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Die Oberfläche des Endokards des Rattenherzens. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen
Beitr. Path. Bd. 14 8, 340 -359 (1973)
Original Papers
Abt. Pathologie der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen (Vorstand: Prof. Dr. ]. SCHOENMACKERS)
Die OberfHiche des Endokards des Rattenherzens. Rasterelektronenmikroskopische Un tersuch ungen * The Surface of the Endocardium of the Rat Heart. A Scanning Electron Microscopic Study H. Buss, H. H.
DAHM
und R.
LINDENFELSER
Mit 12 Abbildungen und 1 Tabelle . Eingegangen am 17. November 1972 . Angenommen am 27. November 1972
Abstract Introduction: The difficulties in the observation of the inner surface of blood vessels and heart mainly arise from the known preparation techniques ("Hautchen", replicas, surface light microscopy, freeze etching). Scanning electron microscopy may overcome some of these difficulties because of its great depth of focus and the possibility to study large surface areas. Material and Methods: 12 adult male Wi star rats were fixed by in vivo perfusion via the abdominal aorta with 3 % glutaraldehyde 3 % saccharose 3 % dextran (15 -20,000 m.w.) in phosphate buffer (0.1 m, pH 7.2) under ether anesthesia. The perfusion pressure was rOO-120 mm Hg. Tissue dehydration was performed through a graded alcohol series followed by drying in a vacuum chamber. After this the hearts were dissected and the specimens were coated with 100 A carbon and 300 A gold. They were observed with the ]SM-U 3 (Jeol) and the Stereos can (Cambridge). The number of the endothelial cell nuclei of the middle part of the septum (fig. 1-3) and of the latero-anterior wall of the left ventricle (fig. 4), the lateral wall of the right ventricle, the right atrium, and of the tricuspid, mitral, and aortic (fig. 10-12) valves have been determined in relation to a standard sut;face area of ro,ooo [1-2. The results were examined with the multiple comparison test of SCHEFFE (see table). It is suggested that a more active or passive motility of the heart structures results in a denser population of their endothelial cells. Results and Discussion: In some areas the endothelial cell borders are seen as a network of slightly elevated rims which correspond to the light microscopic lines after silver impregnation of the vessel endothelium (fig. 4). Some endothelial cells, especially on the aortic valves, possess microvilli or wart-like processes (fig. 6, 1 I). The endothelium of the
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* Mit Unterstiitzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Oberfhiche des Endokards .
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aortic valves may have pseudopode-like protrusions of the cytoplasm, too (fig. 12). The relief of the subendothelial connective tissue fibers and myocardial fibers can be detected through the thin cytoplasm of the endothelial cells (fig. 2, 3, 7, 9). The myocardial fibers exhibit their cross-banding if the connective tissue is very thin (fig. 3). The connective tissue fibers may be devided into thin (less than 0.5 !J- in diameter; fig. 3) and thick (1-I.5 !Jin diameter; fig. 7, 9) fibers which are probably solitary reticulum or collagen fibers respectively bundles of them. The fiber direction varies in relation to the blood stream or to the myocardial fibers in different localizations (fig. 3,7, 9). Thus, not only tension forces but also some other factors may influence the position of the endocardial fibers. Some bands consisting of crossly arranged rolls (fig. 2, 3) may be the effect of shrunk elastic fibers.
Die Beschaffenheit des Strombahnufers ist beispielsweise fur die Pathogenese der Thrombose oder der Arteriosklerose von groBer Bedeutung. Es ist zu vermuten, daB dabei gerade die Struktur der Grenzflache zum BIut hin - also des Endothels - einfluBreich ist. Deshalb haben wir endotheliale Oberflachen von Herz und GefaBen studiert. Die Endotheloberflache von GefaBen wurde bisher mit Hilfe von Hautchenpraparaten (SINAPIUS, I952; ER OBAZE und WARREN, I965; PAYLING WRIGHT, I968), von Oberflachenabdrucken (WOLF, zit. nach ALTSCHUL, I954) oder mit dem Auflicht- und Interferenzmikroskop (LrNZBACH und HORT, I957), kurzlich auch mit der Gefrieratztechnik (LEAK, I97I) untersucht. Wenn schon die Praparation groBflachiger Hautchen des glatten Aortenendothels kaum gelingt (SINAPIUS, I952), so ist die Darstellung des unregelmaBigen Reliefs des Endokards mit den genannten Methoden noch schwieriger. Deshalb enthalt die altere Literatur kaum Angaben zur Oberflachenstruktur des Endokards. Die Rasterelektronenmikroskopie gestattet die Untersuchung groBer zusammenhangender Flachen und erlaubt durch ihre Tiefenscharfe die Darstellung hoher Reliefstrukturen auch bei starken VergroBerungen. Daher wurde diese Technik schnell aufgegriffen, urn das Innenrelief von GefaBen zu studieren (Dbersicht s. Buss, I973). Es liegen auch erste Befunde vom Endokard vor (WEBER et aI., I970; WALTON et aI., I970)' die unten diskutiert werden. Dber qualitative und quantitative Untersuchungen am Endokard wurde von uns schon berichtet (Buss, LINDENFELSER, DAHM, I 97 I); das Endokard des Rattenherzens solI jetzt eingehender dargestellt werden.
Material und Methode 12 mannliche Wistar-Ratten von 180-250 g Gewicht, die unter tiblichen Laborbedingungen lebten, wurden in Athernarkose tiber die Aorta abdominalis mit einem Gemisch von 3% Glutaraldehyd 3% Saccharose 3% Dextran (15-20000 MG) in Phosphatpuffer (0,1 M, pH 7,2) bei 100-120 mm Hg perfundiert.
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342 . H. Buss, H. H. DAHM und R. LINDENFELSER Die in maBiger Dilatation fixierten Herzen wurden nach weiterer 2sttindiger Inkubationsfixierung im Phosphatpuffer gesptilt und tiber eine aufsteigende Alkoholreihe entwassert. Ihre Trocknung erfolgte im Vakuumschrank. Danach wurden die mit dem Endokard nach oben orientierten Praparate in der Hochvakuumbedampfungsanlage BA 360 G (Fa. Balzers) unter Verwendung des Drehpendeleinsatzes und der SchwingquarzSchichtdickenmeBeinrichtung mit einer Schicht aus roo A Kohle und 300 A Gold bedampft. Die Untersuchung geschah mit dem Gerat JSM- U 3 (Fa. Jeol) * und dem Stereoscan (Fa. Cambridge) *. Die Verteilung der Endothelzellen wurde in erster Linie an Aufnahmen ohne starkere Schragprojektion bei etwa 5oofacher, dane ben auch bei etwa 15 oofacher VergroBerung analysiert. Insgesamt wurden 56 Aufnahmen ausgezahlt, die eine Gesamtflache von etwa 280 X ro 4 [L2 reprasentieren. Dabei wurden die Endothelzellkerne pro Bild ohne Kenntnis der topischen Herkunft gezahlt. Urn einen Vergleich der Werte untereinander Zu ermoglichen, wurde die Kernzahl auf I X 104 [L2 bezogen. Diese errechneten Werte ordneten wir entsprechend ihrer Lokalisation zu Gruppen, deren Mittelwerte nach der Methode von SCHEFFE (s. MILLER, 1966) einem multiplen Vergleich unterzogen wurden. E ine Signifikanz wurde bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit kleiner als 5% angenommen**. Die Oberflache des Septums unterhalb der linken Ausflul3bahn, der Ausflul3bahn selbst, der lateralen und vorderen Wand sowie der Spitze der linken Herzkammer, des rechten Vorhofes, der rechten lateralen Kammerwand sowie der Aorten-, Mitral- und Trikuspidalklappe wurden untersucht.
Ergebnisse Linker Ventrikel Das Septum unterhalb der AusfluBbahn (Abb. 1-3) zeigt in der Aufsicht eine ziemlich glatte Oberflache mit locker angeordneten Endothelzellkernen, die sich linsenformig Bach vorwolben und etwa den doppelten Durchmesser eines Erythrozyten besitzen. Die mittlere Kernzahl pro 1 X 104 fL 2 betragt 23,9 ± 2,5. Daneben kommen einige spindelige Kerne vor, die oft in Einsenkungen zwischen zwei M yokardfasern und eindeutig unter den linsenformigen Endothelkernen liegen (Abb. 2). Wahrscheinlich sind es Fibrozytenkerne. Zellgrenzen des Endothels sind in der Regel nicht zu erkennen. Die Myokardfasern bilden ein Flachrelief (Abb. I) mit deutlich erkennbarer charakteristischer Querrippung (Abb. 2, vgI. Buss et aI., 1971). Ihre Verlaufsrichtung wechselt, senkrechte Uberschneidungen und mehr-
* Herrn Dr. BURCHARD (Gemeinschaftslabor ftir Elektronenmikroskopie der RWTH) und Herrn Prof. Dr. SIEMES (Institut ftir Mineralogie der RWTH) sei herzlich ftir die Dberlassung der Gerate gedankt. ** Mit dankenswerter Untersttitzung durch Herrn Dr. BRUNNER (Abt. Medizinische Statistik und Dokumentation der RWTH).
