Einfluß der partiellen Exsiccose auf die quantitative Cytoarchitektur der Rattenleberzelle (Eine cytophotometrische und morphometrische Studie)

Beitr. Path. Bd. 153,379-394 (1974) Pathologisches Institut der Universitat Freiburg

1.

B. (Direktor: Prof. W. SAND RITTER)

EinfluB der partieIIen Exsiccose auf die quantitative Cytoarchitektur der RattenleberzeIIe (Eine cytophotometrische und morphometrische Studie) Influence of Partial Exsiccosis on the Quantitative Cytoarchitecture of Rat Hepatocytes (A Cytophotometric and Morphometric Study) U. N.

RIEDEl),

W.

KREUTZER,

T. ROBAusCH, G.

Mit 8 Abbildungen und I Tabellc . Eingegangen am 26. Juni 1974

KIEFER

II.

und W.

SAND RITTER

Juni 1974 . Angenommen am

Key words: exiccosis, hepatocytes, morphometry, cytophotometry, mttochondriosis

Abstract Introduction: Chronic partial exsiccosis leads to severe compromise of cell metabolism. Therefore, changes in the cytoplasm of rat hepatocytes were analysed morphometrically after partial water deprivation. Material and Methods: The experiments were done on male Wistar rats. 3 animals received 1.25 ml water (physioi. NaCl solution) i. p. daily. The other 3 animals served as controls and were allowed to drink water ad libitum. All animals had free access to the Altromin-R-standard diet. The morphometric analyses were based on methods described by WEIBEL. The cytophotometrical study follows SANDRITTER'S technique. Results and Discussion: After partial exsiccosis during 10 days, hepatocytes and their nuclei became 30% smaller. The number of hepatocytes per total liver was drastically reduced. After partial exsiccosis nearly all hepatocytic nuclei were diploid, which indicates that in consequence of the parenchymal loss, the tetraploid cells that had been present underwent cell division. In the cytoplasm of hepatocytes mitochondria were found and were, with average of larger than normal size. This "mitochondriosis", accompanied by proliferation of 1) Mit freundlicher Unterstiitzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Kennwort: Adaptation)

3 80 • U. N. RIEDE, W. KREUTZER, 1. ROBAuscH, G. KIEFER und W. SAND RITTER cristae! membranes and of peroxisomes is interpreted as an adaptive response of the hepatocytes to exsiccosis. Probably also because of cell injury, the number of grana mitochondriales and the volume of the smooth endoplasmic reticulum were decreased. Glycogen stores were depleted by the concomittant cell starvation. The economizing cytoplasmic resources was suggested also by lysosomal proliferation.

Da aIle ehemischen Umsetzungen in der Zelle in waBriger Lasung vor sieh gehen und der ausgewachsene Saugeorganismus iiber die Halfte aus Wasser besteht, zieht jede groBe Veranderung des Wassergehaltes der Zelle oder der Zwisehenzellfliissigkeit den gesamten Stoffweehsel in Mitleidenschaft (SCHWAB und KUHNS, 1959). Deshalb tritt der Tod dureh Verdursten aueh viel raseher ein als der Tod dureh Verhungern (ULLRICH, 197 0). Der Mensch ist gegeniiber einer Wasserverarmung weniger widerstandsfahig als die meisten Landtiere. Bei ihm liegt die Grenze des Gewiehtsverlustes, bevor der Tod durch Dehydratation eintritt, bei ca. 20010 des urspriingliehen Karpergewichtes, bei der Ratte vergleichsweise bei ca. 30010 (ADOLPH, 1947). Die Todesursaehe bei der Exsieeose ist nicht genau bekannt (BLAND, 1959, 1963). Ein Kreislaufversagen infolge Volumenverlust spielt sieher mit. Eine Zellschadigung dureh den erhahten osmotisehen Druck der Gewebefliissigkeit wird vermutet (KERPEL-FRONIUS und LEOVEY, 1931; DEETJEN und KRAMER, 1970). Der tierisehe Organismus weist eine erstaunliehe Anpassungsfahigkeit an extreme Stoffweehselsituationen auf, indem er aen strukturellen Aufbau des Cytoplasmas okonomisiert (ROHR et al., 1973; RIEDE et al., 1973)' Aueh der ehronisehe partielle Durst ist eine solehe Stress-Situation. Es wurde deshalb in der vorliegenden Arbeit versueht, die quantitativen UmgliederungsprozeB im Cytoplasma einer Leberparenehymzelle zu erfassen, die naeh einer zehntagigen partiellen Durstperiode auftreten.

