I. Medugorac

Connective tissue content and myocardial stiffness in pressure overload hypertrophy A combined study of morphologic, morphometric, biochemical, and mechanical parameters

SummaryWe investigated samples of left ventricular myocardium from Goldblatt II (4 and 8 weeks after operation) and spontaneously hypertensive rats (SHR; 40 and 80 weeks old) by histological and morphometric methods. From the same hearts, the distensibility of the left ventricular papillary muscle was analyzed by means of resting tension curves, and the collagen content of the whole left ventricular wall was determined by means of hydroxyproline concentration.In all groups, myocardial fibrosis was observed to accompany myocardial hypertrophy. The severity of fibrotic lesions increased with the duration of hypertension, and, in late stages, degenerative changes of cardiac myocytes were found. Morphometric determinations and chemical analysis of the hydroxyproline concentration revealed a decrease in myocardial muscle content, which was paralleled by an increase in collagen content when compared to the respective controls.In general, morphometric and chemical findings correlate with increased myocardial stiffness observed during mechanical measurements in isolated papillary muscle preparations from the same hearts. Differences were found, however, between chemical analysis and mechanical measurements in the 40-week-old SHR group, which may result from different patterns of collagen distribution between interstitium, perivascular spaces, and the walls of blood vessels.The comparison between histological, morphometric, chemical, and physiological data shows that (1) cardiac hypertrophy of Goldblatt and SH-rats is accompanied by myocardial fibrosis, and (2) changes in passive elastic properties of myocardium is better reflected in morphometric than in chemical analysis.ZusammenfassungLinksventrikuläre Myokardproben von Goldblatt-II-(4 und 8 Wochen post operationem) und spontanhypertensiven Ratten (SHR; Alter 40 und 80 Wochen) wurden histologisch und morphometrisch untersucht. Von denselben Herzen wurden zudem die Dehnbarkeit des linksventrikulären Papillarmuskels mittels Ruhe-Dehnungs-Kurven sowie der Kollagenanteil der gesamten linken Ventrikelwandung mittels Hydroxyprolinkonzentration bestimmt. Neben der zu erwartenden Hypertrophie der Myozyten fanden wir in beiden Hypertrophiemodellen eine Myokardfibrose. Das Ausmaß der Fibrose nahm mit der Dauer des Bestehens der Hypertension zu. In späteren Studien wurden zusätzlich degenerative Veränderungen an Myozyten beobachtet.Morphometrische Bestimmungen und Hydroxyprolinkonzentration weisen einen Anstieg des Kollagengehaltes des druckbelasteten linken Ventrikels nach. Morphometrische und chemische Ergebnisse stehen im Einklang mit der myokardialen Dehnbarkeit—gemessen am isolierten Papillarmuskel derselben Herzen. Diskrepanzen, die im 40-Wochen-Stadium der SHR-Gruppe auftreten, müssen auf Unterschiede im Verteilungsmuster des Kollagens auf Interstitium, perivaskuläre Räume und Wände der Blutgefäße zurückgeführt werden. Der Vergleich histologischer, chemischer und physiologischer Ergebnisse zeigt 1., daß die Herzhypertrophie bei Goldblatt- und SH-Ratten von Myokardfibrose begleitet ist, und 2., daß Veränderungen der passiv-elastischen Eigenschaften des Myokards besser vom morphometrischen als vom chemischen Resultat widergespiegelt werden.

Myocardial function in different models of cardiac hypertrophy. An attempt at correlating mechanical, biochemical, and morphological parameters

