, Volume 75, Issue 4, pp 555-571

Time-dependent changes in canine cardiac mitochondrial function and ultrastructure resulting from coronary occlusion and reperfusion

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Summary

Time-dependent changes in mitochondrial function and structure resulting from 1 hr of left circumflex coronary artery occlusion followed by 2 to 24 hrs of reperfusion were examined. These changes were correlated with changes in myocardial ultrastructure, tissue water content, infarct size and mitochondrial calcium content. The heart was removed after different periods of reperfusion, and mitochondria were isolated from ischemic and nonischemic regions of the left ventricle. Tissue samples from ischemic and nonischemic myocardium also were taken for electron microscopy and tissue water content determinations. Infarct size was measured by the nitroblue tetrazolium staining method. Oxygen consumption by mitochondria isolated from ischemic and nonischemic myocardium was measuredin vitro. Mitochondria from ischemic myocardium showed time-dependent decreases in rates of oxygen consumption and tightness of coupling. Electron microscopy revealed progressive ultrastructural deterioration in ischemic myocardium, including accumulation of calcium deposits within mitochondria, a finding corroborated by elevated concentrations of calcium in mitochondria isolated from the same area. Tissue wet-to-dry weight ratios were increased significantly in ischemic myocardium. A small, but significant, decrease in respiratory function was observed in mitochondria isolated from nonischemic myocardium several hrs after reperfusion; however, nomal respiration was observed 24 hrs after release of occlusion. This latter observation indicates that the nonischemic zone also is affected by regional ischemia. The results obtained indicate that temporary left circumflex artery occlusion and reperfusion result in progressively decreasing mitochondrial function and structure within the ischemic myocardium, and that these changes are accompanied by cellular electrolyte alterations.

Zusammenfassung

Untersucht wurden zeitabhängige Veränderungen in Struktur und Funktion der Mitochondrien, die durch einstündigen Verschluß und 2- bis 24stündige Reperfusion des Ramus circumflexus der linken Koronararterie erzeugt wurden. Diese Veränderungen wurden mit Veränderungen der myokardialen Ultrastruktur, dem Wassergehalt des Gewebes, der Infarktgröße und dem mitochondrialen Calciumgehalt korreliert. Das Herz wurde nach verschiedenen Reperfusionszeiten entnommen und die Mitochondrien aus ischämischen und nichtischämischen Gebieten des linken Ventrikels isoliert. Ebenso wurden Gewebeproben von ischämischem und nichtischämischem Myokard für Elektronenmikroskopie und Bestimmung des Wassergehaltes des Gewebes entnommen. Die Infarktgröße wurde durch die Anfärbung mit Nitroblau-Tetrazolium bestimmt. Der Sauerstoffverbrauch der Mitochondrien aus ischämischem und nichtischämischem Myokard wurdein vitro gemessen. Mitochondrien aus ischämischem Myokard zeigten eine zeitabhängige Abnahme des Sauerstoffverbrauchs und seiner Bindung an die Phosphorylierung von ADP. Die Elektronenmikroskopie zeigte eine fortschreitende Zerstörung der Ultrastruktur im ischämischen Myokard, einschließlich einer Zunahme der Calciumablagerungen in Mitochondrien, was mit erhöhten Calciumkonzentrationen in Mitochondrien aus dem gleichen Gebiet übereinstimmte. Im ischämischen Myokard war die Relation Feuchtgewicht/Trockengewicht signifikant erhöht. Eine geringe, aber signifikante Abnahme der Atmung wurde in Mitochondrien, die nach einigen Stunden Reperfusion aus nichtischämischem Myokard isoliert worden waren, beobachtet; aber nach 24 h Reperfusion fand sich normale Atmung. Letzteres weist darauf hin, daß auch das nichtischämische Gebiet von der regionalen Ischämie betroffen ist. Die Ergebnisse zeigen, daß vorübergehender Verschluß des Ramus circumflexus der linken Koronararterie und Reperfusion zu fortschreitender Zerstörung mitochondrialer Funktion und Struktur führen und daß diese Veränderungen von Änderungen des Electrolytstatus der Zelle begleitet werden.

With 5 figures and 2 tables
This study was supported in part by U.S.P.H.S. Grant #HL-19782-03 and by Grants-in-Aid from the American and Michigan Heart Associations.
Pre-doctoral Fellow supported by U.S.P.H.S. Training Grant #GM-00198-19.