Material und Methode Als Versuchstiere wurden sechs mannliche Wistarratten mit einem anfanglichen Korpergewicht von 250 Gramm verwendet. Drei Ti.ere, die mit Altromin-R-standarddiat gefiittert wurden, dienten als Kontrollen. Die drei anderen Tiere erhie!ten wahrend 10 Tagen kein Trinkwasser, sondern nur taglich 1,25 ml physiol. NaCl-Losung intraperitoneal. Aile Tiere hatten freien Zugang zum Futter. Nach Ablauf der zehntagigen Versuchszeit wurden die Tiere durch Dekapitation getotet. Zu dies em Zeitpunkt betrug das mittlere Kiirpergewicht der Dursttiere nur noch 150 Gramm. Das Gewebe wurde aus dem linken Leberlappen entnommen, in s-Collidin gepuffertem OS04 (1,33010; pH 7; 2 h; 4° C) fixiert. Auf die BlockJarbung

Lehermorphometrie heim Durst .

3SI

in gesatttgter alkoholischer Uranylacetatlosung folgte die Entwasserung in aufsteigender Alkoholreihe. Anschliegend wurden die Gewebestucke in Epon 812 eingebettet. I.

M orphometrische Analyse der quantitativen Cytoarchitektur

Die morphometrische Analyse basiert auf den Angaben von WEIBEL et al. (1969) und ROHR und RIEDE (1973) mit Hilfe eines Computerprogramms (ROBAUSCH, 1974). Sie wurde an mittleren Lappchenbezirken durchgefuhrt. Fur die Stichprobcnerhebung wurden pro Versuchstier von je drei Gewebeblocken Ultradunnschnitte hergestellt und von jedem Gewebeblock nach Zufallsprinzipien (WEIBEL et aI., 1969) je fiinfzehn Aufnahmen bei einer Primarvergrogerung von 1333, je sechs Aufnahmen bei einer Primarvergrogerung von 5000 und je sechs Aufnahmen bei einer Primarvergrogerung von 10000 angefertigt. Die elektronenmikroskopischen Photonegative dieses sogenannten "random sampling" wurden zusammen mit einem Vielzweckraster (42 Testpunkte, Primarvergrogerung 1333), einem Doppelquadratnetzraster (12 I / I 089 Testpunkte, Primarvergrogerung 5000) und mit einem Vielzweckraster (100 Testpunkte, Primarvergrogerung 10000) nach WEIBEL et al. (1969) ausgewertet. Pro Tier wurden auf diese Weise insgesamt 81 elektronenmikroskopische Bilder, respektive Gesichtsfelder, ausgewertet. Analysiert wurden die Volumendichte (Vy), die Oberflachendichte (Sy) und die Anzahldichte (Ny) folgender hepatozellularer Organ ellen und Kompartimente:

Kompartiment respective Organelle

Morphometrische Symbole

Hepatocytenkerne

NH

Rauhes endoplasmatisches Retikulum

RER

Glattes endoplasmatisches Retikulum

SER

Lysosomen

LYSO

Peroxysomen

P

Mitochondrien

M

Mitochondrienaugenmembran

MO

Mitochondriencristac

MC

Grana mitochondriales

GM

Hyaloplasma

HP

Fettkorper

FK

Glykogenareale

GLY

Von diesen morphometrischen Primarparametern wurden rechnet.

I

r 2 Sekun&irparameter be-

3S2 . D.

N. RIEDE,

W.

KREUTZER,

1'. ROBAUSCH, G. KIEFER und W. SANDRITTER

Die wichtigsten Sekundarparameter, die dieser Arbeit zugrunde liegen, sind, am Beispiel der Mitoehondrien gezeigt, folgende:

M orphometrisches Symbol

Bedeutung

----------

VYM

Volumendiehte der Mitoehondrien (em3 Lebergewebe)

VnriVyc

Volumenanteil der Mitoehondrien am Einheitsvolumen Cytoplasm a

(em B/cm 3)

NYM

Numerische Dichte der Mitochondrien (cm-3 Lebergewebe)

Nnr/Nv:m

Mitochondrienzahl pro Zellkern (mononuklearer Hepatozyt)

Sy~!CiVvc

Cristaeoberflache pro Einheitsvolumen Cytoplasma (m 2/cm 3)