SummaryBased on mechanical, biochemical and electron microscopic studies performed in the same stage of experimental cardiac hypertrophy, an attempt is made to define the significance of individual factors responsible for the alterations in myocardial function. Using swimming rats, it is demonstrated that a load-induced increase in cardiac mass is not necessarily connected with an impairment of contractile capability on a cellular level. Yet, also, the reduction of specific ATPase activity and unloaded shortening velocity in pressure-induced hypertrophy (Goldblatt rats; aortic stenosis) seems to be the expression of adaptation rather than of cellular damage, at least in the earlier stages. Although there are distinct indications of alterations in Ca-dependent activation and deactivation, in the Goldblatt model electromechanical coupling does not seem to be the main cause of altered contraction parameters. The correlation between specific ATPase activity of actomyosin and unloaded shortening velocity as well as the persistance of decrease in shortening velocity, also under optimal electromechanical coupling conditions, point to an inner relationship between the two values. A discrepancy between unloaded shortening velocity on the one hand and developed tension on the other is mainly due to an increased content of contractile structures. In later stages, an increased connective tissue content influences both isometric and isotonic parameters.ZusammenfassungAuf der Grundlage mechanischer, biochemischer und morphologischer Untersuchungen, die im gleichen Stadium einer experimentellen Herzhypertrophie durchgeführt wurden, wird versucht, die anteilmäßige Bedeutung einzelner Faktoren für die Änderungen des Kontraktionsablaufs abzugrenzen. Am Beispiel schwimmtrainierter Ratten wird zunächst gezeigt, daß nicht jeder Hypertrophieprozeß zwangsläufig mit einer Beeinträchtigung der Myokardfunktion auf zellulärer Ebene verbunden ist. Aber auch die Minderung der lastfreien Verkürzungsgeschwindigkeit und ATPase-Aktivität bei druckbedingter Hypertrophie (Goldblatt-Ratten, artifizielle Aortenstenose) ist, wenigstens in frühen Stadien, eher Ausdruck einer Anpassung an veränderte Belastungsbedingungen. Obwohl sichere Hinweise für Veränderungen im Bereich der elektromechanischen Kopplung vorliegen, scheinen diese, speziell beim Goldblatt-Modell, nicht die Hauptursache für die veränderte Mechanik zu sein. Die Korrelation zwischen lastfreier Verkürzungsgeschwindigkeit und spezifischer ATPase-Aktivität sowie die Persistenz einer verminderten lastfreien Verkürzungsgeschwindigkeit auch unter optimalen elektromechanischen Kopplungsbedingungen weisen auf eine innere Beziehung zwischen beiden Größen hin. Diskrepanzen zwischen lastfreier Verkürzungsgeschwindigkeit und entwickelter Spannung sind vorwiegend auf einen erhöhten Gehalt an kontraktilen Strukturen zu beziehen. In späteren Stadien beeinflußt ein erhöhter Bindegewebsgehalt sowohl die isometrischen als auch die isotonischen Meßwerte.

Characterization of intramuscular collagen in the mammalian left ventricle

SummaryLeft ventricular collagen of various mammals (cat, cow, dog, pig, and rat) was successively extracted with neutral salt, and dilute acid solutions, and limited pepsin digestion. The distribution of the various types of collagen molecules in pepsin-solubilized ventricular collagen was analyzed electrophoretically on SDS-polyacrylamide gels in the presence of 3.6 M urea.Yields of dilute-acid-soluble collagen were only 0.4 to 0.6% of the total ventricular collagen, and less than 0.1% with neutral salt solution. Approx. 55–90% of the total collagen was extracted by limited pepsin digestion.Disc patterns of pepsin-soluble collagen revealed the presence of dimeric and trimeric components, as well as higher-molecular-weight aggregates in all samples of nonreduced and reduced ventricular collagen. Taken together, these findings suggest the presence of an extensive interchain and intermolecular cross-linking network in left ventricular collagen.Comparison of electrophoretical disc gel patterns of reduced and nonreduced pepsin-solubilized collagen indicated that left ventricular collagen is heterogenous in nature, consisting of a mixture of type I and type III collagen. It was evident that primarily type I components occur in ventricular collagen. The components of type III collagen molecules occurred in all investigated left ventricles in varying and consistently appreciably lower amounts. The proportions of type III and type I collagen vary in left ventricular tissue of different species.ZusammenfassungKollagen aus dem linken Ventrikel verschiedener Säugetiere (Katze, Kuh, Hund, Schwein und Ratte) wurde sukzessiv mit neutraler Salz- und verdünnten Säurelösungen sowie mit limitierter Pepsinverdauung extrahiert.Die Verteilung verschiedener Kollagentypen in pepsingelöstem Kollagen wurde mit Hilfe der SDS-Plyacrylamid-Gel-Elektrophorese analysiert.Mit Salz- und Säurelösungen ließ sich weniger als 1% des Gesamtkollagens extrahieren. Begrenzte Pepsinverdauung löste 55–90% des Gesamtkollagens.Von allen Proben des nichtreduzierten und reduzierten Kollagens wurden in Elektrophorese-Gelen di- und trimere Komponenten sowie auch hochmolekulare Aggregate von Kollagenmolekülen sichtbar. Diese Befunde weisen auf eine umfangreiche intra- und intermolekulare Vernetzung der Kollagenmoleküle im linken Ventrikel der Säugetiere hin.Der Vergleich von Proteinbanden in Elektrophorese-Gelen von nichtreduziertem und reduziertem Kollagen zeigt, daß Kollagen vom linken Ventrikel heterogen ist, bestehend aus einem Gemisch von Kollagentyp I und-typ III. Vorwiegend ist Kollagentyp I vertreten. Komponenten vom Typ III kommen in allen untersuchten Proben vor, jedoch in unterschiedlichen und erheblich kleineren Proportionen.