Oberflache des Endokards . 343
Abb. I. Linker Ventrikel, Septum: Die in unterschiedlicher Richtung verlaufenden M yokardfasern bilden ein Flachrelief. Aufliegend zahlreiche Erythrozyten. /' = Falten, die wohl Schrumpfungsartefakte sind. Archiv-Nr. 57/7I / r6.: E ndvergr. 250 x . Fig. I. Left ventricle, septum: The myocardial fibers run in various directions and form a flat relief. Many erythrocytes on the surface. / ' = Folds which are believed to be shrinking artifacts. x 250.
fache Aufzweigungen sind haufig. Welche Fasern dem Reizleitungssystem angehoren, kann nicht entschieden werden. Die M yokardfasern werden von einigen dunnen subendothelialen Fasern, deren Durchmesser weniger als 0,5 f1. betragt, in unterschiedlicher Richtung uberzogen (Abb. 3). Wir bezeichnen sie als "dunne Fasern", im Gegensatz zu "dicken Fasern", die unten beschrieben werden. Meist liegen diese "dunnen Fasern" quer oder schrag zur Richtung der Myokardfasern und lassen manchmal scherenfbr-
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Abb. 2. Linker Ventrikel, Septum: Linsenformige Endothelzellkerne (E) in groBerem Abstand voneinander (vgl. Abb. 4, 10). Spindelformige Fibrozytenkerne (F) liegen unter den Endothelzellkernen (/ ). Bandartig angeordnete Querwulste (Q) werden gleichfalls von Endothelzellkernen bedeckt (/ /). Die Querrippung der Myokardfasern ist deutlich erkennbar, anliegend Erythrozyten. Archiv-Nr.: 57171 / 21, Endvergr. 1200 x. Fig. 2. Left ventricle, septum: lens-shaped endothelial cell nuclei (E) in a greater distance from each other (compare fig. 4, 10). Spindle-shaped nuclei of fibrocytes (F) lie under the endothelial nuclei (/). Bands of crossly arranged rolls (Q) are covered by endothelial nuclei (/ /), too. Cross-banding of the myocardial fibers is clearly visible. Some erythrocytes on the surface. X 1,200.
mige Anordnung erkennen. Daneben treten bandartig angeordnete, dieht nebeneinander liegende subendotheliale Querwiilste hervor, die bis zu 10 [L breit sind (Abb. 2, 3) und schrag oder in Langsriehtung zum Verlauf der
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Abb. 3. Linker Ventrikel, Septum: E = Endothelzellkerne. Bandartig angeo rdnete QuerwUlste (Q) und "dUnne Fasern" (/') in wechselnder Richtung verlaufend. Archiv-Nr.: 57/71 /18, E ndvergr. 1200 x . Fig. 3. Left ventricle, septum: E = Nuclei of endothelial cells. Bands of crossly arranged rolls (Q) and "thin fibers" (/') lie in varying directions. X 1,200.
Myokardfasern liegen. Sowohl die "diinnen Fasern" als auch die bandartig angeordneten Querwiilste werden an verschiedenen Stellen von Endothelzellkernen iiberdeckt. Dariiber hinaus sind manchmal unregelmaBige Endothelfalten zu beobachten, die wohl Schrumpfungsartefakte sind (Abb. 1). An der lateralen und vorderen Wand sind die Endothelkerne wesentlich dichter angeordnet (Abb. 4), die mittlere Kernzahl pro 1 X 104 fL2 betragt 33,5 ± 3,2 und liegt damit signifikant iiber der mittleren Kernzahl des Septumendokards (s. Tab.). An mehreren Stellen sind schmale, leistenformig erhabene Linien zu sehen, die mehreckige Felder mit einem meist zen-
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Abb. 4. Linker Ventrikel, laterale Wand: EndothelzellkErne (E ) dichter liegend als am Septum (vgl. Abb. z), Zellgrenzen springen leistenartig vor (/ ). Querrippung der Myokardfasern nicht erkennbar. Archiv-Nr. : 41/71 / 14, Endvergr. IZOO X . Fig. 4. Left ventricle, lateral wall : Nuclei of the endothelium (E) lie in shorter distances to eachother than on the surface of the septum (compare fig. z), the cell borders of the endothelium are seen as slightly elevated rims (/). The cross-banding of the myocardial fibers is not discernible. X I,ZOO.
tralen Endothelzellkern begrenzen (Abb. 4). Diese Grenzleisten sind wohl das Aquivalent des lichtmikroskopisch durch Versilberung darstellbaren Liniennetzes. Unterhalb des Endothels liegt ein Gewebe dicht gelagerter "dunner Fasern". Die bandartigen Querwulste sind seltener als am Septum. Die M yokardfasern treten dagegen starker hervor als am Septum und konnen als Trabekel das Lumen frei durchziehen. Ihre Querrippung ist meist wegen des subendothelialen Fasergeflechtes nicht zu erkennen.
Oberfliiche des Endokards . 347
Abb. 5. Linke Ventrikelspitze: Weitmaschiges Netzwerk der Trabekel. Dichtere Anordnung der Endothelzellkerne auf dUnnen Trabekeln (links oben im Bild) im Vergleich zu breiteren Trabekeln (unt~n im Bild). Archiv-Nr.: 2 r/7r/3, Endvergr. 200 X. Fig. 5. Apex of the left ventricle: Wide meshes of the trabecular network. Dense arrangement of the endothelial cell nuclei on thin trabeculae (upper left of the figure) in relation to the broader trabeculae (lower part of the figure). X 200.
In der Spitze des linken Ventrikels bildet die Trabekelmuskulatur ein weitmaschiges Netzwerk (Abb. 5) mit unterschiedlich dichtem Besatz an Endothelkernen. In einigen Nischen liegen sie wie etwa am Septum in weitern Abstand voneinander, auf dunnen Trabekeln konnen sie dagegen sehr dicht, mosaikartig angeordnet sein. Einige Endothelzellen zeigen Mikrovilli (Abb. 6). Die Querrippung der Myokardfasern tritt nur selten hervor, da sie von einem dichteren subendothelialen Bindegewebe maskiert wird. Dies Bindegewebe enthalt neb en "dunnen Fasern" auch "dicke Fasern" 23
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Abb. 6. Linke Ventrikelspitze: Endothelzellen mit Mikrovilli. Archiv-Nr.: 43171/22, Endvergr. 12400 X. Fig. 6. Apex of the left ventricle: Endothelial cells with microvilli. X 12,400.
von 1-1,5 [L Durchmesser (Abb. 7). Sie umgreifen die Trabekel oft reifartig, an Teilungsstellen der Trabekel konnen sie auch schrag oder hngs zu ihnen verlaufen. Bandartige Querwiilste sind kaum zu sehen. Die "dicken Fasern" sowie auch feine Muskelstrange konnen kleine Nischen bilden, in denen einige Erythrozyten Platz finden (Abb. 8). Die subvalvulare Ausflujbahn des linken Ventrikels zeichnet sich durch sehr dicht liegende "dicke Fasern" aus, die der Oberflache eine waschbrettartige Struktur geben (Abb. 9). Die Fasern verlaufen in Richtung des Blutstromes. Endothelzellkerne sind - wahrscheinlich aufgrund dieser Oberflachenstruktur - nur schwer abzugrenzen.
Oberflache des E ndokards . 349
Ab. 7. AusschnittvergroBerung aus Abb. 5: E = Endothelzellkerne etwas unregelmal3ig angeordnet. /' = "dicke Fasern" qu er, schrag und liings zur Verlaufsrichtung der TraI:ekelliegend. Archiv-Nr.: 21/71,/1, E ndvergr. lID O x. Fig. 7. Hig her magnification from fi g. 5: E = Endo theli al cell nuclei being somewhat irregular arranged. /' = " thick fibers" running across, oblique or alo ng the trabeculae. X 1,1 00.
Rechter Vorhof Die Endothelzellkerne walben sich meist starker vor als im linken Ventrike!' Sie sind besonders dort, wo die Trabekel kraftiger hervortreten, unterschiedlich dicht angeordnet. Die mittlere Kernzahl pro I X 10 4 fL 2 betragt 26,0 ± 2,0 und unterscheidet sich damit nicht signifikant von der linken Seite des Septums (s. Tab.). Unterhalb des Endothels liegen "diinne" llnd "dicke Fasern" in unterschiedlicher Anordnung und Dichte. Die Querrippung der subendokardialen Myokardfasern ist nicht zu erkennen.