SYMciVYM

Cristaeoberflache pro Einheitsvolumen Mitochondrium (m 2 /cm 3 )

SYMoiVvc

Oberflache der MitochondrienauEenmembran pro Einheitsvolumen Cytoplasm a (m 2/em 3)

VYM/NYM

Mitochondrieneinzelvolumen (ftm 3)

--------

---

-

---

-

-

----- - - - - - -

---- -

---~---

Die statistische Analyse umfaEte die Mittelwertberechnung, sowie die Berechnung der Standardabweichung und des Standardfehlers. Die Signifikanz der Resultate wurde mit Hilfe des Student-t-Tests ermittelt. Alle Berechnungen erfolgten mit Hilfe emes Morphometric-Computerprogrammes (ROBAUSCH, 1974 auf einer Olivetti P 652. 2.

Cytophotometrische Untersuchung des Ploidiemusters

Urn die einzelnen Leberzellkerne den verschiedenen Ploidiestufen zuordnen zu konnen, wurde der DNA-Gehalt der Kerne cytophotometrisch untersucht. Dazu wurden Leberstuckchen (0,5 em Kantenlange) auf je drei Glasobjekttrager pro Tier abgetupft. Fixation in einem Gemisch Methanol: Formol: Eisessig 85 :10 :5. Anfarbung der Tupfpraparate mit der Feulgenschen Nuklearreaktion (SANDRITTER et aI., 1966). Der relative DNA-Gehalt pro Zelle wurde mit Hilfe eines "integrierenden Mikrodensitometers GM 2" (BARR und STROUD ,Glasgow) bestimmt. Pro Tier wurden insgesamt fiinfzig Kerne ausgewertet. MeEbedingungen: - konstante Wellenlange des Liehtes bei 570 nm; - Absorptionsbreite 5; - ObjektivvergroEerung 100 X; - numerische Aperatur I,25 Zur graphischen Darstellung des Ploidiemusters wurde auf der Abszisse der relative DNA-Gehalt in Arbeitseinheiten aufgeteilt und auf der Ordinate die Anzahl der ausgewerteten Zellkerne. Fur jede Arbeitseinheit wurde der Gruppenmittelwert (aus drei Tieren) samt Standardabweichung gebildet.

Lebermorphometrie beim Durst . 3 8 3

Befunde 1. Morphologische Befunde Die Leberparenchymzellen sind nach Ablauf der zehntagigen Durstperiode wesentlich kleiner geworden. 1m Cytoplasma herrschen die Mitochondrien vor. Das Ergastoplasma ist an verschiedenen Stellen dilatiert und im Bereiche des Gallepols, in der Nahe der Gallenkapillaren also, haben sich Telolysosomen angehauft (Abb. I). Die Mitochondrien sind vergroBert, weisen aber keinerlei Anzeichen einer Mitochondrienschwellung auf. In einzelnen Zellen, vorwiegend in den Lappchen-zentralen Leberepithelien, kommen Riesenlysosomen mit teilweise amorphen ,teilweise cytoplasmatischem Restmaterial vor. 2. Cytophotometrische Befunde Aufgrund der Bestimmung des relativen DNA-Gehaltes ergibt sich bei den 250 g schweren Kontrolltieren ein Verhaltnis der Hepatocyten mit diploiden Kernen zu den Zellen mit tetraploiden Kernen von 6:4 (Abb. 2). Bei den gleichartigen Tieren, die dem DurstprozeB unterzogen worden sind, betragt das Verhaltnis der diploiden Zellkerne zu den tetraploiden 9: I (Abb. 2). Diese Veranderung des hepatozellularen Ploidiemusters, das einen Durst-induzierten Verlust der tetraploiden Kerne aufzeigt, ist hoch signifikant (P < 0,0005). 3. Morphometrische Befunde (Tab. 1) (Abb. 3)

a) Zelle und Kern Unter dem EinfluB einer zehntagigen Durstperiode wird das durchschnittliche Zelleinzelvolumen von 55°° flm 3 auf 3000 flm 3 reduziert (P < 0,0125) (Abb. 4). Das durchschnittliche Einzelvolumen der Zellkerne sinkt von 450 flm 3 auf 300 flm B ab (P<0,05). Die Verteilung der Kerndurchmesser im Karyogramm zeigt ein Uberwiegen der Kerne mit kleinerem Durchmesser. Der mittlere Kerndurchmesser sinkt dementsprechend von 8 flm 3 auf 7 flm 3 (P < 0,0005) abo Die Kern-Plasmarelation hat sich von 1:12 auf 1:10 zugunsten des Kernes verschoben (P < 0,001).