Adaptive and Pathological Alterations in Experimental Cardiac Hypertrophy

Based on investigations of various models of experimental cardiac hypertrophy (renal hypertension, spontaneous hypertension, aortic stenosis, swimming training, thyrotoxicosis), an attempt has been made to characterize adaptive and pathological alterations that are inherent to or accompany the process of hypertrophy. In principle, the designation of a process as adaptive is rooted in a teleological point of view and implies that the basic tendency of the respective structural and functional alterations is appropriate for coping with the altered functional requirements. This does not mean, however, that such alterations are favorable under all conditions and in all stages of hypertrophy. Since organisms generally reveal relatively stereotypic reaction patterns, the terms “adaptive” and “pathological” are not mutually exclusive in the final analysis. In the chronically pressure-loaded ventricle, nearly all alterations are ambiguous (myocardial mass increase, prolongation of the action potential, overproportional increase of intracellular contractile material, decrease of myofibrillar ATPase activity). The altered ATPase activity, which is based on a shift in the isoenzyme pattern of myosin in the direction of isoenzyme V3, is accompanied by a decrease in unloaded shortening velocity but an increase in the efficiency of tension development, as is reflected in reduced oxygen consumption (per wall stress and heart rate) of the whole heart under isovolumetric conditions. This change in the elementary contractile process and the myofibrillar ATPase activity need not be interpreted a priori as negative. However, the ability to adapt to other types of loading, e.g., physical exertion with corresponding increase in heart rate, is limited by the specialization for coping with enhanced pressure load. The term “overadaptation” should be reserved for stages and degrees of hypertrophy in which the negative effects of double-faced alterations predominate. Rapid, excessive increase in pressure loading, as well as long-term hemodynamic overloading, leads to degenerative alterations of the myocardium. At the level of the whole ventricle, structural dilatation results in a decreased cardiac efficiency. Fibrosis of the ventricular wall, the pathogenesis of which is not always unequivocal, is also a negative factor for mechanical performance. Since there are pronounced degrees of hypertrophy without connective tissue increase, e.g., in thyrotoxicosis, fibrosis and accompanying decreased distensibility of the myocardium apparently are not necessarily involved in the development of hypertrophy. Ischemically induced alterations stemming from vasculopathy should be distinguished from hypertrophy-induced changes. The adaptive alteration of the heart in swim-trained rats, which involves an increase in myofibrillar ATPase activity and a shift in the myosin isoenzyme pattern in the direction of V1, leads to an increase in functional capacity at all levels and is in agreement with the generally accepted concept of contractility.

Mechanics of the isolated ventricular myocardium of rats conditioned by physical training.