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Abb. 8. Linke Ventrikelspitze: Trabekel und "dicke Fasern" bilden kleine Nischen, in denen Erythrocyten liegen. Einige Endothelzellen besitzen Mikrovilli (/'). Archiv-Nr.: 43/71/12, Endvergr. 2700 x. Fig. 8. Apex of the left ventricle: Trabeculae and "thick fibers" form small niches in which erythrocytes lie. Some endothelial cells possess microvilli (/'). X 2,700.
Rechter Ventrikel Die rechte Kammer hat am Septum, an der lateralen Wand und in der Spitze ein prinzipiell gleichartiges Relief wie die linke Kammer. Unterschiede bestehen insofern, als die mittlere Zahl der Endothelzellkerne pro I X 10 4 [1.2 an der lateralen rechten Kammerwand nur 23,3 ± 3,4 betragt und sich somit nicht signifikant vom rechten Vorhof und von der linken Seite des Septums unterscheidet, dagegen signifikant niedriger ist als die
Oberflache des Endokards . 3 5 I
Abb. 9. Linker Ventrikel, subvalvulare Ausflul3bahn: Zahlreiche "dicke Fasern" geben der Oberfliiche ein waschbrettartiges Aussehen. E = Endothelzellkerne sind schwer zu differenzieren. Archiv-Nr. : 56/71/21, E ndvergr. 1200 X . Fig. 9. Left ventricle, subvalvular outflow: Many "thick fibers" give rise to a washboardlike surface structure. E = Nuclei of the endothelium are hardly to be differenciated. X 1,200.
Kernzahl fiir die laterale Wand der linken Kammer (s. Tab.). Die dem Silberliniennetz entsprechenden Leisten sind an verschiedenen Stellen zu beobachten. Die rechte Seite des Septums weist mehr subendotheliale Bindegewebsfasern auf als die linke, so daB die Querrippung der subendokardialen M yokardfasern rechts undeutlich ist. Gfter sind bandartig angeordnete Querwiilste (vgl. Abb. 2, 3) auf der Trabekelmuskulatur des rechten Ventrikels zu sehen.
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Abb. 10. Aortenklappe: Der SchlieBungsrand ist mosaikartig mit Endothelzellen besetzt (E). Archiv-Nr.: 65/7r/6, Endvergr. 700 x. Fig. ro. Aortic valve: The nuclei of the endothelium (E) cover the free margin of the valve like a mosaic. X 700.
Herzklappen Aorten-, Mitral- und Trikuspidalklappe haben einen wesentlich dichteren Endothelzellbesatz als das iibrige Endokard (s. Tab.). Die mittlere Kernzahl pro I X 10 4 [1.2 der Trikuspidalklappe betragt 43,0 ± 4,8, die der Mitralis 53,9 ± 3,7 und die der Aortenklappe sogar 78,2 ± 9,3. Sie unterscheiden sich in dieser Hinsicht also auch untereinander signifikant. Auf den Klappen gibt es ebenfalls topische Unterschiede in der Anordnung der Endothelzell-
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Abb. II. Aortenklappe: Kurze Mikrovilli und warzenformige Fortsatze der Endothelzellen in der Nahe des SchlieBungsrandes. Archiv-Nr.: 6717IjII, Endvergr. 4300 x. Fig. II. Aortic valve: Short microvilli and ward-like processes of the endothelial cells near the free margin. X 4,300.
kerne: am SchlieBungsrand besteht oft ein sehr dichter, mosaikartiger Zellbesatz (Abb. 10), zur Klappenbasis hin liegen die Kerne weiter auseinander. Die Endothelzellkerne wolben sich starker vor, sie sind oft spindelfOrmig. Interessanterweise zeigen die Endothelzellen der Aortenklappen after als das ventrikulare Endothel Mikrovilli oder haben multiple warzenformige Fortsatze (Abb. I I, vgl. Abb. 6). Einige Zellen besitzen plumpe pseudo-
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Abb. 12. Ausschnittvergrof3erung aus Abb. I I: Pseudopodienartige Fortsatze einer Endothelzelle und zahlreiche kleine Einsenkungen ihrer Oberfhche. Archiv-Nr.: 67/71/ 10, Endvergr. 13,400 X. Fig. 12. Higher magnification from fig. I I: Pseudopod-like processes of an endothelial cell and many little pits on its surface. X 13,400.
podienartige Fortsatze oder eben erkennbare Einsenkungen ihrer Oberflache (Abb. 12). Dort, wo die Endothelzellen weniger dicht gelagert sind, lassen alle Klappen dicht gelagerte "dicke Fasern" erkennen, die meist parallel zum Klappenrand - also quer zum Blutstrom - verlaufen. Daneben laBt sich auch oft ein Gewebe dicht gelagerter "dunner Fasern" darstellen.
Oberflache des Endokards . 3 5 5
Diskussion Das rasterelektronenmikroskopisch dargestellte Oberflachenrelief des Endokards ist zunachst einmal daraufhin zu prufen, inwieweit es durch Artefakte beeinfluBt wurde. Nach WEBER et al. (1970) hat das parietale Endokard der linken Herzkammer des Meerschweinchens ein grobes Faltenrelief mit tiefen Furchen und zahlreichen Taschen. Auch an der Mitralklappe dieser Herzen zeigen sie sehr viel unregelma13igere Strukturen als bei der Ratte. Ein Teil dieser Strukturen ist wohl dadurch bedingt, daB jene Autoren herausgeschnittene Herzstucke fixierten. Wir haben dagegen die Rattenherzen in vivo unter physiologischem Druck mit Glutaraldehyd perfundiert, wodurch starke Kontraktionen vermieden wurden. Wenn nach Perfusionsfixierung in der Ventrikelspitze noch Nischen bestehen (Abb. 8), durften sie wohl den anatomischen Verhaltnissen entsprechen. Die von WALTON et al. (1970) abgebildeten menschlichen Herzklappen lassen nur undeutlich abgrenzbare Endothelkerne erkennen, groBere Flachen sind auch frei von Zellkernen. Diese Oberflachenstrukturen entsprechen autolytischen Veranderungen des Endothels, wie wir sie auch kennen (unveroffentlicht). AuBerdem konnen durch Spulung mit Aqua dest. und Gefriertrocknung bei nur -300 C an diesen Klappen Artefakte entstanden sein. LINZBACH und HaRT (1957) konnten auflichtmikroskopisch nachweisen, daB sowohl die Kerne des GefaBendothels als auch das Linienmuster seiner Zellgrenzen erst im Verlauf der Gewebstrocknung hervortreten. Entsprechend durfte zumindest ein Teil des rasterelektronenmikroskopisch dargestellten Oberflachenreliefs erst im Verlauf der Entwasserung und Trocknung auftreten. Die Trocknung bedingt auch groBflachige Deformierungen oder Verwerfungen der Herzklappen. Diese konnten wir selbst dann nicht vermeiden, wenn die Herzen erst nach der Dehydrierung zerlegt wurden. Die Deformierungen lassen nur selten eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung groBerer ebener Flachen zu, wie sie fur die Bestimmung der Kernzahl notig ist. Der Schrumpfungsfaktor der verschiedenen Gewebsarten des Herzens scheint in gewissen Grenzen gleich zu sein, so daB die hier festgestellten Kernzahlen pro Flacheneinheit denen des unfixierten Endokards proportional sein konnen. Die Endothelzellkerne des Endokards wolben sich uberwiegend linsenformig, auf der Trabekelmuskulatur und auf den Herzklappen auch spindelformig vor und sind sehr regelma13ig gestaltet. 1m Gegensatz dazu ist z. B. die Aorta mit einem Endothel ausgekleidet, das eine ortlich sehr unterschiedliche Zelldichte sowie eine ausgesprochene Kernpolymorphie oder
356 . H. Buss, H. H. DAHM und R. LINDENFELSER Tabelle. Verteilung der Endothelzellkerne des Endokards der Ratte: Mittlere Kernzahlen pro 1 X 10 4 iL 2 und multipler Vergleich nach SCHEFFE Nr. 2 4 5 6 7
Lokalisation
Ii. Ventrikel, Septum Ii. lat. Ventrikelwand reo Vorhof reo lat. Ventrikelwand Trikuspidalklappe Mitralklappe Ao rtenkiappe
n
x± s
II
23.9 ± 2,48 33,5 ± 3,21
8 12 10
7
26,0± 1,98
23,3 ± 3,39 43,O±4,79 53>9 ± 3,66 78,2± 9,27
p < 0,05 1-2 2-6 1-5 2-7 1-6 3-5 1-7 3-6 2-3 3-7 2-4 4-5 2-5 4-6
p > 0,05 4-7 5-6 5-7 6-7
1-3 1-4 3-4
sogar eine Mehrkernigkeit aufweist (SINAPIUS, 1952). Eine so untersehiedHehe Zellanordnung benaehbarter Areale sahen wir nur andeutungsweise auf Trabekeln der Ventrikelspitze. Kernzahlungen beweisen jedoeh aueh regionale Untersehiede der Endothelzelldiehte des Endokards (s. Tab.). So besitzt die laterale Wand des linken Ventrikels mit ihrer groBeren diastoliseh-systolisehen Exkursion eine signifikant hohere Kernzahl pro Flaeheneinheit als das Septum. Die passiv im Blutstrom flottierende Aortenklappe tragt mehr als doppelt soviel Zellkerne pro Flaeheneinheit als das Septum des linken Ventrikels. Frei liegende Trabekelmuskel sind erheblieh dichter mit Endothelzellen bedeekt als die Kammerwand unmittelbar daneben. Man konnte die erhohte Kernzahl der lateralen Wand des linken Ventrikels als Ausdruek einer gewissen "Endothelreserve" zum Ausgleich der diastoliseh-systoliseh wechselnden GroBe der Oberflaehe ansehen. An Sehnenfaden und Klappen sowie einzelnen Trabekeln lieBe sich die hohe Zelldichte vielleicht mit meehanischen Belastungen durch Sehwingungen oder Blutstromung erklaren. Die Werte lassen sich also vielleicht so deuten, daB starkere aktive oder passive Bewegliehkeit eine hohere Zelldichte nach sieh zieht. Endokardiale Endothelzellen haben after mikrovillose Zellfortsatze (Abb. 6), die an den Klappen hiiufiger sind und selbst am SehlieBungsrand der Aortenklappe (Abb. 11) in groBerer Anzahl vorliegen konnen. Mikrovilli wurden durehstrahlungselektronenmikroskopiseh an der Mitralis des Kiikens (MITOMO et aI., 1969) und am Endothel mensehlicher Herzohren (LANNIGAN und ZAKI, 1966) besehrieben. Rasterelektronenmikroskopiseh fanden SMITH et aI. (1971) in der Pulmonalarterie des Hundes endotheliale Mikrovilli. Sie diskutieren, daB die Mikrovilli die Stromung des Blutes am arteriellen Strombahnufer so stark verlangsamen, daB eine Pinozytose ermoglieht wird.