b) Mitochondrien Der Volumenanteil der Mitochondrien am Einheitsvolumen Lebergewebe ist nach Ablauf der zehntagigen Durstperiode urn 15010 angestiegen (P < 0,00 I 2 5) (Abb. 5). Das absolute Mitochondrienvolumen, das auf eine Zelle entfallt, ist jedoch verglichen mit der Kontrolle urn 15010 kleiner 26 Beitr. Path. Bd. 153

384 . U. N. RIEDE, W. KREUTZER, T. ROBAUSCH, G. KIEFER und W. SANDRITTER

Abb. 1. Ausschnitt aus einem LeberEippchen nach lotagiger partieller Durstperiode (Exsiccose): Die Leberparenchymzellen sind auffallig verkleinert. Die Kern-Plasmarelation ist zugunsten des Kernes verschoben. Beachte die Lysosomenanhaufung im Bereiche der Gallenkapillaren. Vergr. 4 500 X. Fig. 1. Liver parenchymal cells reduced in size after 10 days of partial water deprivation (exsiccosis). Note the enlargement of the mitochondria and the peribiliary accumulation of lysosomes. Magn. 4 500 X.

Lebermorphometrie beim Durst . 3 8 5

N K

4

2 1·

20

Th

30

ffi

40

~ ~50

DNA

N 1H O-

2

9

8

6

4

3 2

Abb. 2. Ploidiemuster der Leberzellkerne (Haufigkeit und relativer DNS-Gehalt der Leberzellkerne): Bei den Kontrollen (= K) sind 60Q/o aller Kerne diploid und 40% tetraploid. Bei den Durst-Tieren (H20-) sind 90% aller Kerne diploid und nur nom 10% sind tetraploid. N = Anzahl der Kerne; DNA = relativer DNS-Gehalt der Kerne. Fig. 2. Pattern of nuclear ploidy according to the relative DNA content of the analysed liver cell nuclei: The controls (= K) show a 6:4 ratio of diploid of tetraploid nuclei. The exsiccotic animals (= H20-) show a 9:r ratio.

386 . U. N. RIEDE, W. KREUTZER, T. ROBAUSCH, G. KIEFER und W. SANDRITTER

N

Abb.3. Prozentuale Volumenanteile der verschiedenen Zellorganellen und Zellkompartimente am Hepatocyten nach lotagiger partieller Exsiccose ( = H20-) verglichen mit den Kontrollen (= K). N = Kern; M = Mitochondrien; RER = rauhes endoplasmatisches Reticulum; SES = glattes endoplasmatisches Reticulum; GLY = Glycogenareale; schwarzer Sektor: Microbodies; schraffiertes Sektor = Lysosomen. Fig. 3. P ercentage of the different cell organelles and compartments in hepatocytes after 10 days of partial exsiccosis (= H20-) compared with the controls (= K). N = nucleus; M = mitochondria; RER = rough endoplasmic reticulum; SER = smooth endoplasmic reticulum; GLY = glycogen areas; black sector = microbodies; lined sector = lysosomes.

VVM

VYH/N

H

60

02 01S 01

20 005 K

H0

Abb·4

K

H0

Abb· S

Abb.4. VVH/ NvNH = Hepatocyten-Einzelvolumen nach lotagiger partieller Exsiccose (H20-) verglichen mit den Kontrollen ( = K). Fig. 4. VVH/NvNH hepatocytic single volume after 10 days of partial exsiccosis (= H20-) compared with controls (= K). (Mean value and 2 SD.) Abb. 5. VVM = Volumendichte der Mitochondrien (cm 3/cm 3 ) nach lotaglger partieller Exsiccose (H20-) verglichen mit den Kontrollen (= K) (Mittelwert und 2 SD). Fig. 5. VVM = Volume density of mitochondria (cm a/cm 3 ) after 10 days of partial exsiccosis ( = H20-) compared with the controls ( = K) (Mean value and 2 SD).