SummaryForce-velocity relations from after-loaded contractions, from isometric and isotonic QR experiments, resting-tension curves and biochemical analyses were conducted on sixteen trabecular muscles (SH) from hearts of rats conditioned by eight weeks swimming training (increase in heart weight 8%), and compared to a control (CH) of eighteen trabecular muscles. (SH) showed increased tension development (p<0.01), whereas the diastolic properties remained almost unchanged. Analysis of the amount of hydroxyproline did not prove any variation. Vmax of (SH) was only slightly increased when there was a significant rise in actomyosin and myosin ATPase activity, while P0 of the force-velocity relations of (SH) on the x axis (tension) shifted clearly to the right (p<0.01). Consequently, the maximum instantaneous power of (SH), expressed by the maximum rectangular plane under the force-velocity curve, increased considerably (p<0.01) in comparison with (CH). The experiments show that haemodynamic load induced by training does not alter the passive properties of the myocardium, but does bring about an increase in the contractile capability.ZusammenfassungAn 16 Trabekelpräparaten aus Herzen schwimmtrainierter Ratten (SH) (Zunahme des Herzgewichtes: 8%) und 18 Kontrolltrabekeln (CH) wurden Längen-Spannungs-Diagramme und Kraft-Geschwindigkeits-Beziehungen mittels Unterstützungszuckungen, isometrischer und isotonischer Quick-release-Experimente aufgestellt. Zusätzlich wurden biochemische Analysen durchgeführt. Die isometrische Spannungsentwicklung von (SH) war gesteigert (p<0.01) bei annähernd gleichbleibenden passiven Eigenschaften des Myokards. Unterschiede im Hydroxyprolin-Gehalt konnten nicht nachgewiesen werden. Verbunden mit einer signifikanten Steigerung der Actomyosin- und Myosin-ATPase-Aktivität war Vmax von (SH) mäßig erhöht, während po auf der x-Achse der Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung deutlich nach rechts verlagert war (p<0.01). Demzufolge steigerte sich die maximale Momentanleistung von (SH), d. h. die größtmögliche Rechtecksfläche unter der Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung, im Vergleich zu (CH) beträchtlich (p<0.01). Die Experimente zeigen, daß hämo dynamische Belastungen dieser Art die passiven Eigenschaften des Myokards kaum verändern, jedoch eine Steigerung der querschnittsbezogenen myokardialen Leistungsfähigkeit bewirken.

Myocardial function in different models of cardiac hypertrophy. An attempt at correlating mechanical, biochemical, and morphological parameters@@@Myokardfunktion bei verschiedenen Modellen der Herzhypertrophie. Versuch einer Korrelation mechanischer, biochemischer und morphologischer Parameter

SummaryBased on mechanical, biochemical and electron microscopic studies performed in the same stage of experimental cardiac hypertrophy, an attempt is made to define the significance of individual factors responsible for the alterations in myocardial function. Using swimming rats, it is demonstrated that a load-induced increase in cardiac mass is not necessarily connected with an impairment of contractile capability on a cellular level. Yet, also, the reduction of specific ATPase activity and unloaded shortening velocity in pressure-induced hypertrophy (Goldblatt rats; aortic stenosis) seems to be the expression of adaptation rather than of cellular damage, at least in the earlier stages. Although there are distinct indications of alterations in Ca-dependent activation and deactivation, in the Goldblatt model electromechanical coupling does not seem to be the main cause of altered contraction parameters. The correlation between specific ATPase activity of actomyosin and unloaded shortening velocity as well as the persistance of decrease in shortening velocity, also under optimal electromechanical coupling conditions, point to an inner relationship between the two values. A discrepancy between unloaded shortening velocity on the one hand and developed tension on the other is mainly due to an increased content of contractile structures. In later stages, an increased connective tissue content influences both isometric and isotonic parameters.ZusammenfassungAuf der Grundlage mechanischer, biochemischer und morphologischer Untersuchungen, die im gleichen Stadium einer experimentellen Herzhypertrophie durchgeführt wurden, wird versucht, die anteilmäßige Bedeutung einzelner Faktoren für die Änderungen des Kontraktionsablaufs abzugrenzen. Am Beispiel schwimmtrainierter Ratten wird zunächst gezeigt, daß nicht jeder Hypertrophieprozeß zwangsläufig mit einer Beeinträchtigung der Myokardfunktion auf zellulärer Ebene verbunden ist. Aber auch die Minderung der lastfreien Verkürzungsgeschwindigkeit und ATPase-Aktivität bei druckbedingter Hypertrophie (Goldblatt-Ratten, artifizielle Aortenstenose) ist, wenigstens in frühen Stadien, eher Ausdruck einer Anpassung an veränderte Belastungsbedingungen. Obwohl sichere Hinweise für Veränderungen im Bereich der elektromechanischen Kopplung vorliegen, scheinen diese, speziell beim Goldblatt-Modell, nicht die Hauptursache für die veränderte Mechanik zu sein. Die Korrelation zwischen lastfreier Verkürzungsgeschwindigkeit und spezifischer ATPase-Aktivität sowie die Persistenz einer verminderten lastfreien Verkürzungsgeschwindigkeit auch unter optimalen elektromechanischen Kopplungsbedingungen weisen auf eine innere Beziehung zwischen beiden Größen hin. Diskrepanzen zwischen lastfreier Verkürzungsgeschwindigkeit und entwickelter Spannung sind vorwiegend auf einen erhöhten Gehalt an kontraktilen Strukturen zu beziehen. In späteren Stadien beeinflußt ein erhöhter Bindegewebsgehalt sowohl die isometrischen als auch die isotonischen Meßwerte.