Oberflache des Endokards . 357
Die an verschiedenen Stellen des Endokards hervortretenden Grenzleisten (Abb. 4) entsprechen den aus der Lichtmikroskopie bekannten Silberlinien (vgl. SINAPIUS, 1952; LINZBACH und HORT, 1957). Ein gleiches Netz aus Leisten wurde rasterelektronenmikroskopisch nach Versilberung von G ARBARSCH et al. (1970) an der Kaninchenaorta nachgewiesen. Die unterschiedliche Darstellbarkeit oder das Fehlen des Linienmusters am GefaBendothel ist bekannt (SINAPIUS, 1952; LINZBACH und HORT, 1957) und kann von uns fUr das Endokard der Ratte bestatigt werden. MELAX und LEESON (1967) haben in den Ventrikeln des Rattenherzens nur ein hochstens I [J. dickes subendotheliales Bindegewebe festgestellt. Die Kollagenfasern sollen einzeln oder gebundelt liegen und in unterschiedlicher Richtung verlaufen. In unseren Praparaten wolbten sich Profile des subendothelialen Bindegewebes und der Myokardfasern durch das dunne Zytoplasma des Endothels hindurch vor. Zwei Fasertypen lassen sich unterscheiden: "dunne Fasern", die weniger als 0,5 [J. dick sind, und "dicke Fasern", die einen Durchmesser von 1-1,5 [J. und mehr aufweisen (Abb. 2, 3, 9). Die Natur dieser Fasern kann rasterelektronenmikroskopisch noch nicht analysiert werden. Es liegt allerdings nahe, die "dunnen Fasern" fUr Retikulum- und Kollagenfasern zu halten, wahrend die "dicken Fasern" wohl Bundel aus diesen Fasern sind. Die bandartigen Querwulste (Abb. 2, 3) konnten durch elastische Fasern bedingt sein. MELAX und LEESON (1967) sahen durchstrahlungselektronenmikroskopisch zwar im Rattenendokard elastische Fasern nur am Abgang der Aorta, ihr Nachweis im Ultradunnschnitt kann aber wegen der sehr lockeren Anordnung nicht gelungen sein. CANDIOLLO (1963) sah namlich durchstrahlungselektronenmikroskopisch auch im Endokard des Papillarmuskels der Ratte elastische Fasern. Das subendotheliale Bindegewebe ist auf der linken Seite des Septums unterhalb der AusfluBbahn so dunn, daB rasterelektronenmikroskopisch die Querrippung der darunter liegenden Myokardfasern erkennbar wird (Abb. 2, 3). In der AusfluBbahn des linken Ventrikels werden die Myokardfasern dagegen durch dicht liegende, dicke Faserbundel verdeckt, die in kranio-kaudaler Richtung - also etwa parallel zum Blutstrom - liegen (Abb. 9). Die Herzklappen besitzen ahnlich dicke Faserbundel, die meist parallel zum SchlieBungsrand - also quer zur Blutstromung - angeordnet sind. Die Trabekel werden oft faBringartig von Bindegewebsfasern umschlossen, es gibt auf ihnen jedoch auch schrag oder langs gerichtete Fasern (Abb. 7). Laterale Wand des linken Ventrikels und rechter Vorhof scheinen ein Geflecht von subendothelialen Bindegewebsfasern zu besitzen. Nach BENNINGHOFF (1930) wird die Dicke des Endokards nicht durch die Hohe des Blutdruckes, sondern durch die jeweilige Dehnung reguliert,
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die Anordnung der Fasern richtet sich nach der Zugspannung, die der Blutstrom erzeugt. Das rasterelektronenmikroskopische BUd der Aortenklappe entspricht dieser Betrachtungsweise. Der Faserverlauf auf der Trabekelmuskulatur liiBt aber eher an eine Haltefunktion nach Art einer Muskelfaszie denken. Deshalb sollten auch andere Faktoren, die den Faserverlauf im E ndokard beeinflussen kbnnen, erwogen werden. Eine Korrelation solcher Parameter mit der brtlichen Oberfliichenstruktur des Endokards muB allerdings das Ziel kunftiger Untersuchungen bleiben.
Zusammenfassung Die Oberflache des Endokards von Rattenherzen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Besonders gut lassen sich die Endothelzellkerne des Endokards darstellen. Ihre Verteilungsdichte variiert in Abhangigkeit von der Lokalisation. Morphometrische Untersuchungen ergeben z.B. die niedrigsten Werte (etwa 25 Kerne pro 10000 1L2) fur den rechten Vorhof, rechten Ventrikel und das Septum unterhalb der linken AusfluBbahn, wah rend die Aortenklappen mit etwa 80 Kernen pro IooooIL2 einen mehr als 3mal so dichten Zellbesatz zeigen. Es wird vermutet, daB starkere aktive oder passive Beweglichkeit eines Herzteiles eine hohere Zelldichte des endokardialen Endothels nach sich zieht. An verschiedenen Stellen bilden die endothelialen Zellgrenzen ein leistenartig hervortretendes Netzwerk, welches dem lichtmikroskopisch bekannten Silberliniennetz des GefaBendothels entspricht. Ein Teil der Endothelzellen besitzt Mikrovilli. Durch das dunne Cytoplasma des Endothels treten subendotheliale Bindegewebsfasern und Myokardfasern hervor, die letzteren lassen an manchen Stellen ihre Querrippung erkennen. Die Bindegewebsfasern konnen in dunne (weniger als 0,5 IL Durchmesser) und dicke (1-1,5 IL Durchmesser) Fasern unterschieden werden, die wohl einzeln bzw. gebundelt liegenden Retikulum- und Kollagenfasern entsprechen. Fur die Verlaufsrichtung dieser Fasern mussen nach den rasterelektronenmikroskopischen Befunden neben der Zugspannung auch andere Faktoren von Einflul3 sein.