Lebermorphometric beim Durst . 387

100

50

Abb.6

Abb·7

Abb.6. NYMiVyC = Anzahl Mitochondricn im Einheitsvolumcn Cytoplasm a (em-3) nach Iodgiger partieller Exsieeose (= H 20-) verglichen mit den Kontrollen (= K) (Mittel wert und 2 SD). Fig. 6. N YMiVyC = mitochondrial number per unit volume of eytoplam (em-3) after 10 days of partial exsiccosis ( = H 20-) compared with the controls (= K) (Mean value and 2 SD). Abb. 7. VY!1B/NYNH = Microbodyvolumen pro Zellkern (cm 3) (mononuclearer Hepatocyt) nach lodgiger partieller Exsiccose (= H20-) verglichen mit den Kontrollen (= K) (Mittel wert und SD). Fig. 7. VYMB/NYNH = microbody volume per nucleus (cm3) (mononuclear hepatocyte) after 10 days of partial exsiccosis (= H20-) compared with the controls (= K) (Mean value and 2 SD).

(Tab. I) (P < 0,012 5). Die Anzahl der Mitochondrien ist sowohl pro Zelle als auch im Einheitsvolumen Cytoplasma (Abb. 6) wesentlich kleiner als bei den Kontrolltieren. Das mittlere Einzelvolumen der Mitochondrien ist um beinahe Zweidrittel groBer geworden (P < 0,0125) (Tab. I). Die Cristaemembranen der Mitochondrien verandern sich weder im Einheitsvolumen Lebergewebe noch im Einheitsvolumen Cytoplasma noch im Einheitsvolumen Mitochondrien. Hingegen fallt der Cristaegehalt der Mitochondrien einer Leberzelle entsprechend dem gesamten Cytoplasmaverlust urn 20% ab (P < 0,025). Die Anzahl der Grana mitochondriales sinkt verglichen mit den Kontrollen im Einheitsvolumen Mitochondrien um 15% ab (P < 0,05). c) Peroxysomen Der Volumenanteil cler Peroxysomen am Einheitsvolumen Cytoplasma (Abb. 7 a) steigt um 50% an (P < 0,05), wahrend das absolute Peroxysomenvolumen, das eine Zelle enthalt, durch den DurststreB um die Halfte

388 . U. N. RIEDE, W. KREUTZER, T. ROBAUSCH, G. KIEFER und W. SANDRITTER Tabelle 1. Morphometrische Daten Table 1. Morphometric Data ----~

morphometrische Symbole

Kontrollen ( controls)

(K)

partieller Durst (H20-) (partial exsiccosis)

Mittelwert

Standardabweidlung

Mittelwert

x

Standardabwcichung

x

0 - - --

------- - -

p

0 ~

Kerndurchmesser (Nuclear diameter)

7,94 2

1,9 20

7, 10 7

1,95 0

0,0005

NVNH.LV

1631'106

3 I1 ' 105

1166'106

171'10 5

0,05 0, 002 5

VVNH/NYNH

437,8

39,42

280,0

19,45

VYH/NYNH

551 1

13 0 ,7

29 88

33 0 ,7

0,02 5

VYH/VYNH

12,67

0,4 19

10,65

0,594

0,005

NVM

0,234

0,010

0,201

0, 01 7

0, 02 5

NnliVvc

0,239

0,009

0, 20 5

0,020

0, 02 5

354,3

4 27,9

17,95

0,005

NVM/ NYNH VVM/ NYM

1393 0, 86 7

0,055

1,315

0, 20 4

0,05

VY~f

0,177

0,004

0, 21 9

0,02 4

0,02 5

0,005

0, 26 9

0,034

0, 02 5 0,05

VVM/VyC

0, 20 7

Vnl/NYNH

10 47

237,0

7 2 3,6

90 ,29

SYMC

2,01 5

0,469

2,4 8 5

0,3 6 9

n. s.

9,432

0,531

n. s.

SVMCiVyC

9.947 2, 06 3

2, 21 3 0,494

2,535

0,4 00

n. s.

SVMC/NYNH

10118

686,5

81 94

95 8,9

0, 02 5

NVGM

19,07

1,152

18,23

1,620

n. s. 0,05

SVMCiVYM

NYGMiVYM

94,3 1

7,234

69,27

11,85

NVMB

0,128

0,01 9

0,112

0, 01 7

n. s.

NYMB/VyC

0,131

0,021

0,115

0,01 9

n. s.

NYMB/NYNH

747,7

13 8,0

368 ,7

28,5 0

0,005

VYMBINYMB

0,106

0,051

0,126

0,051

n. s.

VVMB

0,022

0,001

0,021

0,001

n. s.

