Verteilung und Struktur der Purkinje-Fasern im Herzen des Straußes (Struthio camelus) mit besonderen Hinweisen auf die Ultrastruktur

Abstract

Purkinje-Fasern oder Purkinje-Kardiomyozyten sind Teil des Gesamtkomplexes des kardialen Reizleitungssystems, das heute als spezifisches Herzmuskelgewebe klassifiziert wird und für die Erzeugung der Herzimpulse verantwortlich ist. Unter dem Gesichtspunkt ihrer Verteilung, Struktur und ultrastrukturellen Zusammensetzung des kardialen Reizleitungssystems im Straußenherz wurden mittels Licht- und Elektronenmikroskopie untersucht. Diese Zellen waren im kardialen Leitungssystem einschließlich SA-Knoten, AV-Knoten, His-Bündel und Verzweigungen sowie Endokard, Perikard, Myokard um die Koronararterien, Moderatorenbänder, weißes fibröses Blatt im rechten Atrium und linke septale Befestigung der AV-Klappe verteilt. Der größte Teil der Purkinje-Faser besteht aus klarem, strukturlosem Sarkoplasma, und die Myofibrillen sind meist auf einen dünnen Ring um die Peripherie der Zellen beschränkt. Sie haben einen oder mehrere große Zellkerne, die zentral in der Faser liegen. Ultrastrukturell sind sie leicht zu unterscheiden. Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist die fehlende Elektronendichte und das helle Aussehen aufgrund des Fehlens von organisierten Myofibrillen. P-Zellen haben in der Regel zwei Zellkerne mit einer Masse von kurzen, zarten Mikrofilamenten, die wahllos im Zytoplasma verstreut sind; sie enthalten kurze Sarkomere und myofibrilläre Insertionsplaques. Sie haben keine T-Tubuli.

1. Einleitung

Jan Evangelista Purkinje wurde am 18. Dezember 1787 in Libochovice (Böhmen) geboren. Zwischen seinem 35. und 63. Lebensjahr machte er seine bedeutendsten Entdeckungen. Gerade dieses Alter stellt im Allgemeinen das physiologische Maß der größten kreativen Wellen des Menschen dar. Von 1850 bis zu seinem Tod im Jahr 1869 arbeitete Purkinje im von ihm gegründeten Institut für Physiologie in Prag. Die Anschaffung des großen Plösl-Mikroskops im Jahre 1835 stellte einen wichtigen Wendepunkt für Purkinjes histologische und embryologische Forschungen dar. Purkinje veröffentlichte seine Entdeckung eines Teils des Erregungsleitungssystems des Herzens, das heute als Purkinje-Fasern oder Purkinje-Kardiomyozyten bezeichnet wird.

Tawara (1906) konnte proximal von den Purkinje-Fasern (P-Faser) zu den Nebenbündeln folgen, die, wie er organisierte, mit seinem Bündel verbunden waren. Danach stellte er fest, dass sein Bündel proximal mit einem gut ausgeprägten Fasergeflecht verbunden war (das er in seinem Buch als Knoten bezeichnete). Dies ist der arterioventrikuläre Knoten. Außerdem konnte er interdigitierende Verbindungen zwischen den Purkinje-Fasern und der ventrikulären Muskulatur, sowie zwischen dem Knoten und der arteriellen Muskulatur nachweisen. Die elektrische Aktivität des spezialisierten Leitungssystems des Hundeherzens wurde in situ durch am Endokard angebrachte Elektroden während eines totalen kardiopulmonalen Bypasses aufgezeichnet. Armiger et al. stellten fest, dass das Bindegewebe der Trabekel von Welpen und jungen Hunden wenig elastische Fasern hatte, aber dieses Element war im Bindegewebe der erwachsenen Hunde gut ausgedehnt. Die Trabekel älterer Hunde zeigten auch verteilte Herde extrazellulärer Fetttröpfchen, und ihre der Ventrikelwand am nächsten liegenden Junktionsbereiche waren oft stark mit Fett gefüllt. Die Purkinje-Zellen waren in jeder Gruppe einheitlich, unterschieden sich aber von Gruppe zu Gruppe.

