Basic Research in Cardiology

, Volume 75, Issue 4, pp 555–571

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

  • L. R. Bush
  • M. Shlafer
  • D. W. Haack
  • B. R. Lucchesi
Original Contributions

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.

Zeitabhängige Veränderungen von Funktion und Ultrastruktur der Mitochondrien nach Koronarverschluß und Reperfusion beim Hundeherzen

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.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1.
    Gudbjarnason, S., P. Mathes, K. G. Ravens: Functional compartmentation of ATP and creatine phosphate in heart muscle. J. Mol. Cell. Cardiol.1, 325–339 (1970).PubMedGoogle Scholar
  2. 2.
    Hearse, D. J.: Reperfusion of the ischemic myocardium. J. Mol. Cell. Cardiol.9, 605–616 (1977).PubMedGoogle Scholar
  3. 3.
    Henry, P. B., R. Shuchlick, J. Davis, E. S. Weiss, B. E. Sobel: Myocardial contracture and accumulation of mitochondrial calcium in ischemic rabbit heart. Amer. J. Physiol.233, 677–684 (1977).Google Scholar
  4. 4.
    Herdson, P. B., H. M. Sommer, R. B. Jennings: A comparative study of the fine structure of normal and ischemic dog myocardium with special reference to early changes following temporary occlusion in a coronary artery. Amer. J. Pathol.46, 367–386 (1965).Google Scholar
  5. 5.
    Hillis, L. D., E. Braunwald: Myocardial ischemia. New Engl. J. Med.296, 971–978 (1977).PubMedGoogle Scholar
  6. 6.
    Jennings, R. B., H. M. Sommers, J. P. Kaltenbach, J. J. West: Electrolyte alterations in acute myocardial ischemic injury. Circulat. Res.14, 260–269 (1964).PubMedGoogle Scholar
  7. 7.
    Jennings, R. B., J. P. Kaltenbach, H. M. Sommers: Mitochondrial metabolism in ischemic injury. Arch. Pathol.84, 15–19 (1967).PubMedGoogle Scholar
  8. 8.
    Jennings, R. B., H. M. Sommers, P. B. Herdson, J. P. Kaltenbach: Ischemic injury of myocardium. Ann. N.Y. Acad. Sci.7, 61–78 (1969).Google Scholar
  9. 9.
    Jennings, R. B., M. B. Herdson, H. M. Sommers Structural and functional abnormalities in mitochondria isolated from ischemic dog myocardium. Lab. Invest.20, 548–557 (1969).PubMedGoogle Scholar
  10. 10.
    Jennings, R. B., C. E. Ganote, R. A. Kloner, D. A. Whalen, Jr.,D. G. Hamilton: Explosive swelling of myocardial cells irreversibly injured by transient ischemia. In: Recent Advances in Studies on Cardiac Structure and Metabolism. Volume 6, 405–413 (Baltimore 1975).Google Scholar
  11. 11.
    Jennings, R. B., C. E. Ganote: Mitochondrial structure and function in acute myocardial ischemic injury. Circulat. Res. Suppl. I,38, 180–191 (1976).Google Scholar
  12. 12.
    Katz, A. M.: Effects of ischemia on the contractile processes of heart muscle. Amer. J. Cardiol.32, 456–460 (1973).PubMedGoogle Scholar
  13. 13.
    Kloner, R. A., C. E. Ganote, R. B. Jennings: The “no reflow” phenomenon after temporary coronary occlusion in the dog. J. Clin. Invest.54, 1496–1508 (1974).PubMedGoogle Scholar
  14. 14.
    Lehninger, A. L.: Mitochondria and calcium ion transport. Biochem. J.119, 128–138 (1970).Google Scholar
  15. 15.
    Lucchesi, B. R., W. E. Burmeister, T. E. Lomas, G. D. Abrams: Ischemic changes in the canine heart as affected by the dimethyl analog of propranolol, UM-272 (SC-27761). J. Pharmacol. Exper. Ther.199, 310–328 (1976).Google Scholar
  16. 16.