Literatur ALTSCHUL, R.: Endothelium: Its development, morphology, function, and pathology. Macmillan, New York (1954) BENNINGHOFF, A.: BlutgefaBe und H erz. In: W. v. MOLLENDORFF : Handbuch der mikroskopischen Anatomie des Menschen, Bd. 6/1. Springer, Berlin (1930) Buss, H.: Beitr. Path. I48, 315 (1973) Buss, H., LINDENFELSER, R. und D AHM, H. H.: Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen am Endokard. Vortrag : II. Herbsttagung der Deutschen Gesellschaft fur Pathologie, 1.-3. 10. 1971 in Darmstadt Buss, H., HANRATH, P. und SCHOENMACKERS, J.: Arch. Kreislaufforsch. 6J, 58 (1971) CANDIOLLO, L.: Z . Zellforsch. 6I, 486 (1963) ER OBAZE, D., and PAYLING W RIGHT, H.: J. Atheroscler. Res. 8, 861 (1968) GARBARSCH, c., and COLLATZ CHRISTENSEN, B.: Angiologica 7, 365 (1970) LANNIGAN, R. A. and ZAKI, S. A.: Brit. Heart J. 28, 785 (1966) LEAK, L. V.: J. Ultrastruct. Res. JJ, 127 (1971) LINZBACH, A. J. und HORT, W.: Virchows Arch. J29, 669 (1957)
Oberfliiche des Endokards . 3 59 MELAX, H. and LEESON, T. S.: Cardiovasc. Res. I, 349 (1967) MILLER, R. G.: Simultaneous statistical inference. McGraw-Hill, New York (1966) MITOMO, Y., NAKAO, K., and ANGRIST, A.: Amer. J. Anat. I25, 147 (1969) SINAPIUS, D.: Virchows Arch. }22, 66z (195Z) SMITH, U., RYAN, J. W., MICHIE, D. D., and SMITH, D. S.: Science I7}, 9Z5 (1971) WALTON, K. W., WILLIAMSON, N., and JOHNSON, A. G.: J. Path. IOI, z05 (1970) WARREN, B. A.: J. roy. micro Soc. 84,407 (1965) WEBER, G., TOSI, P. e CELLESI, c.: Arch. de Vecchi LVI, I (1970) Dr. H. Buss, Abt. Pathologie der RWTH, D-5 1 Aachen, Goethestr. Z7-Z9
Original Papers
Abt. Pathologie der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen (Vorstand: Prof. Dr. ]. SCHOENMACKERS)
Die OberfHiche des Endokards des Rattenherzens. Rasterelektronenmikroskopische Un tersuch ungen * The Surface of the Endocardium of the Rat Heart. A Scanning Electron Microscopic Study H. Buss, H. H.
DAHM
und R.
LINDENFELSER
Mit 12 Abbildungen und 1 Tabelle . Eingegangen am 17. November 1972 . Angenommen am 27. November 1972
Abstract Introduction: The difficulties in the observation of the inner surface of blood vessels and heart mainly arise from the known preparation techniques ("Hautchen", replicas, surface light microscopy, freeze etching). Scanning electron microscopy may overcome some of these difficulties because of its great depth of focus and the possibility to study large surface areas. Material and Methods: 12 adult male Wi star rats were fixed by in vivo perfusion via the abdominal aorta with 3 % glutaraldehyde 3 % saccharose 3 % dextran (15 -20,000 m.w.) in phosphate buffer (0.1 m, pH 7.2) under ether anesthesia. The perfusion pressure was rOO-120 mm Hg. Tissue dehydration was performed through a graded alcohol series followed by drying in a vacuum chamber. After this the hearts were dissected and the specimens were coated with 100 A carbon and 300 A gold. They were observed with the ]SM-U 3 (Jeol) and the Stereos can (Cambridge). The number of the endothelial cell nuclei of the middle part of the septum (fig. 1-3) and of the latero-anterior wall of the left ventricle (fig. 4), the lateral wall of the right ventricle, the right atrium, and of the tricuspid, mitral, and aortic (fig. 10-12) valves have been determined in relation to a standard sut;face area of ro,ooo [1-2. The results were examined with the multiple comparison test of SCHEFFE (see table). It is suggested that a more active or passive motility of the heart structures results in a denser population of their endothelial cells. Results and Discussion: In some areas the endothelial cell borders are seen as a network of slightly elevated rims which correspond to the light microscopic lines after silver impregnation of the vessel endothelium (fig. 4). Some endothelial cells, especially on the aortic valves, possess microvilli or wart-like processes (fig. 6, 1 I). The endothelium of the
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* Mit Unterstiitzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Oberfhiche des Endokards .
34I
aortic valves may have pseudopode-like protrusions of the cytoplasm, too (fig. 12). The relief of the subendothelial connective tissue fibers and myocardial fibers can be detected through the thin cytoplasm of the endothelial cells (fig. 2, 3, 7, 9). The myocardial fibers exhibit their cross-banding if the connective tissue is very thin (fig. 3). The connective tissue fibers may be devided into thin (less than 0.5 !J- in diameter; fig. 3) and thick (1-I.5 !Jin diameter; fig. 7, 9) fibers which are probably solitary reticulum or collagen fibers respectively bundles of them. The fiber direction varies in relation to the blood stream or to the myocardial fibers in different localizations (fig. 3,7, 9). Thus, not only tension forces but also some other factors may influence the position of the endocardial fibers. Some bands consisting of crossly arranged rolls (fig. 2, 3) may be the effect of shrunk elastic fibers.
Die Beschaffenheit des Strombahnufers ist beispielsweise fur die Pathogenese der Thrombose oder der Arteriosklerose von groBer Bedeutung. Es ist zu vermuten, daB dabei gerade die Struktur der Grenzflache zum BIut hin - also des Endothels - einfluBreich ist. Deshalb haben wir endotheliale Oberflachen von Herz und GefaBen studiert. Die Endotheloberflache von GefaBen wurde bisher mit Hilfe von Hautchenpraparaten (SINAPIUS, I952; ER OBAZE und WARREN, I965; PAYLING WRIGHT, I968), von Oberflachenabdrucken (WOLF, zit. nach ALTSCHUL, I954) oder mit dem Auflicht- und Interferenzmikroskop (LrNZBACH und HORT, I957), kurzlich auch mit der Gefrieratztechnik (LEAK, I97I) untersucht. Wenn schon die Praparation groBflachiger Hautchen des glatten Aortenendothels kaum gelingt (SINAPIUS, I952), so ist die Darstellung des unregelmaBigen Reliefs des Endokards mit den genannten Methoden noch schwieriger. Deshalb enthalt die altere Literatur kaum Angaben zur Oberflachenstruktur des Endokards. Die Rasterelektronenmikroskopie gestattet die Untersuchung groBer zusammenhangender Flachen und erlaubt durch ihre Tiefenscharfe die Darstellung hoher Reliefstrukturen auch bei starken VergroBerungen. Daher wurde diese Technik schnell aufgegriffen, urn das Innenrelief von GefaBen zu studieren (Dbersicht s. Buss, I973). Es liegen auch erste Befunde vom Endokard vor (WEBER et aI., I970; WALTON et aI., I970)' die unten diskutiert werden. Dber qualitative und quantitative Untersuchungen am Endokard wurde von uns schon berichtet (Buss, LINDENFELSER, DAHM, I 97 I); das Endokard des Rattenherzens solI jetzt eingehender dargestellt werden.
Material und Methode 12 mannliche Wistar-Ratten von 180-250 g Gewicht, die unter tiblichen Laborbedingungen lebten, wurden in Athernarkose tiber die Aorta abdominalis mit einem Gemisch von 3% Glutaraldehyd 3% Saccharose 3% Dextran (15-20000 MG) in Phosphatpuffer (0,1 M, pH 7,2) bei 100-120 mm Hg perfundiert.
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342 . H. Buss, H. H. DAHM und R. LINDENFELSER Die in maBiger Dilatation fixierten Herzen wurden nach weiterer 2sttindiger Inkubationsfixierung im Phosphatpuffer gesptilt und tiber eine aufsteigende Alkoholreihe entwassert. Ihre Trocknung erfolgte im Vakuumschrank. Danach wurden die mit dem Endokard nach oben orientierten Praparate in der Hochvakuumbedampfungsanlage BA 360 G (Fa. Balzers) unter Verwendung des Drehpendeleinsatzes und der SchwingquarzSchichtdickenmeBeinrichtung mit einer Schicht aus roo A Kohle und 300 A Gold bedampft. Die Untersuchung geschah mit dem Gerat JSM- U 3 (Fa. Jeol) * und dem Stereoscan (Fa. Cambridge) *. Die Verteilung der Endothelzellen wurde in erster Linie an Aufnahmen ohne starkere Schragprojektion bei etwa 5oofacher, dane ben auch bei etwa 15 oofacher VergroBerung analysiert. Insgesamt wurden 56 Aufnahmen ausgezahlt, die eine Gesamtflache von etwa 280 X ro 4 [L2 reprasentieren. Dabei wurden die Endothelzellkerne pro Bild ohne Kenntnis der topischen Herkunft gezahlt. Urn einen Vergleich der Werte untereinander Zu ermoglichen, wurde die Kernzahl auf I X 104 [L2 bezogen. Diese errechneten Werte ordneten wir entsprechend ihrer Lokalisation zu Gruppen, deren Mittelwerte nach der Methode von SCHEFFE (s. MILLER, 1966) einem multiplen Vergleich unterzogen wurden. E ine Signifikanz wurde bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit kleiner als 5% angenommen**. Die Oberflache des Septums unterhalb der linken Ausflul3bahn, der Ausflul3bahn selbst, der lateralen und vorderen Wand sowie der Spitze der linken Herzkammer, des rechten Vorhofes, der rechten lateralen Kammerwand sowie der Aorten-, Mitral- und Trikuspidalklappe wurden untersucht.