Forsgren et al. stellten fest, dass sich im fötalen Rinderherz subendokardiale Zellbündel von der Hauptmyokardmasse abheben können. Ihre morphologischen Merkmale drücken aus, dass sie Bündel von Purkinje-Fasern darstellen. Eine starke Fluoreszenz nach Inkubation in Antiseren bis hin zum Intermediärfilament-Proteinskelett unterstützt diese Vermutung.

Eine vergleichende ultrastrukturelle Studie von bovinen Purkinje-Fasern und gewöhnlichen Myozyten während der fetalen Entwicklung wurde von Forsgren und Thornell durchgeführt.

Unterschiede zwischen den beiden Zelltypen in Bezug auf die beherbergte Scheibe, die Menge an Myofibrillen, die Abfolge der Mitochondrien, die Menge an Glykogen und die Bildung von T-Tubuli wurden allmählich deutlich. In allen untersuchten Stadien war eine Redundanz der Intermediärfilamente typisch für die Purkinje-Fasern. Myofibrilläre M-Bänder entwickelten sich in Purkinje-Fasern in einem früheren Stadium als in gewöhnlichen Myozyten. Myofilament-Polyribosomen-Komplexe, die typisch für adulte Kuh-Purkinje-Fasern sind, wurden in den fetalen Herzen nicht gesehen.

Das Straußenherz hat einige andere Merkmale als die anderen Vögel. Beim Strauß setzt das faserige Perikard als sternoperikardiales Ligament entlang der thorakalen Oberfläche des Brustbeins an. Der mittlere Rand der Muskelklappe hängt in den rechten Ventrikel hinunter und ist mit einem dicken Muskelstiel an dessen rauer Parietalwand befestigt. Die linke und rechte Pulmonalvene treten unabhängig voneinander in den linken Vorhof ein, und ihre Öffnungen wurden durch ein Septum vollständig voneinander getrennt. Im Herzen des Straußes wurden die Moderatorenbänder sowohl im rechten als auch im linken Ventrikel an unterschiedlichen Stellen gefunden. Der rechte Ventrikel weist ein sehniges Moderatorenband nahe der Ventrikelbasis auf, das sich vom Septum bis zur Muskelklappe erstreckt. Auch die Moderatorenbänder als sehnige, fadenförmige oder flache Bänder sind in der Regel etwa am Apex des rechten Ventrikels vorhanden, der sich vom Septum bis zur Parietalwand erstreckt. Im linken Ventrikel fanden sich einige sehnige Moderatorenbänder in der Nähe des Apex, der sich vom Septum zur Parietalwand und zwischen den Trabekeln der Parietalwand erstreckt.

Kardiovaskuläre Erkrankungen bei Mensch und Tier sind eine der Haupttodesursachen. Daher erfordert die korrekte Interpretation der Herzfunktion oder der Physiologie ein umfassendes Verständnis der Anatomie, der Histologie und des kardialen Reizleitungssystems. Die makroskopische und mikroskopische Anatomie des Herzens und seines Erregungsleitungssystems wurde bei mehreren Tierarten untersucht, aber es gibt keine umfassende Forschung über das Straußenherz (Struthio camelus). Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen in Zukunft als Basiswissen dienen.

2. Materialien und Methoden

2.1. Lichtmikroskopie

Fünf Herzen von gesunden männlichen Straußen wurden verwendet. Die Herzen wurden unmittelbar nach der Schlachtung im Schlachthof gesammelt. Das durchschnittliche Gewicht der Herzen betrug 1054,33 ± 172,34 g; die Länge der Längsachse betrug 19,33 ± 1,05 cm; und die Umfangslänge an der Koronarrinne betrug 35,66 ± 1,04 cm. Nach Entfernung des Herzbeutels wurden die Herzen mit normaler Kochsalzlösung gespült und anschließend für 72 Stunden in 10 %iges Puffer-Neutral-Formalin getaucht (der Apex der Ventrikel wurde abgeschnitten, um das Eindringen des Formalins in das Lumen zu ermöglichen). Der rechte und linke Vorhof, die rechte Muskelklappe und das interarterielle Septum wurden abgetrennt und in mehrere Segmente unterteilt. Jedes Segment wurde dehydriert, gereinigt und in Paraffin eingebettet. Serielle Schnitte von 6-8 Lm Dicke wurden geschnitten, montiert und mit H&E und grünem Masson’s Trichrom gefärbt.

