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Das strukturelle Korrelat von chronischem Vorhofflimmern : Immunhistochemische und ultrastrukturelle Untersuchung an humanem Atrium

Klein, Gabriele


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Max-Planck-Institut für Physiologische und Klinische Forschung,W.G.Kerckhoff-Institut,Abteilung für Experimentelle Kardiologie,Bad Nauheim, eingereicht über das Institut für Veterinär-Pathologie
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.02.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 02.04.2002
Kurzfassung auf Deutsch: Vorhofflimmern ist eine der häufigsten kardialen Arrhythmien und wurde bereits in einigen klinischen und experimentellen Studien
untersucht. Der progressive, zur Chronizität neigende Charakter dieser Erkrankung und die erhöhte Inzidenz mit zunehmendem Alter lassen
vermuten, daß strukturelle Veränderungen des atrialen Myokards unabhängig von elektrophysiologischen Veränderungen wesentlich zur
Etablierung der Arrhythmie beitragen. In der Pathogenese von Vorhofflimmern wie auch ventrikulären Tachykardien ist eine veränderte
Reizweiterleitung zwischen einzelnen Zellen durch gap junctions sowie aufgrund fibrotischer Veränderungen von grundlegender Bedeutung.
Veränderungen in der Verteilung und Anzahl von gap junction- und extrazellulären Matrixproteinen wurden an ventrikulärem Myokard bei
normalem Wachstum, während des Alterns und bei mit Arrhythmie assoziierten Erkrankungen nachgewiesen. Veränderungen von gap
junctions bei Vorhofflimmern wurden bisher überwiegend nur experimentell an normalen Tierherzen untersucht. Die Ergebnisse dieser
Untersuchungen variieren stark zwischen den verschiedenen Modellen und die Übertragbarkeit auf die klinische Erkrankung ist durch die
fehlende zugrundeliegende chronische atriale Pathologie und die akuten Veränderungen in den Kurzzeit-Modellen limitiert.


Die strukturellen Korrelate von chronischem Vorhofflimmern sind immer noch unbekannt. Veränderungen in der Kardiomyozytenverbindung
durch gap junctions werden neben fibrotischen und degenerativen Veränderungen auch als Ursache für die Entstehung von chronischem
Vorhofflimmern diskutiert.


Daher wurde in der vorliegenden Studie Gewebe von 31 Patienten mit chronischem Vorhofflimmern (Maze) im Vergleich zu Gewebe von
12 Patienten mit Sinusrhythmus immunhistochemisch (qualitativ und quantitativ) sowie ultrastrukturell im Hinblick auf folgende
Fragestellungen untersucht:


1) remodeling mechanischer und elektrischer interzellulärer Verbindungen,


2) Zunahme extrazellulärer Matrixproteine, 3) Degenerative, nekrotische und apoptotische Veränderungen, 4) Quantitativ veränderte
Expression von Connexin 43 und 40 (atriale gap junction Proteine), N-Cadherin (fascia adherens) und Kollagen I (EZM). Nach
immunhistochemischer Darstellung verschiedener intra- und extrazellulärer Proteine erfolgte eine eingehende morphologische
Untersuchung von Kontroll- und Patientengeweben mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie sowie eine weiterführende ultrastrukturelle
Untersuchung zur Bestätigung der immunhistochemischen Befunde.


Im Anschluß an ein exakt standardisiertes Färbeprotokoll wurden die atrialen gap junction proteine Connexin 43 und 40 sowie N-Cadherin
der f. adherens und Kollagen I als Protein der EZM mit Hilfe entsprechender software Ausstattung des konfokalen Mikroskopes
quantifiziert.


Die Ergebnisse dieser Untersuchungen ergaben deutliche strukturelle Veränderungen im Gewebe von Patienten mit chronischem
Vorhofflimmern gegenüber Gewebe von Patienten mit Sinusrhythmus. Alle Patienten mit chronischem Vorhofflimmern zeigten eine
gleichzeitige Lateralisierung bzw. oberflächliche Verteilung von Connexin 43, Connexin 40, N-Cadherin und Desmoplakin.
Elektronenmikroskopisch wurden laterale gap junctions innerhalb intakter lateraler Glanzstreifen sowie isoliert von diesen nachgewiesen.
Bei isolierten lateralen gap junctions handelte es sich sowohl um intakte, normal erscheinende gap junctions als auch um sogenannte
'anular profiles'. An den lateralen Zellgrenzen traten häufig abnorme Ansammlungen elektronendichten Materials auf, bei denen es sich um
N-Cadherin handeln kann. Bei Vorhofflimmern waren die atrialen gap junction Proteine reduziert gegenüber dem Kontrollgewebe. Dabei
war Connexin 43 sowohl in Atrium als auch Appendix der Maze-Patienten vermindert, während Connexin 40 nur in den Appendices
reduziert war. Die Expression von N-Cadherin war bei Vorhofflimmern unverändert. Ausgeprägte fibrotische Veränderungen waren bei
allen Patienten mit Vorhofflimmern immunhistochemisch sowie ultrastrukturell nachweisbar. Degenerative Veränderungen traten bei
Vorhofflimmern aber auch im Kontrollgewebe bei Sinusrhythmus auf. Die Anzahl Ubiquitin, Komplement C9 oder TUNEL-positiver
Kardiomyozyten war bei Vorhofflimmern vernachlässigbar gering. TUNEL-positive Zellkerne konnten elektronenmikroskopisch nicht als
Apoptose bestätigt werden.