VYMBlVyC

0, 01 5

0,008

0,026

0,001

0,05

VYMBlNVNH

133,1

31,8 I

7 1,47

8,43 I

0, 02 5

VVREWVyC

0,143

0, 02 9

0,15 0

0,03 1

n. s.

SVREWVyC

3,05 0

0,688

2,747

0, 21 7

n. s.

VYSEWVyC

0,090

0,018

0,05 6

0, 01 5

0,05

SVSERiVyC

2,076

0,39 0

1,233

0>35 6

0,02 5

VVLYSO

0,004

0,001

0,007

0,001

0,05

VYLYSo/VyC

0,005

0,001

0,008

0,001

0,005

_. _- -- --- ----- - -_ .--,-- -

Lebermorphomctric beim Durst . 389

kleiner geworden ist (P < 0,025). Die Peroxysomenzahl einer Zelle sinkt auf die Halfte des urspriinglichen Wertes ab (Abb. 7 b) (P < 0,005), ohne da6 sich die Peroxysomenzahl im Einheitsvolumen Cytoplasma verandert. Auch das mittlere Peroxysomeneinzelvolumen verandert sich nicht. d) Endoplasmatisches Retikulum

Wahrend das rauhe endoplasmatische Retikulum keine Veranderung seines Volumens und seines Membrangehaltes erfahrt, werden das Volumen und die Membranen des glatten endoplasmatischen Retikulums im Einheitsvolumen Cytoplasma (Abb. 8) urn ein Drittel herabgesetzt (P < 0,05)·

VVSEPy'VVC

0,08

0,06

0,04

0,02 K

H2 0-

Abb.8. VYSER/VVC = Volumenanteil des glattcn endoplasmatisehen Reticulums am Einheitsvolumen Cytoplasma (em 3/cm3) naeh 10tagiger partieller Exsiccose (= H20-) verglichen mit den Kontrollen (= K) (Mittelwert und 2 SD). Fig. 8. VVSER/VVC = Volume of the smooth endoplasmic reticulum per unit volume cytoplasm (cm 3/cm 3) after 10 days of partial exsiccosis (= H20-) compared with controls (= K) (Mean value and 2 SD).

e) Lysosomen

Der Volumenanteil der Lysosomen am Cytoplasma steigt bei den Dursttieren betrachtlich an (P < 0,05).

f) Glykogen Glykogen konnte ultrastrukturell bei den Dursttieren nicht mehr nachgewiesen werden (P < o,ooor).

39 0

•

U. N.

RIEDE,

W.

KREUTZER,

T.

RonAuscH,

G.

KIEFER

und W. SAND RITTER

Diskussion Nach Ablauf einer zehntagigen partiellen Durstperiode werden das Ploidiemuster und die quantitative Cytoarchitektur der Leberparenchymzelle erheblich umgestaltet. Diesc Veranderung gcht mit ciner Storung der Isotonie und Isovolamie einher, wie sie durch den Durst als hypertone Dehydrierung ausgelost wird. Der Organismus wirkt dieser Storung einerseits mit dem Adiuretin und andererseits mit dem Angiotensin V-Aldosteronsystem entgegen (ULLRICH, 1970; REINHARDT et al., 1969; LEONIENI und RECHARDT, 1972; WHITAKER und LA BELLA, 1972). Aldosteron beeinfluBt aber auch wie die anderen Corticosteroide den Stoffwechsel der Leberzelle (BORTH, 1956; FRUTON und SIMMONDS, 1958; MAGALHAES und MAGALHAES, 1970). Es ist deshalb anzunehmen, daB an der Durst-bedingten Veranderung der hepatozellularen Cytoarchitektur auch die oben genann ten Systeme beteiligt sein konnen. Wie aus Durstversuchen am Hund hervorgeht, wird der teilweise Verlust an extrazellularer Fliissigkeit anderweitig ersetzt. Dies geschieht dadurch, daB Fliissigkeit yom Intrazellularraum in den Extrazellularraum verschoben wird. Der Anteil an Fliissigkeit, der dabei yom EiweiBabbau herriihrt, ist betrachtlich (GAMBLE, 195 I). Der erhebliche Parenchymverlust auBert sich nicht nur in einer Reduktion des Lebergewichtes, sondern auch in einer Reduktion der gesamten Zellzahl der Leber. Sie betragt bei Normalratten 1500 X 106, ein Wert, der mit denjenigen anderer Untersucher iibereinstimmt (LOUD et al., 1968; WEIBEL et al., 1969; ROHR et al., 1971; REITH et al., 1973). Er sinkt nach der zehntagigen Durstperiode urn die Halfte ab und betragt nur noch 700 X 106• Auffallig ist Ferner die Tatsache, daB die Leberzellen nur noch diploidc Kerne aufweisen, wahrend bei den Kontrolltieren die Kerne zu 60% aus diploiden und zu 40% aus tetraploiden Kernen bestehen. Der erhebliche Parenchymverlust spiegelt sich auch in einer Reduktion aller morphologischen Zell- und Kernparameter wieder: Das Einzelvolumen der Leberparenchymzelle sinkt von 5500 flm 3 auf 3000 flm 3 ab, ebenso wird das Einzelvolumen der Zellkerne von 450 flm 3 auf 250 flm 3 verkleinert. Dies driickt sich auch im Karyogramm aus, in dem nach der zehntagigen Durstperiode die Kerne mit kleinem Durchmesser iiberwiegen. SchlieBlich wird die Kern-Plasma-Relation zugunsten des Kernes verschoben. Diese Befunde erlauben den SchluB, daB unter dem EinfluB der zehntagigen Durstperiode ein GroBteil der Leberzellen und des hepatozellularen Parenchyms verloren gehen. Vermutlich wird dadurch, ahnlich wie nach der Hepatektomie, ein Regenerationsmechanismus ausgelost, in dessen Verlauf sich die restlichen Leberparenchymzellen mitotisch teilen, so daB der