2.2. Elektronenmikroskopie

Drei weitere Herzen wurden kurz nach der Schlachtung entnommen und zur Fixierung schnell in Karnovsky’s Lösung getaucht. Gewebewürfel (ca. 1 mm) wurden in 1% Osmiumtetroxid mit 0,1 m Phosphatpuffer nachfixiert. Die Präparate wurden in Ethanol dehydriert und in Epoxidharz eingebettet. Dünnschnitte (0,5-1 Lm) wurden mit Toluidinblau gefärbt, um die Lage des AV-Knotens zu identifizieren. Ultradünnschnitte (600A°) wurden auf Kupfergitter montiert und mit Uranylacetat und Bleizitrat gefärbt und mit einem Philips CM-10 Elektronenmikroskop untersucht und Elektromikrografien angefertigt.

3. Ergebnisse

Purkinje-Fasern im Straußenherz sind große spezialisierte Herzmuskelfasern. Sie haben einen viel größeren Durchmesser als normale Muskelfasern, etwa 5,5-16 µm. Die Anordnung der Komponenten in der P-Faser ist anders als bei Herzmuskelfasern. Der größte Teil der Faser besteht aus klarem, strukturlosem Sarkoplasma, und die Myofibrillen sind meist auf einen dünnen Ring um die Peripherie der Zellen beschränkt. Sie haben einen oder mehrere große Zellkerne, die sich zentral in der Faser befinden (Abbildung 1). Die P-Fasern im Herzen des Straußes waren weit verteilt. Überall in den endokardialen Schichten, insbesondere in der subendokardialen Schicht, sind zahlreiche P-Fasern, die in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind, zu sehen (Abbildung 2). Im Myokard, zwischen den Muskelbündeln, sind die P-Fasern zu sehen. Vom Netzwerk der P-Fasern, die in der Endothelschicht liegen, gehen zahlreiche Leitungsfaserbahnen nach außen. Diese Bahnen teilen sich auf und verlaufen zwischen den Muskelfaserbündeln, und schließlich finden sich die feinsten Unterteilungen der Bahnen, einzelne Purkinje-Fasern, innerhalb der Bündel in enger Verbindung mit den Muskelfasern. Diese Faserbahnen finden sich normalerweise in Verbindung mit den Ästen der Koronararterien (Abbildung 3). Die P-Fasern werden gelegentlich in der Epikardschicht gesehen, treten aber in der Ausstülpung des Epikards unter der Oberfläche des Myokards um die Koronararterien auf. In der rechten Ohrmuschel des Straußenherzens finden sich P-Fasern am häufigsten unter dem Endokard als einzelne Faser oder gut entwickelte Trakte. Letztere finden sich am häufigsten im Übergang der Ohrmuschel zum rechten Vorhof, und makroskopisch sind sie mit Faserbahnen in diesem Übergang (Abbildung 4).

Abbildung 1

Fotomikroskopische Aufnahme vom mikroskopischen Ort der Purkinje-Zelle in der endokardialen Schicht des Sinus venosus der linken Sinus-Arterien-Klappe im männlichen Straußenherz. Pfeil – Myofibrillenzellen.

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Abbildung 4

(a) Mikroskopische Aufnahme der fibrösen weißen Schicht zwischen den Pektinatmuskeln (PE) im rechten Vorhof (RA) im männlichen Straußenherz. Grünes Masson’s Trichrom: CT-Bindegewebsmasse, CO-Säulen von Purkinje-Zellen. (b) Mikroskopische Aufnahme der faserigen weißen Platte (WP) und zugehöriger Klauseln (Pfeil) im rechten Vorhof des männlichen Straußenherzens: RA-rechter Vorhof unten, PE-Schultermuskeln.