Ergebnisse Linker Ventrikel Das Septum unterhalb der AusfluBbahn (Abb. 1-3) zeigt in der Aufsicht eine ziemlich glatte Oberflache mit locker angeordneten Endothelzellkernen, die sich linsenformig Bach vorwolben und etwa den doppelten Durchmesser eines Erythrozyten besitzen. Die mittlere Kernzahl pro 1 X 104 fL 2 betragt 23,9 ± 2,5. Daneben kommen einige spindelige Kerne vor, die oft in Einsenkungen zwischen zwei M yokardfasern und eindeutig unter den linsenformigen Endothelkernen liegen (Abb. 2). Wahrscheinlich sind es Fibrozytenkerne. Zellgrenzen des Endothels sind in der Regel nicht zu erkennen. Die Myokardfasern bilden ein Flachrelief (Abb. I) mit deutlich erkennbarer charakteristischer Querrippung (Abb. 2, vgI. Buss et aI., 1971). Ihre Verlaufsrichtung wechselt, senkrechte Uberschneidungen und mehr-
* Herrn Dr. BURCHARD (Gemeinschaftslabor ftir Elektronenmikroskopie der RWTH) und Herrn Prof. Dr. SIEMES (Institut ftir Mineralogie der RWTH) sei herzlich ftir die Dberlassung der Gerate gedankt. ** Mit dankenswerter Untersttitzung durch Herrn Dr. BRUNNER (Abt. Medizinische Statistik und Dokumentation der RWTH).
Oberflache des Endokards . 343
Abb. I. Linker Ventrikel, Septum: Die in unterschiedlicher Richtung verlaufenden M yokardfasern bilden ein Flachrelief. Aufliegend zahlreiche Erythrozyten. /' = Falten, die wohl Schrumpfungsartefakte sind. Archiv-Nr. 57/7I / r6.: E ndvergr. 250 x . Fig. I. Left ventricle, septum: The myocardial fibers run in various directions and form a flat relief. Many erythrocytes on the surface. / ' = Folds which are believed to be shrinking artifacts. x 250.
fache Aufzweigungen sind haufig. Welche Fasern dem Reizleitungssystem angehoren, kann nicht entschieden werden. Die M yokardfasern werden von einigen dunnen subendothelialen Fasern, deren Durchmesser weniger als 0,5 f1. betragt, in unterschiedlicher Richtung uberzogen (Abb. 3). Wir bezeichnen sie als "dunne Fasern", im Gegensatz zu "dicken Fasern", die unten beschrieben werden. Meist liegen diese "dunnen Fasern" quer oder schrag zur Richtung der Myokardfasern und lassen manchmal scherenfbr-
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Abb. 2. Linker Ventrikel, Septum: Linsenformige Endothelzellkerne (E) in groBerem Abstand voneinander (vgl. Abb. 4, 10). Spindelformige Fibrozytenkerne (F) liegen unter den Endothelzellkernen (/ ). Bandartig angeordnete Querwulste (Q) werden gleichfalls von Endothelzellkernen bedeckt (/ /). Die Querrippung der Myokardfasern ist deutlich erkennbar, anliegend Erythrozyten. Archiv-Nr.: 57171 / 21, Endvergr. 1200 x. Fig. 2. Left ventricle, septum: lens-shaped endothelial cell nuclei (E) in a greater distance from each other (compare fig. 4, 10). Spindle-shaped nuclei of fibrocytes (F) lie under the endothelial nuclei (/). Bands of crossly arranged rolls (Q) are covered by endothelial nuclei (/ /), too. Cross-banding of the myocardial fibers is clearly visible. Some erythrocytes on the surface. X 1,200.
mige Anordnung erkennen. Daneben treten bandartig angeordnete, dieht nebeneinander liegende subendotheliale Querwiilste hervor, die bis zu 10 [L breit sind (Abb. 2, 3) und schrag oder in Langsriehtung zum Verlauf der
Oberflache des Endokards . 345
Abb. 3. Linker Ventrikel, Septum: E = Endothelzellkerne. Bandartig angeo rdnete QuerwUlste (Q) und "dUnne Fasern" (/') in wechselnder Richtung verlaufend. Archiv-Nr.: 57/71 /18, E ndvergr. 1200 x . Fig. 3. Left ventricle, septum: E = Nuclei of endothelial cells. Bands of crossly arranged rolls (Q) and "thin fibers" (/') lie in varying directions. X 1,200.
Myokardfasern liegen. Sowohl die "diinnen Fasern" als auch die bandartig angeordneten Querwiilste werden an verschiedenen Stellen von Endothelzellkernen iiberdeckt. Dariiber hinaus sind manchmal unregelmaBige Endothelfalten zu beobachten, die wohl Schrumpfungsartefakte sind (Abb. 1). An der lateralen und vorderen Wand sind die Endothelkerne wesentlich dichter angeordnet (Abb. 4), die mittlere Kernzahl pro 1 X 104 fL2 betragt 33,5 ± 3,2 und liegt damit signifikant iiber der mittleren Kernzahl des Septumendokards (s. Tab.). An mehreren Stellen sind schmale, leistenformig erhabene Linien zu sehen, die mehreckige Felder mit einem meist zen-
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Abb. 4. Linker Ventrikel, laterale Wand: EndothelzellkErne (E ) dichter liegend als am Septum (vgl. Abb. z), Zellgrenzen springen leistenartig vor (/ ). Querrippung der Myokardfasern nicht erkennbar. Archiv-Nr. : 41/71 / 14, Endvergr. IZOO X . Fig. 4. Left ventricle, lateral wall : Nuclei of the endothelium (E) lie in shorter distances to eachother than on the surface of the septum (compare fig. z), the cell borders of the endothelium are seen as slightly elevated rims (/). The cross-banding of the myocardial fibers is not discernible. X I,ZOO.
tralen Endothelzellkern begrenzen (Abb. 4). Diese Grenzleisten sind wohl das Aquivalent des lichtmikroskopisch durch Versilberung darstellbaren Liniennetzes. Unterhalb des Endothels liegt ein Gewebe dicht gelagerter "dunner Fasern". Die bandartigen Querwulste sind seltener als am Septum. Die M yokardfasern treten dagegen starker hervor als am Septum und konnen als Trabekel das Lumen frei durchziehen. Ihre Querrippung ist meist wegen des subendothelialen Fasergeflechtes nicht zu erkennen.
Oberfliiche des Endokards . 347
Abb. 5. Linke Ventrikelspitze: Weitmaschiges Netzwerk der Trabekel. Dichtere Anordnung der Endothelzellkerne auf dUnnen Trabekeln (links oben im Bild) im Vergleich zu breiteren Trabekeln (unt~n im Bild). Archiv-Nr.: 2 r/7r/3, Endvergr. 200 X. Fig. 5. Apex of the left ventricle: Wide meshes of the trabecular network. Dense arrangement of the endothelial cell nuclei on thin trabeculae (upper left of the figure) in relation to the broader trabeculae (lower part of the figure). X 200.
In der Spitze des linken Ventrikels bildet die Trabekelmuskulatur ein weitmaschiges Netzwerk (Abb. 5) mit unterschiedlich dichtem Besatz an Endothelkernen. In einigen Nischen liegen sie wie etwa am Septum in weitern Abstand voneinander, auf dunnen Trabekeln konnen sie dagegen sehr dicht, mosaikartig angeordnet sein. Einige Endothelzellen zeigen Mikrovilli (Abb. 6). Die Querrippung der Myokardfasern tritt nur selten hervor, da sie von einem dichteren subendothelialen Bindegewebe maskiert wird. Dies Bindegewebe enthalt neb en "dunnen Fasern" auch "dicke Fasern" 23
Beit,. Path. Bd. 148
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Abb. 6. Linke Ventrikelspitze: Endothelzellen mit Mikrovilli. Archiv-Nr.: 43171/22, Endvergr. 12400 X. Fig. 6. Apex of the left ventricle: Endothelial cells with microvilli. X 12,400.
von 1-1,5 [L Durchmesser (Abb. 7). Sie umgreifen die Trabekel oft reifartig, an Teilungsstellen der Trabekel konnen sie auch schrag oder hngs zu ihnen verlaufen. Bandartige Querwiilste sind kaum zu sehen. Die "dicken Fasern" sowie auch feine Muskelstrange konnen kleine Nischen bilden, in denen einige Erythrozyten Platz finden (Abb. 8). Die subvalvulare Ausflujbahn des linken Ventrikels zeichnet sich durch sehr dicht liegende "dicke Fasern" aus, die der Oberflache eine waschbrettartige Struktur geben (Abb. 9). Die Fasern verlaufen in Richtung des Blutstromes. Endothelzellkerne sind - wahrscheinlich aufgrund dieser Oberflachenstruktur - nur schwer abzugrenzen.
