte Strukturen im Sinne von ZEIGER dar- stellen kSnnen, d .h . Strukturen, die unter bestimmten optisehen Vor- aussetzungen lichtmikroskopisch unsichtbar bleiben, obwohl sie vital vorgebildet sind. Die Ergebnisse unserer elektronenmikroskopischen

Zur Frage der Glanzstreifen des Herzmuskelgewebes. 117

Untersuchungen sprechen fiir diese zweite M6glichkeit. Es gelang, phasenkontrastmikroskopisch nachgewiesene Glanzstreifen durch eine gezielte Preparation auch mit dem Elektronenmikroskop zur Dar- stellung zu bringen. Besondere Beachtung verdienen dabei die Unter- suchungen des mit 0,45%iger NaC1-LSsung vorbehandelten Hunde- herzmuskels. Schon bei der phasenkontrastmikroskopischen Unter- suchung waren hier partielle Verquellungen der Herzmuskelfasern aufgefallen. Im elektronenmikroskopischen Bild kamen diese nun sehr deutlich heraus (Abb. 3). In den gequollenen Herzmuskelfaser- abschnitten sind die Myofibrillen aufgetrieben und zeigen Einschnii- rungen an den Z-Membranen, so dab ein semmelartiges Bild entsteht. Die Glanzstreifen liegen an der Grenze zwischen gequollenen und nicht- gequollenen Herzmuskelfaserabschnitten. Da die Glanzstreifen oft kontrahierte und erschlaffte, verfettete und nichtveffettete, glykogen- reiche und glykogenarme bzw. glykogenfreie sowie nekrotische und nichtnekrotische Abschnitte einer Herzmuskelfaser gegeneinander ab- grenzen, kann man in Verbindung mit unseren elektronenmikroskopi- schen Befunden annehmen, dab sie wohl eine Schranke darstellen. Nach unseren elektronenmikroskopischen Untersuchungen gilt diese Schran- kenwirkung auch ffir den Raum zwischen Myofibrillen und Sarkolemm. Die weiteren elektronenmikroskopischen Untersuchungen am lebens- frisch in Osmiums~turelSsung fixierten Hundeherzmuskel zeigten, dab die Kontinuit~t der Myofibrillen an den Glanzstreifen unterbrochen ist. Im Bereich der Glanzstreifen konnte ein sehr stark geschl~ngelt ver- laufendes, etwa 150--200 ~ breites, kontrastarmes, helles Band nach- gewiesen werden, das beiderseits yon dunklen Linien begleitet ist, die an der AuBenseite der Herzmuskelfasern direkt in das Sarkolemm fiber- gehen. Sie unterteilen also den Sarkolemmschlauch und grenzen auf diese Weise Einheiten der Herzmuskelfasern voneinander ab, die von einer Membran umschlossen sind, und die wir deshalb als Zellen be- zeichnen kSnnen. Bei treppenfSrmigen Glanzstreifen sind die einzelnen Stufen durch sarkolemmartige Strukturen miteinander verbunden. Die Glanzstreifen stellen also Zellgrenzen dar. Diese Zellgrenzen zeigen eine ganz charakteristische Struktur, die wohl durch die funktionelle Beanspruchung durch Zugkr~fte geformt ist. Vom S~rkolemm unter- scheiden sich die Glanzstreifen im Schnittpr~parat vor aUem durch ihre hochgradige Schl~ngelung. Dieser Schli~ngelung im Fl~chenbild ent- spricht eine zottig-faltige Oberfli~che im Raumbild (vgl. Abb. 9). Da- durch wird eine starke VergrSi~erung der Beriihrungsfl~che und eine innige Verzahnung der an einem Glanzstreifen zusammentreffenden Herzmuskelzellen bewirkt. Ferner erkennt man im elektronenmikro- skopischen Bild, dab tier Gl~nzstreifenmembran beiderseits eine kSrnige, dunkle, kontrastreiche Substanz angelagert ist. Diese dient rein

118 ~EINHARD I)OCHE und ERICH LINDNER:

offenbar zur Verankerung der an dieser Stelle in ihrem Verlauf unter- brochenen Filamente der Myofibrillen und stellt eine intracellul~re Kit t- substanz dar. In Abb. 9 ist das r~umliche Modell eines Glanzstreifens dargestellt. Bis auf die Schnittfl~che quer durch eine Herzmuskelfaser in H6he eines Glanzstreifens konnten wir alle in dem Modell darge- stellten Schnittfl~chen an unseren Pr~paraten belegen. Diese noch

Abb. 9. R~uml iehes Model] eines s tufenf6mnigen , b re i t en Glanzs t re i fens ,

hypothetische Schnittfliiche finder eine starke Stfitze an lichtmikro- skopischen Arbeiten, in denen die Glanzstreifen als durchl6cherte Scheiben dargestellt werden (vgl. K6R~ER 1937, AURELL 1945).