Das Leitungssystem des Herzens (Sinusknoten, Arterioventrikularknoten sein Bündel und seine Äste) besteht aus diesen Fasern. Die Struktur der P-Fasern variiert je nach dem Teil des Leitungssystems, in dem sie vorkommen. Der sinoatriale Knoten besteht aus P-Fasern und Intermediärfasern (die Fasern, die im Aussehen zwischen P-Fasern und Herzmuskelfasern liegen). Die P-Fasern befinden sich in der peripheren Region dieses Knotens und laufen von ihm weg. In der Anfangsphase ihrer Passage weg vom Knoten haben sie eine dicke Bindegewebsschicht (Abbildung 5).

Abbildung 5

Fotomikroskopische Aufnahme von der mikroskopischen Lage des Sinusknotens (SAN), mit P-Zellen (P), Übergangszellen (T) und Intermediärzellen (I). Pfeil-Endothelzellen in der oberflächlichen Sinuatrialklappe des Sinus venosus, grünes Masson-Trichom.

Der Atrioventrikularknoten besteht aus Fasern, die den P-Fasern mehr ähneln als den Herzmuskelfasern. Nach hinten hin verengt sich der AV-Knoten etwas und setzt sich als arterioventrikuläres (His-)Bündel fort (Abbildung 6). Dieses Bündel selbst ist aus einer großen Anzahl von P-Fasern aufgebaut. Drei Bündeläste (rechts/links und rekurrent) bestehen aus P-Fasern, die wie ein Strang angeordnet sind (Abbildung 7).

Abbildung 6

Indikativer Übergang des arterioventrikulären Knotens (AVN) und arterioventrikulären Bündels (AVB) im männlichen Straußenherz. Grünes Masson’s Trichrom.

Die Moderatorenbänder, die sich im rechten und linken Ventrikel des Straußenherzens befinden, bestehen nur aus dichtem, unregelmäßigem Bindegewebe, und die Purkinje-Zellen füllen den Kern der Moderatorenbänder aus. Es gab eine Zell-zu-Zell-Kommunikation zwischen Purkinje-Fasern innerhalb des Bündels. Die Purkinje-Zellen waren von einer Bindegewebshülle umgeben (Abbildung 8).

Abbildung 8

Fotomikroskopische Aufnahme von der mikroskopischen Stelle des linken Stiels im Verbindungsbereich zur Atrioventrikularklappe. CT-Bindegewebsmasse, P-Purkinje-Zellen, E-elastische Fasern, F-Fibroblastenzellen, C-Kollagenfasern, P-Parietalwand des rechten Ventrikels; H&E.

Der dicke muskuläre Stiel verbindet den peripheren Rand des muskulären rechten AV-Wertes mit dem arterio-ventrikulären Septum und der rauen Parietalwand des Ventrikels. Histologisch besteht er aus Purkinje-Fasern (Abbildung 9).

Abbildung 9

Das Herz des männlichen Straußes, mit Darstellung der anatomischen Lage der Atrioventrikularklappe. FR-Faserring, RA-Rechter Vorhof, IV-Interventrikularseptum, M-Rechte Muskelklappe, MS-Muskelstiel, AM-Verbindung zum linken Stiel.

Mit der Elektronenmikroskopie ist die P-Zelle leicht zu unterscheiden. Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist die fehlende Elektronendichte und das helle Erscheinungsbild, bedingt durch das Fehlen von organisierten Myofibrillen. P-Zellen haben in der Regel zwei Zellkerne mit einer Masse von kurzen, zarten Mikrofilamenten, die wahllos im Zytoplasma verstreut sind; sie enthalten kurze Sarkomere und myofibrilläre Insertionsplaques. Sie haben keine T-Tubuli (Abbildung 10).

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Abbildung 10

(a) Elektromikroskopische Aufnahme von zwei P-Zellen (P) stellt die gefaltete Membran (Pfeil) dar, Zellkern (N), Myofibrillen (M) und Mitochondrien (Mt). (b) Elektromikroskopischer Ausschnitt der P-Zelle, der das Leptomer (L) entlang der Myofibrille (M) zeigt.