Oberflache des E ndokards . 349
Ab. 7. AusschnittvergroBerung aus Abb. 5: E = Endothelzellkerne etwas unregelmal3ig angeordnet. /' = "dicke Fasern" qu er, schrag und liings zur Verlaufsrichtung der TraI:ekelliegend. Archiv-Nr.: 21/71,/1, E ndvergr. lID O x. Fig. 7. Hig her magnification from fi g. 5: E = Endo theli al cell nuclei being somewhat irregular arranged. /' = " thick fibers" running across, oblique or alo ng the trabeculae. X 1,1 00.
Rechter Vorhof Die Endothelzellkerne walben sich meist starker vor als im linken Ventrike!' Sie sind besonders dort, wo die Trabekel kraftiger hervortreten, unterschiedlich dicht angeordnet. Die mittlere Kernzahl pro I X 10 4 fL 2 betragt 26,0 ± 2,0 und unterscheidet sich damit nicht signifikant von der linken Seite des Septums (s. Tab.). Unterhalb des Endothels liegen "diinne" llnd "dicke Fasern" in unterschiedlicher Anordnung und Dichte. Die Querrippung der subendokardialen Myokardfasern ist nicht zu erkennen.
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Abb. 8. Linke Ventrikelspitze: Trabekel und "dicke Fasern" bilden kleine Nischen, in denen Erythrocyten liegen. Einige Endothelzellen besitzen Mikrovilli (/'). Archiv-Nr.: 43/71/12, Endvergr. 2700 x. Fig. 8. Apex of the left ventricle: Trabeculae and "thick fibers" form small niches in which erythrocytes lie. Some endothelial cells possess microvilli (/'). X 2,700.
Rechter Ventrikel Die rechte Kammer hat am Septum, an der lateralen Wand und in der Spitze ein prinzipiell gleichartiges Relief wie die linke Kammer. Unterschiede bestehen insofern, als die mittlere Zahl der Endothelzellkerne pro I X 10 4 [1.2 an der lateralen rechten Kammerwand nur 23,3 ± 3,4 betragt und sich somit nicht signifikant vom rechten Vorhof und von der linken Seite des Septums unterscheidet, dagegen signifikant niedriger ist als die
Oberflache des Endokards . 3 5 I
Abb. 9. Linker Ventrikel, subvalvulare Ausflul3bahn: Zahlreiche "dicke Fasern" geben der Oberfliiche ein waschbrettartiges Aussehen. E = Endothelzellkerne sind schwer zu differenzieren. Archiv-Nr. : 56/71/21, E ndvergr. 1200 X . Fig. 9. Left ventricle, subvalvular outflow: Many "thick fibers" give rise to a washboardlike surface structure. E = Nuclei of the endothelium are hardly to be differenciated. X 1,200.
Kernzahl fiir die laterale Wand der linken Kammer (s. Tab.). Die dem Silberliniennetz entsprechenden Leisten sind an verschiedenen Stellen zu beobachten. Die rechte Seite des Septums weist mehr subendotheliale Bindegewebsfasern auf als die linke, so daB die Querrippung der subendokardialen M yokardfasern rechts undeutlich ist. Gfter sind bandartig angeordnete Querwiilste (vgl. Abb. 2, 3) auf der Trabekelmuskulatur des rechten Ventrikels zu sehen.
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Abb. 10. Aortenklappe: Der SchlieBungsrand ist mosaikartig mit Endothelzellen besetzt (E). Archiv-Nr.: 65/7r/6, Endvergr. 700 x. Fig. ro. Aortic valve: The nuclei of the endothelium (E) cover the free margin of the valve like a mosaic. X 700.
Herzklappen Aorten-, Mitral- und Trikuspidalklappe haben einen wesentlich dichteren Endothelzellbesatz als das iibrige Endokard (s. Tab.). Die mittlere Kernzahl pro I X 10 4 [1.2 der Trikuspidalklappe betragt 43,0 ± 4,8, die der Mitralis 53,9 ± 3,7 und die der Aortenklappe sogar 78,2 ± 9,3. Sie unterscheiden sich in dieser Hinsicht also auch untereinander signifikant. Auf den Klappen gibt es ebenfalls topische Unterschiede in der Anordnung der Endothelzell-
Oberfhche des Endokards . 353
Abb. II. Aortenklappe: Kurze Mikrovilli und warzenformige Fortsatze der Endothelzellen in der Nahe des SchlieBungsrandes. Archiv-Nr.: 6717IjII, Endvergr. 4300 x. Fig. II. Aortic valve: Short microvilli and ward-like processes of the endothelial cells near the free margin. X 4,300.
kerne: am SchlieBungsrand besteht oft ein sehr dichter, mosaikartiger Zellbesatz (Abb. 10), zur Klappenbasis hin liegen die Kerne weiter auseinander. Die Endothelzellkerne wolben sich starker vor, sie sind oft spindelfOrmig. Interessanterweise zeigen die Endothelzellen der Aortenklappen after als das ventrikulare Endothel Mikrovilli oder haben multiple warzenformige Fortsatze (Abb. I I, vgl. Abb. 6). Einige Zellen besitzen plumpe pseudo-
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Abb. 12. Ausschnittvergrof3erung aus Abb. I I: Pseudopodienartige Fortsatze einer Endothelzelle und zahlreiche kleine Einsenkungen ihrer Oberfhche. Archiv-Nr.: 67/71/ 10, Endvergr. 13,400 X. Fig. 12. Higher magnification from fig. I I: Pseudopod-like processes of an endothelial cell and many little pits on its surface. X 13,400.
podienartige Fortsatze oder eben erkennbare Einsenkungen ihrer Oberflache (Abb. 12). Dort, wo die Endothelzellen weniger dicht gelagert sind, lassen alle Klappen dicht gelagerte "dicke Fasern" erkennen, die meist parallel zum Klappenrand - also quer zum Blutstrom - verlaufen. Daneben laBt sich auch oft ein Gewebe dicht gelagerter "dunner Fasern" darstellen.
Oberflache des Endokards . 3 5 5
Diskussion Das rasterelektronenmikroskopisch dargestellte Oberflachenrelief des Endokards ist zunachst einmal daraufhin zu prufen, inwieweit es durch Artefakte beeinfluBt wurde. Nach WEBER et al. (1970) hat das parietale Endokard der linken Herzkammer des Meerschweinchens ein grobes Faltenrelief mit tiefen Furchen und zahlreichen Taschen. Auch an der Mitralklappe dieser Herzen zeigen sie sehr viel unregelma13igere Strukturen als bei der Ratte. Ein Teil dieser Strukturen ist wohl dadurch bedingt, daB jene Autoren herausgeschnittene Herzstucke fixierten. Wir haben dagegen die Rattenherzen in vivo unter physiologischem Druck mit Glutaraldehyd perfundiert, wodurch starke Kontraktionen vermieden wurden. Wenn nach Perfusionsfixierung in der Ventrikelspitze noch Nischen bestehen (Abb. 8), durften sie wohl den anatomischen Verhaltnissen entsprechen. Die von WALTON et al. (1970) abgebildeten menschlichen Herzklappen lassen nur undeutlich abgrenzbare Endothelkerne erkennen, groBere Flachen sind auch frei von Zellkernen. Diese Oberflachenstrukturen entsprechen autolytischen Veranderungen des Endothels, wie wir sie auch kennen (unveroffentlicht). AuBerdem konnen durch Spulung mit Aqua dest. und Gefriertrocknung bei nur -300 C an diesen Klappen Artefakte entstanden sein. LINZBACH und HaRT (1957) konnten auflichtmikroskopisch nachweisen, daB sowohl die Kerne des GefaBendothels als auch das Linienmuster seiner Zellgrenzen erst im Verlauf der Gewebstrocknung hervortreten. Entsprechend durfte zumindest ein Teil des rasterelektronenmikroskopisch dargestellten Oberflachenreliefs erst im Verlauf der Entwasserung und Trocknung auftreten. Die Trocknung bedingt auch groBflachige Deformierungen oder Verwerfungen der Herzklappen. Diese konnten wir selbst dann nicht vermeiden, wenn die Herzen erst nach der Dehydrierung zerlegt wurden. Die Deformierungen lassen nur selten eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung groBerer ebener Flachen zu, wie sie fur die Bestimmung der Kernzahl notig ist. Der Schrumpfungsfaktor der verschiedenen Gewebsarten des Herzens scheint in gewissen Grenzen gleich zu sein, so daB die hier festgestellten Kernzahlen pro Flacheneinheit denen des unfixierten Endokards proportional sein konnen. Die Endothelzellkerne des Endokards wolben sich uberwiegend linsenformig, auf der Trabekelmuskulatur und auf den Herzklappen auch spindelformig vor und sind sehr regelma13ig gestaltet. 1m Gegensatz dazu ist z. B. die Aorta mit einem Endothel ausgekleidet, das eine ortlich sehr unterschiedliche Zelldichte sowie eine ausgesprochene Kernpolymorphie oder