Diese Ergebnisse zeigen, daß chronisches Vorhofflimmern zu deutlichen strukturellen Veränderungen im atrialen Myokard führt.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sowohl das remodeling mechanischer und elektrischer interzellulärer Verbindungen und die
verminderte Connexinexpression als auch die ausgeprägten fibrotischen Veränderungen und die Zunahme extrazellulärer Matrixproteine
als strukturelle Korrelate von chronischem Vorhofflimmern anzusehen sind. Strukturelles remodeling der interzellulären Verbindungen kann
zusammen mit den fibrotischen Veränderungen lokale Leitungsabnormalitäten verursachen und so zur Entstehung und Aufrechterhaltung
von reentry-Kreisläufen und Vorhofflimmern beitragen.
Kurzfassung auf Englisch: Atrial fibrillation is one of the most common cardiac arrhythmias and has been already investigated in numerous clinical and experimental
studies. The progressive character of the disease, its tendency to become chronic and the increased incidence with advancing age
suggest that independent of electrophysiological changes structural changes of the atrial myocardium may significantly contribute to the
establishment of the arrhythmia. Conduction disturbances between individual myocytes due to changes of gap junctions have a fundamental
importance in the pathogenesis of atrial fibrillation as well as ventricular tachycardia. Changes in number and distribution of gap junctions
and an increase in fibrosis have been reported in ventricular myocardium during normal growth, aging and in cardiac diseases which are
associated with arrhythmia. Changes of gap junctions in atrial fibrillation were mainly investigated in experimental animal models. The
results of these studies are still contradictory and their clinical relevance is limited because of the absence of chronic atrial pathology.
Furthermore only acute changes can be studied in short-time experiments.



The structural correlates of chronic atrial fibrillation are still unknown. Changes in the intercellular connection of cardiomyocytes concerning
gap junctions as well as fibrotic and degenerative changes are discussed as possible causes for the initiation and self-perpetuation of
chronic atrial fibrillation.



Therefore in the present study the atrial tissue of 31 patients with chronic atrial fibrillation (Maze) were immunohistochemically (qualitatively
and quantitatively) and ultrastructurally examined in comparison to the atrial tissue of 12 patients with sinus rhythm with regard to the
following questions: 1) remodeling of intercellular mechanical and electrical connections, 2) extent of interstitial fibrosis, 3) quantitatively
changed expression of Connexin 43 and 40 (atrial gap junction proteins), N-Cadherin (fascia adherens) and Collagen I (extracellular
matrix). After immunolabeling of different intra- and extracellular proteins all tissues were morphologically examined in detail by laser
scanning confocal microscopy.



In addition an ultrastructural examination was performed to confirm the immunohistochemical results.



Following a standardized labeling protocol Connexin 43 and Connexin 40 as well as N-Cadherin and Collagen I have been quantified using
a suitable software of the confocal microscope.



The results of the present study showed obvious structural changes in the tissues of patients with chronic atrial fibrillation as compared to
tissues from patients with sinus rhythm. All patients with chronic atrial fibrillation demonstrated a concomitant lateralisation and
redistribution of Connexin 43, Connexin 40, N-Cadherin and Desmoplakin. Electron microscopy showed lateral gap junctions both, in intact
lateral intercalated discs and isolated from intercalated discs. Isolated lateral gap junctions were either intact and of normal appearance or
presented 'anular profiles'. At the lateral cell borders abnormal accumulations of electron dense material were often detected, which might
be N-Cadherin.



Quantitative studies showed that the atrial gap junction proteins were reduced in atrial fibrillation. The Connexin 43 was reduced in atrium
and appendages of Maze-patients whereas Connexin 40 was only reduced in the appendages. The expression of N-Cadherin was not
altered in atrial fibrillation. Distinct interstitial fibrosis was immunohistochemically and ultrastructurally shown in all patients with atrial
fibrillation. Degenerative changes were present in atrial fibrillation but also in control tissue of patients with sinus rhythm. The rate of
ubiquitin, complement C9, or TUNEL positive cardiomyocytes was extremly low in atrial fibrillation. TUNEL positivity of nuclei could not be
confirmed as apoptosis by electron microscopy.



These results show that chronic atrial fibrillation is associated with distinct structural changes of the atrial myocardium. Both the remodeling
of mechanical and electrical intercellular junctions, the reduced expression of connexins and the high degree of interstitial fibrosis can be
regarded as structural correlates of chronic atrial fibrillation. Structural remodeling of intercellular junctions accompanied by fibrosis may
cause localized abnormal conduction and thereby contribute to the initiation and establishment of reentry pathways and atrial fibrillation.