Summary
The concept of a reversible desensitization of the myocardial contractile apparatus
for calcium by 2,3 Butanedione Monoxime (BDM) as a method to improve tho myocardium's
tolerance to cold ischemia was evaluated in normal pig hearts (n = 14). The results
were compared to those obtained after application of Bretschneider's HTK cardioplegic
Solution.
Methods: Series I) After BDM treatment (concentrations: 0-30 mmol/L) the isometric
force Output and the intracellular calcium transients (measured using the FURA-2 ratio
method) of electrically driven (1 Hz) isolated left-ventricular muscle strips excised
from beating pig hearts (n = 14) were recorded simultaneously in order to analyse
the mode of action of BDM; Series II) The cardioprotective effects of BDM (30 mmol/L)
and Bretschneider's cardioplegic Solution (HTK) were compared in a large-animal model:
after “in situ perfusion“ of pig hearts with either 2000 ml ice-cold BDM Solution
(30 mmol/L) (n = 7) or 2000 ml HTK (n = 7) the hearts were explanted and stored at
4 °C in the same Solutions for up to 42 h. The contractile properties of muscle fibres,
excised after storage periods of 8, 24, and 42 h from these hearts were analyzed in
terms of isometric force development and isotonic shortening. 280 muscle fibres from
14 pigs were used for measurements.
Results: Series I) In pig myocardium a dose-dependent reduction of isometric force
development was found after BDM application. The shape and the amplitude of the intracellular
calcium transient were also affected by BDM. At 30 mmol/L BDM no force development
could be elicited despite the presence of an intracellular calcium transient (amplitude
< 70 % of the control). Series II) Shortening, calcium transient, and force of left-ventricular
muscle Strips of pig myocardium excised after storage periods for up to 42 h showed
complete recovery when BDM was applied. In contrast HTK perfusion allowed complete
recovery of these parameters when the storage period did not exceed 6 hours.
Conclusion: Under the given experimental conditions reversible desensitization of
the contractilo apparatus for calcium results in a considerable Prolongation of the
tolerance to cold ischemia in explanted pig hearts. The present study shows that the
protective effects of BDM are not only present when isolated muscle fibres were stored
(and the extracellular space is large) but also after storage of complete hearts in
a Solution containing BDM. Thus BDM may become a useful agent to enlarge the storage
period of donor hearts in heart transplantation considerably.
Zusammenfassung
Das Konzept einer reversiblon Desensitivierung des myokardialen kontraktilen Apparates
für Calcium mittels 2,3 Butanedione - Monoxime (BDM) zur Verbesserung der Ischämietoleranz
des Myokards wurde im Großtierexperiment anhand in situ perfundierter Schweineliorzen
überprüft. Als Kontrollgruppe dienten Schweineherzen, die mit Kardioplegie nach Bretschneidor
(HTK) behandolt wurden.
Methodon: Serie I) Nach Applikation von BDM (Konzentrationen 0-30 mmol/L) wurden die
isometrische Kraftentwicklung und der intrazelluläre Calciumtransient (gemessen mittels
des Indikators FURA-2, “Verhältnismethode“) elektrisch stimulierter (1 Hz) isolierter
linksventrikulärer Muskelstreifen, die von schlagenden Schweineherzen (n = 14) exzidiert
wurden, gleichzeitig registriert und aufgezeichnet, um das Wirkprinzip von BDM zu
untersuchen; Serie II) Im Großtierversuch wurden die kardioprotektiven Effekte von
BDM (30 mmol/L) und von Brotschneider's Kardioplegie (HTK) miteinander verglichen:
nach “in situ Perfusion“ der Schweineherzen entweder mit 2000 ml 4 °C kalter BDM-Lösung
(30 mmol/L) oder mit 2000 ml 4 °C kalter HTK-Lösung (jeweils n = 7), wurden die Herzen
explantiert und in den jeweiligen Perfusionslösungen bis zu 42 Stunden bei 4 °C konserviert.
Die kontraktilen Eigenschaften der nach Konsorvierungszeiten von 8, 24 und 42 Stunden
aus den Herzen exzidierten Muskelfasern wurden mittels isometrischer Kraftentwicklung
und isotonen Verkürzungsverhaltens ermittelt. Für diese Messungen wurden insgesamt
280 Muskelfasern aus den 14 Schweineherzen untersucht.
Ergebnisse: Serie I) Beim Myokard des Schweines konnte eine dosisabhängige Reduktion
der isometrischen Kraft in Abhängigkeit der BDM-Konzentration nachgewiesen werden.
Die Form und die Amplitude des intrazellulären Calciumtransienten wurden von BDM ebenfalls
dosisabhängig beeinflußt. Bei 30 mmol/L konnte koine Kraftentwicklung mehr registriert
werden, obwohl ein intrazollularer Calciumtransient nachweisbar war (Amplitude 70%
der Kontrolle). Serie 11) Die Vorkürzungsfähigkeit, Kraftentwicklung und der intrazellulare
Calciumtransient linksventrikulärer Muskelfasern aus BDM-perfundierten Schweineherzen
zeigten auch nach Konservierungszeiten bis zu 42 Stunden eine vollständige Erholung
zu Ausgangswerten. Eine vollständige Erholung der Muskelfasern von HTK-perfundierton
Herzen wurde nur dann erreicht, wenn eine Lagerungszeit von 6 Stunden nicht überschritten
wurde.
Schlußfolgerung: Unter den gegebenen experimentellen Bedingungen läßt sich mittels
einer reversiblen Desensitivierung des kontraktilen Apparates für Calcium durch BDM
eine beträchtliche Verlängerung der Ischämietoleranz bei explantierten Schweineherzen
erreichen. Die vorliegende Studie belegt, daß der protektive Effekt von BDM nicht
nur bei Muskelfasern, die in BDM gelagert wurden (bei entsprcchend großem Extrazellularraum)
vorhandon ist, sondern auch dann nachgewiesen werden kann, wenn ganze Herzen mit einer
BDM-haltigen Lösung konserviert werden. Die Experimente douten darauf hin, daß die
Anwendung von BDM dazu boitragen konnte, die Konservierungszeiten von Sponderherzen
im Rahmen von Herztransplantationen erheblich zu verlangern.
Key words
Myocardial protection - Ischemia - BDM (2,3 Butanedione Monoxime) - Cardioplegia -
Muscle contractility - Heart transplantation