356 . H. Buss, H. H. DAHM und R. LINDENFELSER Tabelle. Verteilung der Endothelzellkerne des Endokards der Ratte: Mittlere Kernzahlen pro 1 X 10 4 iL 2 und multipler Vergleich nach SCHEFFE Nr. 2 4 5 6 7
Lokalisation
Ii. Ventrikel, Septum Ii. lat. Ventrikelwand reo Vorhof reo lat. Ventrikelwand Trikuspidalklappe Mitralklappe Ao rtenkiappe
n
x± s
II
23.9 ± 2,48 33,5 ± 3,21
8 12 10
7
26,0± 1,98
23,3 ± 3,39 43,O±4,79 53>9 ± 3,66 78,2± 9,27
p < 0,05 1-2 2-6 1-5 2-7 1-6 3-5 1-7 3-6 2-3 3-7 2-4 4-5 2-5 4-6
p > 0,05 4-7 5-6 5-7 6-7
1-3 1-4 3-4
sogar eine Mehrkernigkeit aufweist (SINAPIUS, 1952). Eine so untersehiedHehe Zellanordnung benaehbarter Areale sahen wir nur andeutungsweise auf Trabekeln der Ventrikelspitze. Kernzahlungen beweisen jedoeh aueh regionale Untersehiede der Endothelzelldiehte des Endokards (s. Tab.). So besitzt die laterale Wand des linken Ventrikels mit ihrer groBeren diastoliseh-systolisehen Exkursion eine signifikant hohere Kernzahl pro Flaeheneinheit als das Septum. Die passiv im Blutstrom flottierende Aortenklappe tragt mehr als doppelt soviel Zellkerne pro Flaeheneinheit als das Septum des linken Ventrikels. Frei liegende Trabekelmuskel sind erheblieh dichter mit Endothelzellen bedeekt als die Kammerwand unmittelbar daneben. Man konnte die erhohte Kernzahl der lateralen Wand des linken Ventrikels als Ausdruek einer gewissen "Endothelreserve" zum Ausgleich der diastoliseh-systoliseh wechselnden GroBe der Oberflaehe ansehen. An Sehnenfaden und Klappen sowie einzelnen Trabekeln lieBe sich die hohe Zelldichte vielleicht mit meehanischen Belastungen durch Sehwingungen oder Blutstromung erklaren. Die Werte lassen sich also vielleicht so deuten, daB starkere aktive oder passive Bewegliehkeit eine hohere Zelldichte nach sieh zieht. Endokardiale Endothelzellen haben after mikrovillose Zellfortsatze (Abb. 6), die an den Klappen hiiufiger sind und selbst am SehlieBungsrand der Aortenklappe (Abb. 11) in groBerer Anzahl vorliegen konnen. Mikrovilli wurden durehstrahlungselektronenmikroskopiseh an der Mitralis des Kiikens (MITOMO et aI., 1969) und am Endothel mensehlicher Herzohren (LANNIGAN und ZAKI, 1966) besehrieben. Rasterelektronenmikroskopiseh fanden SMITH et aI. (1971) in der Pulmonalarterie des Hundes endotheliale Mikrovilli. Sie diskutieren, daB die Mikrovilli die Stromung des Blutes am arteriellen Strombahnufer so stark verlangsamen, daB eine Pinozytose ermoglieht wird.
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Die an verschiedenen Stellen des Endokards hervortretenden Grenzleisten (Abb. 4) entsprechen den aus der Lichtmikroskopie bekannten Silberlinien (vgl. SINAPIUS, 1952; LINZBACH und HORT, 1957). Ein gleiches Netz aus Leisten wurde rasterelektronenmikroskopisch nach Versilberung von G ARBARSCH et al. (1970) an der Kaninchenaorta nachgewiesen. Die unterschiedliche Darstellbarkeit oder das Fehlen des Linienmusters am GefaBendothel ist bekannt (SINAPIUS, 1952; LINZBACH und HORT, 1957) und kann von uns fUr das Endokard der Ratte bestatigt werden. MELAX und LEESON (1967) haben in den Ventrikeln des Rattenherzens nur ein hochstens I [J. dickes subendotheliales Bindegewebe festgestellt. Die Kollagenfasern sollen einzeln oder gebundelt liegen und in unterschiedlicher Richtung verlaufen. In unseren Praparaten wolbten sich Profile des subendothelialen Bindegewebes und der Myokardfasern durch das dunne Zytoplasma des Endothels hindurch vor. Zwei Fasertypen lassen sich unterscheiden: "dunne Fasern", die weniger als 0,5 [J. dick sind, und "dicke Fasern", die einen Durchmesser von 1-1,5 [J. und mehr aufweisen (Abb. 2, 3, 9). Die Natur dieser Fasern kann rasterelektronenmikroskopisch noch nicht analysiert werden. Es liegt allerdings nahe, die "dunnen Fasern" fUr Retikulum- und Kollagenfasern zu halten, wahrend die "dicken Fasern" wohl Bundel aus diesen Fasern sind. Die bandartigen Querwulste (Abb. 2, 3) konnten durch elastische Fasern bedingt sein. MELAX und LEESON (1967) sahen durchstrahlungselektronenmikroskopisch zwar im Rattenendokard elastische Fasern nur am Abgang der Aorta, ihr Nachweis im Ultradunnschnitt kann aber wegen der sehr lockeren Anordnung nicht gelungen sein. CANDIOLLO (1963) sah namlich durchstrahlungselektronenmikroskopisch auch im Endokard des Papillarmuskels der Ratte elastische Fasern. Das subendotheliale Bindegewebe ist auf der linken Seite des Septums unterhalb der AusfluBbahn so dunn, daB rasterelektronenmikroskopisch die Querrippung der darunter liegenden Myokardfasern erkennbar wird (Abb. 2, 3). In der AusfluBbahn des linken Ventrikels werden die Myokardfasern dagegen durch dicht liegende, dicke Faserbundel verdeckt, die in kranio-kaudaler Richtung - also etwa parallel zum Blutstrom - liegen (Abb. 9). Die Herzklappen besitzen ahnlich dicke Faserbundel, die meist parallel zum SchlieBungsrand - also quer zur Blutstromung - angeordnet sind. Die Trabekel werden oft faBringartig von Bindegewebsfasern umschlossen, es gibt auf ihnen jedoch auch schrag oder langs gerichtete Fasern (Abb. 7). Laterale Wand des linken Ventrikels und rechter Vorhof scheinen ein Geflecht von subendothelialen Bindegewebsfasern zu besitzen. Nach BENNINGHOFF (1930) wird die Dicke des Endokards nicht durch die Hohe des Blutdruckes, sondern durch die jeweilige Dehnung reguliert,
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die Anordnung der Fasern richtet sich nach der Zugspannung, die der Blutstrom erzeugt. Das rasterelektronenmikroskopische BUd der Aortenklappe entspricht dieser Betrachtungsweise. Der Faserverlauf auf der Trabekelmuskulatur liiBt aber eher an eine Haltefunktion nach Art einer Muskelfaszie denken. Deshalb sollten auch andere Faktoren, die den Faserverlauf im E ndokard beeinflussen kbnnen, erwogen werden. Eine Korrelation solcher Parameter mit der brtlichen Oberfliichenstruktur des Endokards muB allerdings das Ziel kunftiger Untersuchungen bleiben.
Zusammenfassung Die Oberflache des Endokards von Rattenherzen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Besonders gut lassen sich die Endothelzellkerne des Endokards darstellen. Ihre Verteilungsdichte variiert in Abhangigkeit von der Lokalisation. Morphometrische Untersuchungen ergeben z.B. die niedrigsten Werte (etwa 25 Kerne pro 10000 1L2) fur den rechten Vorhof, rechten Ventrikel und das Septum unterhalb der linken AusfluBbahn, wah rend die Aortenklappen mit etwa 80 Kernen pro IooooIL2 einen mehr als 3mal so dichten Zellbesatz zeigen. Es wird vermutet, daB starkere aktive oder passive Beweglichkeit eines Herzteiles eine hohere Zelldichte des endokardialen Endothels nach sich zieht. An verschiedenen Stellen bilden die endothelialen Zellgrenzen ein leistenartig hervortretendes Netzwerk, welches dem lichtmikroskopisch bekannten Silberliniennetz des GefaBendothels entspricht. Ein Teil der Endothelzellen besitzt Mikrovilli. Durch das dunne Cytoplasma des Endothels treten subendotheliale Bindegewebsfasern und Myokardfasern hervor, die letzteren lassen an manchen Stellen ihre Querrippung erkennen. Die Bindegewebsfasern konnen in dunne (weniger als 0,5 IL Durchmesser) und dicke (1-1,5 IL Durchmesser) Fasern unterschieden werden, die wohl einzeln bzw. gebundelt liegenden Retikulum- und Kollagenfasern entsprechen. Fur die Verlaufsrichtung dieser Fasern mussen nach den rasterelektronenmikroskopischen Befunden neben der Zugspannung auch andere Faktoren von Einflul3 sein.
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