Lebermorphometrie beim Durst . 391 durchschnittliche DNA-Gehalt der Leberparenchymzelle reduziert wird. Der Volumenanteil der Mitochondrien am Cytoplasma und am Lebergewebe steigt im Verlaufe der zehntagigen Durstperiode erheblich an. Dieselbe Veranderung wirdauch beim chronischen partiellen Hunger beobachtet (RIEDE et aI., 1973). In der Tat miinden lange dauernde Hungerund Durstperioden in den gleichen StoffwechselengpaB ein (GAMBLE, 1954; SCHWAB und KUHNS, 1959; BLAND, 1963). Das effektive Mitochondrienvolumen in den durch den DurststreB verkleinerten Hepatozyten ist allerdings, verglichen mit den Kontrollen, reduziert, so daB der Anstieg des Mitochondrienanteils am Cytoplasma auch auf einen Cytoplasmaverlust zuriickzufiihren ist. Auf jeden Fall wird die quantitative Cytoarchitektur der Leberparenchymzellen derart umgegliedert, daB die Mitochondrien im Cytoplasma iiberwiegen. Dieser als "Mitochondriose" bezeichnete Zustand wird als funktionelle Anpassung an einen gesteigerten Energiebedarf der Zelle aufgefa6t (RATCLIFF und KING, 1969; SENGEL und STOBNER, 1970; AUMULLER, FORSSMANN, 1973). Diese Interpretation wird durch die Verdoppelung des Volumenanteils der Peroxysomen am Cytoplasma bestatigt, obschon die Peroxysomenzahl pro Hepatozyt urn die Halfte absinkt. Die Peroxysomen sind namlich am oxydativen Stoffwechsel beteiligt, indem sie die zelltoxischen Peroxyde, die sich besonders bei Zellschadigungen anhaufen, beseitigen (DE DUVE, 1973; REDDY, 1973; RIEDE und ROHR, 1974). Das unterschiedliche Verhalten der Kernmasse, die abnimmt, und der Mitochondrienmasse, die zunimmt, findet auch biochemisch seine Bestatigung. So ist der 3H-Thymidineinbau in die Kern-DNS nach zweiwochiger Mangelernahrung drastisch gedrosselt, wah rend der 3H_ Thymidineinbau in die Mitochondrien-DNA sogar iiber die Norm ansteigt (DALLMAN, 1971): The apparently contrasting effects of malnutrition on DNA-Synthesis in two intercellular sites within the same cell population may favor energyrequiring functions over proliferation when availability of substrates from dietary sources is diminished (DALLMAN, 1971). Wah rend nach der zehntagigen Durstperiode die Gesamtheit aller Leberzellkerne aus einer kleineren Anzahl verkleinerter Kerne besteht, wird das hepatozellulare Chondriom, das hei6t die Gesamtheit aller Mitochondrien in einer Leberzelle, durch eine kleinere Anzahl vergro6erter Mitochondrien umgegliedert. Aufgrund der Tatsache, da6 bei den Mitochondrien weder eine Cristo lyse noch eine Matricolyse auf tritt, ist eine mogliche Mitochondrienschwellung fiir das Zustandekommen der vergro6erten Mitochondrieneinzelvolumina auszuschlie6en. Aufgrund der Cristaeproliferation sind entweder eine Mitochondrienhypertrophie und/oder ein Mitochondrienfusionsproze6 als die beiden wahrscheinlichsten patho-