4. Diskussion

Die Verteilung der Purkinje-Fasern wurde bei verschiedenen Säugetieren untersucht. Bei Säugetieren ist das Purkinje-Netzwerk im subendokardialen Bindegewebe der Herzkammern verteilt. Diese Netzwerke leiten die kardiale Erregung vom rechten und linken Hisbündel zum Myokard. Beim Menschen und beim Hund sind die Purkinje-Zellen des Netzwerks zylindrisch oder fusiförmig und in einem parallelen Muster angeordnet. Bei Huftieren (Schaf und Ziege) war die Kette der Purkinje-Zellen größer als die Myozyten, und 2-8 ovale Zellen bildeten dieses Netzwerk. Die Zellen verbinden sich untereinander durch Desmosomen und Gap Junction. Diese Zellen sind von einer dicken Hülle aus retikulären Fasern bedeckt. Bei Ratten und Mäusen waren die Purkinje-Zellen den ventrikulären Myozyten sehr ähnlich, sogar ein wenig kleiner. Sie haben eine zylindrische Form und sind in einem parallelen Muster organisiert, das sich mit den ventrikulären Myozyten im Endokard fortsetzt.

Verschiedene Aspekte der Histochemie der Purkinje-Fasern wurden von Getty und Gossrau untersucht. Die Beobachtungen von DiDio, Hirako sowie Sommer und Johnson zur allgemeinen Morphologie der gewöhnlichen und der Purkinje-Zellen des Hühnerherzens wurden bestätigt. Die Purkinje-Zellen des Geflügels sind in fast allen Aspekten denen der Säugetiere ähnlich. Sie haben keine stufenförmigen Interkalationsscheiben, sondern unregelmäßig angeordnete Bereiche der Membranapposition, die Desmosomen, myofibrilläre Insertionsplaques und große pentalaminäre Nexen besitzen. Ein transversales Tubulussystem ist nicht vorhanden, und das sarkoplasmatische Retikulum ist nur schwach entwickelt. Die wenigen Myofibrillen sind unregelmäßig angeordnet. In den Purkinje-Zellen wurden in dieser Studie rundliche Aggregate von Leptomeren beobachtet. Leptomere wurden zuvor von Hirako beschrieben, der annahm, dass sie eine aberrante Form von Muskelfibrillen darstellen, die während der Entwicklung entstehen. Dies ist unwahrscheinlich, da sie in fast allen Purkinje-Zellen vorhanden sind.

Es scheint vernünftig anzunehmen, dass sie mit der Bildung oder Zerstörung von Myofibrillen verbunden sind, da sie in Verbindung mit großen Massen von desorganisierten Filamenten und auch in Kontinuität mit scheinbar normalen Myofibrillen gesehen werden. Das Leitungssystem besteht aus dem sinoatrialen Knoten, dem atrioventrikulären Knoten und den Bündeln sowie einem hochkomplexen Netzwerk aus feinen Bündeln und Bahnen . Obwohl der SA-Knoten bei anderen Vögeln nachgewiesen wurde, gibt es immer noch Zweifel an seiner Position und sogar an seinem Vorhandensein als eigenständiger Knoten bei Vögeln . Aus physiologischen Beweisen wurde geschlossen, dass ein SA-Knoten in der Nähe des Endes der rechten Präkavalvene vorhanden ist. Der Knoten im Straußenherz besteht aus Fasern, die im Aussehen zwischen Muskelfasern und echten Purkinje-Fasern liegen. Peripher innerhalb des Knotens und von ihm weg verlaufend befinden sich mehrere echte P-Fasern. Die Verteilung der P-Fasern innerhalb der Vorhöfe im Straußenherz ist ähnlich wie die von Davis für die Taube beschriebene. Prakash hat festgestellt, dass die Vorhöfe frei von P-Fasern sind. In unserer Studie werden sie innerhalb des Myokards in Verbindung mit Blutgefäßen und gelegentlich im Epikard gefunden. Davis stellte fest, dass die aurikulären P-Fasern an der Basis der Ohrmuscheln enden und dass es keine Verbindungen zwischen ihnen und dem Rest des kardialen Leitungssystems gibt.

