Das mechanische und elektrische Verhalten isolierter embryonaler Herzmuskelzellen in Zellkulturen

Summary

A new photoelectrical device was constructed in order to investigate the mechanical and electrical activity of embryonic chick heart cells cultured in vitro. The results derived from single individual cells as well as from small cell clusters after 2 to 4 days in culture can be summarized as follows:

• 1. Cultured beating heart cells can be divided into three groups: (i) ventricle-like cells with a large plateau-forming action potential followed by a correspondingly long-lasting (300 msec) mechanogram, (ii) atrium-like cells showing a significantly shorter action potential and a very brief (50 msec) contraction, (iii) pacemaker cells having all the typical signs of a frequent automatic impulse generation but a very small and shortlasting contractile activity.

• 2. All types of cultured heart cells exhibit the phenomena of “staire-case”, of postextrasystolic and post-tetanic potentiation and of a frequency-depending diastolic tone.

• 3. Increase of the extracellular Ca⁺⁺ content (up to 4 mM/l) results in a positive inotropic effect as well as in a significant prolongation of the contraction courve. Under these circumstances the slow diastolic depolarizations becomes more and more effective in excitation-contraction coupling producing finally synchroneous activations of the contractile system.

• 4. Further increase in the extracellular Ca⁺⁺-concentration (5–10 mM/l) leads to an inhibition of the relaxation and, for a short period, to an irregular fibrillatory activity. After 10–20 min in the Ca⁺⁺-rich medium, cells stop beating in a highly contracted state showing all the signs of an irreversible cell damage.

• 5. Lowering the temperature (from 37 to 22° C) slows the rate of spontaneous beating (Q₁₀=2,4 for cooling and 3,8 for rewarming), prolongs the duration of the action potential as well as the peak time and the relaxation time (Q₁₀=2,3 for all three parameters in both directions), but do not produce any measurable inotropic effect.

• 6. Cultured embryonic heart cells are completely insensitive to adrenergic substances. Although the whole embryonic heart (embryonic age 8–10 days) shows all the well known signs of an adrenergic responsiveness, even high doses of epinephrine, aludrine or norepinephrine produce neither an inotropic nor a chronotropic effect in the cultured chick heart cells. This result is tentatively explained by assuming a tryptic inactivation or digestion of the specific β-receptor.

Zusammenfassung

Es wird der Aufbau einer photoelektrischen Registriereinrichtung beschrieben, mit der gleichzeitig die mechanische und die elektrische Aktivität isolierter embryonaler Herzmuskelzellen aus Zellkulturen registriert werden kann. Die an Einzelzellen und kleineren Zellkomplexen vom Hühnchen gewonnenen Ergebnisse können wie folgt zusammengefaßt werden:

• 1. Auch in der Zellkultur lassen sich drei Typen pulsierender Herzmuskelzellen unterscheiden. a) Ventrikelartige Zellen mit einem langdauernden, plateaubildenden Aktionspotential und einer entsprechend breiten Kontraktionskurve, b) vorhofartige Zellen mit erheblich kürzeren Aktionspotentialen und auffällig schmalen Spike-artigen Kontraktionen, c) Schrittmacherzellen mit allen Kennzeichen einer frequenten automatischen Erregungsbildung bei schwacher und kurzdauernder Kontraktionstätigkeit.

• 2. Bei den drei Typen der beschriebenen Herzmuskelzellen lassen sich die Phänomene der “Treppe”, der postextrasystolischen und post-tetanischen Potenzierung und das Auftreten frequenzabhängiger diastolischer Kontraktionsrückstände nachweisen.

• 3. Erhöhung der extracellulären Ca⁺⁺-Konzentration (bis zu 4 mM Ca⁺⁺/l) führt zu einer Amplitudenzunahme des Mechanogramms bei gleichzeitiger Verbreiterung der Kontraktionskurve. Zusätzlich werden in dieser Situation die langsamen diastolischen Potentialbewegungen an der Membran in zunehmendem Maße kontraktionswirksam, so daß die Kontraktionskurve schließlich ein nahezu synchrones Abbild des bioelektrischen Potentialverlaufs an der Membran wird.

• 4. Weitere Erhöhung der extracellulären Ca⁺⁺-Konzentration (5–10 mM Ca⁺⁺/l) führt zu überdauernden Kontraktionsrückständen, kurzzeitiger fibrillatorischer Aktivität und schließlich zu einer irreversiblen Schädigungskontraktur der kultivierten Herzmuskelzellen.

• 5. Temperaturerniedrigung (von 37 auf 22° C) verlangsamt die Pulsationsrate (Q₁₀=2,4 bei Kühlung und 3,8 bei Wiedererwärmung), verlängert die Dauer von Aktionspotential, Gipfelzeit und Erschlaffungszeit (Q₁₀=2,3 für alle drei Meßgrößen bei Variation der Temperatur in beiden Richtungen), führt jedoch nicht zu einem meßbarenpositiv-inotropen Effekt.

• 6. Kultivierte embryonale Herzmuskelzellen sind vollständig unempfindlich gegenüber adrenergen Substanzen. Obwohl das intakte embryonale Hühnerherz (Brutalter 8–10 Tage) bereits alle Reaktionen einer adrenergen Stimulation zeigt, war selbst durch höchste Dosen von Adrenalin, Noradrenalin und Aludrin an kultivierten Herzzellen weder ein positiv-inotroper noch chronotroper Effekt zu erzielen. Es wird vermutet, daß diesem Befund eine tryptische Inaktivierung der spezifischen β-Receptoren zu Grunde liegt.