Bei Abschlu{~ unserer Untersuchungen wurden uns die Arbeiten von VAN BREEMEN (1953) und yon SJ(~STRAND und ANDERSSON (1954) zu- g~nglich. VAN BREEMEN kam auf Grund elektronenmikroskopischer Untersuchungen an den Glanzstreifen des Hundeherzens zu dem SchluB, dal3 sich das Herzmuskelgewebe aus einzelnen Zellen zusammensetzt und folglich kein echtes Syncytium darstellt. SJSSTRAI~D und ANDERS- SON untersuchten Herzmuskel yon Meerschweinchen, Maus und Frosch im Elektronenmikroskop und kamen zu dem Ergebnis, dab die Glanz- streifen speziell organisierte Zellgrenzen darstellen. Die Autoren zeigen in ihrer Ver6ffentlichung ein Bild vom Glanzstreifen des Meerschwein-

Zur Frage der Glanzstreifen des tterzmuskelgewebes. 119

ehenherzens, das in seinen wesentlichen Strukturmerkmalen den yon uns beobachteten Glanzstreifen des Herzmuskels vom Hund entspricht. Der Hauptunterschied besteht darin, dab auf dem Schnittpri~parat des Meerschweinchenherzens die Schl/s des hellen Bandes und der sie begleitenden dunklen Linien flacher verl/~uft als beim Herzmuskel des Hundes.

Unsere Untersuchungen am Froschherzmuskel ergaben, dab auch hier Strukturen vorkommen, die den Glanzstreifen des Warmblfiter- herzens entsprechen. Die Schli~ngelung der hellen Blinder und dunklen Linien ist beim Frosch jedoch noch weniger ausgeprs als in dem von SJSSTRAND und ANDERSSON gezeigten Bild des Meerschweinchen- herzens. MA~C~AU (1904) land bei vergleichenden Untersuchungen des Herzmuskels der Vertebraten, daI3 die Glanzstreifen bei den kleinen Si~ugern schm~ler seien als bei den groi~en Si~ugern und beim Menschen, w~hrend sie bei den Kaltbliitern gewShnlich fehlten. Wir kSnnen daraus schliei~en, dab mit zunehmender Breite der Glanzstreifen auch die Ver- zahnung der einzelnen Herzmuskelzellen um so st/irker ist, je hSher die betreffende Tierart in der Entwicklungsreihe steht.

Zusammeniassung. Der Herzmuskel der Wirbeltiere zeigt nach phasenkontrastmikro-

skopischen und elektronenmikroskopischen Untersuchungen am Hund und am Frosch morphologisch einen cellul/s Aufbau. Die Herzmuskel- zellen sind an den Ls durch das Sarkolemm begrenzt. Ihre Quergrenzen werden yon den Glanzstreifen gebildet, die am Rande einer Herzmuskelfaser direkt in das Sarkolemm iibergehen. Die Glanz- streifen zeigen eine besondere Struktur, die von dem Bild einfacher Zellgrenzen abweicht und offenbar als Anpassung an eine besondere funktionelle Beanspruchung angesehen werden kann. Sie bilden eine zottig-faltige Membran, die sich im Schnittpr~parat als kontrastarmes, belles, etwa 150--200 A breites Band darstellt, das beiderseits yon einer feinen dunklen Linie begleitet ist. Hierdurch wird eine VergrSi~erung der Beriihrungsfl~chen und eine innige Verzahnung der einzelnen Herz- muskelzellen bewirkt. Die HShe der Glanzstreifen und dementsprechend die Verzahnung der Herzmuskelzellen ist bei den einzelnen Tierarten offenbar um so grS[ter, je hSher die betreffende Art in der Ent- wicklungsreihe steht. Der zottig-faltigen Membran ist beiderseits eine kontrastreiche Substanz angelagert, die der Verankerung der an den Glanzstreifen endenden Myofibrillen dient und als intracellul~re Kitt- substanz bezeichnet wird.

Literatur. AEBY, C.: Z. rat. Med., 3. Reihe, 17, 195 (1863).- AURELL, G.: Die Glanz-

scheiben des Herzmuskelgewebes und ihre Verbindungen. Diss. med. Stockholm

1 2 0 R. POCHE und E. LII~DI~ER: Glanzstreifen des Herzmuskelgewebes.

1945. Uppsala: Almqvist & Wiksells Boktryckeri 1 9 4 5 . - BOER•EmPATzELT, D., u. W. LIPP: Z. Zellforsch. 34, 87--96 (1949). - - BORmES, B. v., u. J . HUP- rERTZ: 6. Tagg Dtsch. Ges. fiir Elektronenmikr. , Miinster 1955. - - BREEMEN, V. L. VAN: Anat. Ree. 117, 49--64 (1953). - -EBERrH, C. J . : Virchows Arch. 37, 100--124 (1866). - - E ~ , V. v.: Verh. anat . Ges. 1914, 1--10. - - KSR~E~, F.: Arch. Kreislaufforsch. 1, 358--376 (1937). - - MAac~Ag, F.: Ann. des Sci. natur . , VIII . s. Zool. 19, 191--365 (1904). - - SJSSTRA~D, F. S., u. E. ANDERSSO~: Experi- ent ia (Basel) 19, 369--370 (1954). - - S T U B L E R , E.." Zur Frage der Kit t l inien und der Fragmenta t ion der Herzmuskelfasern. Diss. med. Freiburg i. Br. 1917. - - ZEmE~, K. : Physiko-chemische Grundlagen der histologisehen Methodik. Dresden u. Leipzig: Theodor Steinkopff 1938.

Dr. I:~EINHARD POCttE, Diisseldoff, Path. Inst . d. Med. Akademie, Moorenstr. 5.