Beim Strauß liegt der AV-Knoten an der Basis des Aurikularseptums. Er liegt sehr nahe an der Verbindungsstelle von Vorhof- und Ventrikelseptum. Er besteht aus Fasern, die eher den P-Fasern ähneln als den myokardialen Muskelfasern und die nicht mit denen des SA-Knotens identisch sind. Wie Prakash berichtete, erstreckt sich das atrioventrikuläre Bündel in unserer Studie tief in das interventrikuläre Septum und verzweigt sich dann in einen rechten und einen linken Schenkel. Der letztere Ast teilt sich vom Netzwerk der P-Fasern ab. Die Beschreibung von Prakash stimmt nicht genau mit der von DiDio für die Taube und den Schwan überein, sondern ähnelt eher der von Drennan für den Strauß. In ähnlicher Weise unterscheidet sich die Beschreibung von Yousuf für das Herz des Passer in der Grundstruktur dieses Teils des Leitungssystems.

Eines der Merkmale von besonderem Interesse beim Straußenherz ist das Vorhandensein von Moderatorenbändern sowohl im rechten als auch im linken Ventrikel und an verschiedenen Stellen. Der rechte Ventrikel hat ein sehniges Moderatorenband um die Basis des Ventrikels, das sich von der Scheidewand bis zur Muskelklappe erstreckt. Auch die Moderatorenbänder befinden sich in der Regel um den Apex des rechten Ventrikels, die sich vom Septum zur Parietalwand erstrecken. Im linken Ventrikel gab es einige sehnige Moderatorenbänder in der Nähe des Apex, die sich vom Septum zur Parietalwand und zwischen den Trabekeln der Parietalwand erstrecken. Die Moderatorenbänder dienen dazu, eine Überdehnung zu verhindern und dienen als Weg für den Durchgang der Purkinje-Fasern durch das Lumen des Hohlraums und bilden einen Teil des Leitungssystems. Anatomisch unterscheidet sich die Lage des Moderatorbandes im rechten und linken Ventrikel des Straußenherzens von den anderen Tieren. Im rechten Ventrikel des Straußes gibt es keinen Papillarmuskel und das Moderatorenband setzt direkt an der ventralen Oberfläche der Muskelklappe vom Septum interventricularis an.

Beim Menschen erstreckt sich das Moderatorenband zwischen Septum interventricularis und freier Ventrikelwand und bei Haus- und Huftieren erstrecken sich diese Bänder vom Septum interventricularis bis zum Papillarmuskel und es gibt keine Verbindung zu den Ventrikelhöckern. Im linken Ventrikel des Straußes haben diese Bänder trotz des Vorhandenseins von Papillarmuskeln keine Verbindung zu ihnen. Die histologische Struktur der Moderatorenbänder zeigte, dass sie Muskelgewebe in verschiedenen Anteilen mit Binde- und Leitgewebe haben. Es ähnelt dem des menschlichen, Huftier-, Schaf- und Ziegenherzens, aber bei den Fleischfressern wurde nie ein echtes Moderatorenband gefunden. Unabhängig von der Größe und Form muss das Moderatorenband als der kürzeste Weg vom Interventrikelseptum zur freien Wand des linken und rechten Ventrikels beim Strauß und anderen Tieren betrachtet werden. Die Purkinje-Fasern sind groß und in den meisten zellulären Eigenschaften bei Strauß und Hund ähnlich, aber beim Strauß gibt es keinen perinukleären klaren Bereich. Es gibt wenig Glykogen in diesen Zellen, aber bei Menschen und Säugetieren sind diese Zellen reich an Glykogen . Die Purkinje-Fasern sind im Bündel mit Zell-zu-Zell-Kommunikation und wenig lateraler Kommunikation organisiert. Im Strauß gibt es eine Hülle aus Bindegewebe um die Purkinje-Zellen, aber beim Menschen und bei Säugetieren gibt es keine faserige Hülle um diese Zellen. Diese Organisation der Faserbündel erhöht die Ausbreitung der weitergeleiteten Impulse und hemmt die transversale Ausbreitung. Im rechten Ventrikel gibt es ein muskulotendinöses Moderatorenband um die Basis des Ventrikels, das sich vom Septum interventricularis bis zum Muskelstiel der Muskelklappe erstreckt. Es war einfach und manchmal verzweigt.

Anerkennung

Die Autoren sind dem Forschungsrat der Shiraz Universität für die finanzielle Unterstützung dankbar.