    Mathes, P., S. Gudbjarnason: Changes in norepinephrine stores in the canine heart following experimental myocardial infarction. Amer. Heart J.81, 211–219 (1970).Google Scholar
  17. 17.
    Murfitt, R. A., J. W. Stiles, W. J. Powell Jr., D. R. Sanadi: Experimental myocardial ischemia characteristics of isolated mitochondrial subpopulations. J. Mol. Cell. Cardiol.10, 109–123 (1978).PubMedGoogle Scholar
  18. 18.
    Murphy, M. L., J. J. Kane, K. D. Straub, J. E. Doherty: Impairment of mitochondrial function following reperfusion of acutely ischemic myocardium. In: Recent Advances in Studies on Cardiac Structure and Metabolism, Volume8, 343–351 (Baltimore 1975).Google Scholar
  19. 19.
    Nachlas, M. M., T. K. Shnitka: Macroscopic identification of early myocardial infarcts by alterations in dehydrogenase activity. Amer. J. Pathol.42, 379–405 (1963).Google Scholar
  20. 20.
    Peng, C. F., J. J. Kane, M. L. Murphy, K. D. Straub: Abnormal mitochondrial oxidative phosphorylation of ischemic myocardium reversed by Ca++-chelating agents. J. Mol. Cell. Cardiol.9, 897–908 (1977).PubMedGoogle Scholar
  21. 21.
    Richardson, J. A., E. F. Woods, E. E. Bagwell: Circulating epinephrine and norepinephrine in coronary occlusion. Amer. J. Cardiol.5, 613–618 (1960).Google Scholar
  22. 22.
    Richardson, J. A.: Circulating levels of catecholamines in acute myocardial infarction and angina pectoris. Progr. Cardiovasc. Dis.6, 56–62 (1963).Google Scholar
  23. 23.
    Rutenberg, H. L., J. F. Spann: Alterations of cardiac sympathetic neurotransmitter activity in congestive heart failure. Amer. J. Cardiol.32, 472–480 (1973).PubMedGoogle Scholar
  24. 24.
    Shen, A. C., R. B. Jennings: Myocardial calcium and magnesium in acute ischemic injury. Amer. J. Pathol.67, 417–440 (1972).Google Scholar
  25. 25.
    Shen, A. C., R. B. Jennings: Kinetics of calcium accumulation in acute myocardial ischemic injury. Amer. J. Pathol.67, 441–452 (1972).Google Scholar
  26. 26.
    Sobel, B., E. Jequier, A. Sjoerdsma, W. Lovenberg: Effect of catecholamines and adrenergic blocking agents on oxidative phosphorylation in rat heart mitochondria. Circulat. Res.19, 1050–1961 (1966).PubMedGoogle Scholar
  27. 27.
    Sordahl, L. A., C. Johnson, Z. R. Blailock, A. Schwartz: The mitochondrion. In: Methods in Pharmacology, Vol.1, 247–286 (New York 1971).Google Scholar
  28. 28.
    Tennant, R., C. J. Wiggers: The effect of coronary occlusion on myocardial contraction. Amer. J. Physiol.112, 351–361 (1935).Google Scholar
  29. 29.
    Wood, J. M., H. G. Hanley, M. L. Entman, C. J. Hartley, J. A. Swain, V. Busch, C. H. Chang, R. M. Lewis, W. J. Morgan, A. Schwartz: Biochemical and morphological correlates of acute experimental myocardial ischemia in the dog. Circulat. Res.44, 52–61 (1979).PubMedGoogle Scholar

Copyright information

© Dr. Dietrich Steinkopff Verlag 1980

Authors and Affiliations

  • L. R. Bush
    • 1
    • 2
    • 3
  • M. Shlafer
    • 1
    • 2
    • 3
  • D. W. Haack
    • 1
    • 2
    • 3
  • B. R. Lucchesi
    • 1
    • 2
    • 3
  1. 1.Department of PharmacologyThe University of Michigan Medical SchoolAnn Arbor(U.S.A.)
  2. 2.Department of AnatomyThe University of Michigan Medical SchoolAnn Arbor(U.S.A.)
  3. 3.the Upjohn Center for Clinical PharmacologyThe University of Michigan Medical SchoolAnn Arbor(U.S.A.)

Personalised recommendations