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U. N. RIEDE, W. KREUTZER, T. ROBAUSCH, G. KIEFER und W. SANDRITTER

genetischen Mechanismen der Mitochondrienvergro6erung zu betrachten (ROHR und RIEDE, RIEDE et ai., I 973). Erwahnenswert in diesem Zusammenhang ist die quantitative, hepatozellulare Cytoarchitektur der normal en Wiistenratten (Meriones crassus). Diese Tiere sind an das Leben in der Wiiste adaptiert und gegeniiber einer Dehydratation resistent (LEGAIT, I960; LEGAIT und Roux, I96I). Sie nehmen als Bewohner der Wiisten und Steppen kein Trinkwasser zu sich und sind folglich auf eine vermehrte Produktion von Oxydationswasser angewiesen (PETTER, I951, I953; V. BUDDENBROCK, I956; HUMMEL, I963). Das hepatozellulare Chondriom dieser Meriones besteht ebenfalls - verglichen mit den Wistarratten - aus einer kleineren Anzahl vergro6erter Mitochondrien (RIEDE et ai., I 972). Durch den Durststre6 wird die Oberflache der Cristaemembranen im Einheitsvolumen Cytoplasma erhoht. Die gesamte Oberflache der Cristaemembranen pro Zelle jedoch nimmt abo Dieser Umstand ist auf das reduzierte Gesamtvolumen der Mitochondrien pro Zelle zuriickzufiihren. Beriicksichtigt man die Tatsache, da6 das Oxydationswasser ein Sechstel der taglichen Wassereinnahme ausmacht, und von der mitochondrial gesteuerten biologischen Oxydation herstammt (REIN-SCHNEIDER, I 97 I), so la6t sich vermuten, die Durst-induzierte "Mitochondriose" sei Ausdruck einer cytoplasmatischen Anpassungsreaktion (vgi. auch REINHARDT et ai., I969; RIEDE et ai., I973). 1m hepatozellularen Cytoplasma werden das Volumen und die Membranen des rauhen und des glatten endoplasmatischen Retikulums durch die zehntagige Durstperiode reduziert. Bei chronischem partiellem Hunger finden sich wie beim Chondriom diesel ben morphologischen Veranderungen (RIEDE et ai., I973). Diesen Befunden zufolge riickt im Stoffwechsel der Leberzelle die synthetische und die metabolische Tatigkeit in den Hintergrund, wahrend der Energiestoffwechsel, zumindest kompartimentsma6ig, an Bedeutung gewinnt.

Zusammenfassung Unter dem EinfluB einer zchntagigcn Durstperiode wurden die Zelle und der Zellkern urn ein Drittel kleiner. Die Zellzahl pro Gcsamtleber sinkt drastisch abo Die Dursttierc weisen, verglichen mit den Kontrollen, keine tetraploiden Kerne mehr auf und sind beinahe ausnahmslos diploid. Dies bedeutet daB, als Folge des Parenchymverlustes, die restlichen Zellen einen regeneratorischen TeilungsprozeB durchlaufen. Das Cytoplasma enthalt relativ mehr und auch vergroBerte Mitochondrien, ohne daB die Cristaemembranen, infolge einer Cristolyse, verloren haben. Dicse "Mitochondriose" des Cytoplasmas ist vermutlich, zusammen mit der relativen Peroxysomenvermehrung, als AdaptationsprozeB des Cytoplasmas zu werten. Als Zeichen der beginnenden Zell-

Lebermorphometric beim Durst .

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schadigung nimmt die Anzahl der Grana mitochondriales sowie das gesamte glatte endoplasmatische Reticulum abo Die Glykogenreserven sind wohl als Folge des den Durst begleitenden Hungers aufgebraucht. Diese cytoplasmatische Umgliederung wird durch die Lysosomenvermehrung widergespiegelt. Wir danken Herrn A. ROMBACH fur seine ausgezeichnete Mitarbeit.

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