Elastic and contractile properties of the myocardium in experimental cardiac hypertrophy of the rat Methodological and pathophysiological considerations

Two essential parameters of myocardial mechanics, the diastolic stress-strain relationship and the maximum unloaded shortening velocity have been analysed in the pressure-hypertrophied myocardium of Goldblatt rats and compared with the alterations appearing in other models of hypertrophy (spontaneous hypertension, aortic stenosis, swimming training).

The myofibrillar ATPase activity and the substructure of myosin in the hypertrophied left ventricle of the rat

The aim of the present study was to seek a possible correlation between changes in enzymatic activity of myofibrils, on the one hand, and the substructure of myosin in hypertrophied myocardium, on the other hand. The myofibrillar ATPase activity and relative quantity of single myosin subunits were investigated in the hypertrophied left ventricle of 10 old male rats with spontaneous hypertension (SHR) and 12 Goldblatt rats (6 months after coarctation of one renal artery) (GBR).

Different fractions in the normal and hypertrophied rat ventricular myocardium: an analysis of two models of hypertrophy.

SummaryLong-term hemodynamic overload of the heart leads to an increase in myocardial mass. In most cases it is not known to what degree the single components in the myocardium (water, protein, nonprotein substance) increase. As an answer to the overloading of the myocardium, many authors have established an intensification in the synthesis of myocardial proteins. It is, however, little known which proteins are then more intensively created and accumulated.This study examines the dynamics of the protein and nonprotein content as well as of single protein fractions (sarcoplasmic, myofibrillar, and stromal) in both hypertrophied and normal tissue from rat myocardia. The results revealed that in Goldblatt rats, 4–24 weeks after stenosis of one renal artery, no noteworthy differences in the relationships of protein and nonprotein content were caused by hypertrophy (34–54%) due to left ventricular pressure overload. The same is true of the tissue from moderately hypertrophied myocardia (12–17%) of rats exercised for several weeks by swimming training. Determination of hydroxyproline concentration showed that significant differences in the content of the collagen tissue in relation to control animals of the same age occurred only in Goldblatt rats 24 weeks after operation. However, greater alterations in the concentrations of various protein fractions could be registered. The increase in the concentration of myofibrillar proteins in hypertrophied myocardial tissue is of particular significance and is to be considered as an adaption of the muscle to the increased mechanical demands. Certain changes regarding the relation of the single components within the myofibrillar fraction (relation of actomyosin concentration to T-fraction; relation of both components to total fraction), whose cause and significance is as yet unclear, could be observed.ZusammenfassungLangdauernde hämodynamische Mehrbelastung des Herzens bewirkt eine Zunahme seiner Muskelmasse. Das Ausmaß der Steigerung einzelner Bestandteile des Myokards (Wasser, Protein, Nichtproteinsubstanzen) ist in den meisten Fällen unbekannt. In zahlreichen Arbeiten wurde als Antwort auf die Mehrbelastung eine Intensivierung der myokardialen Proteinsynthese festgestellt. Es liegen jedoch nur wenige Informationen darüber vor, welche Proteine dabei intensiver gebildet und akkumuliert werden.In der vorliegenden Studie wird sowohl die Dynamik der Protein- und Nichtproteinanteile als auch die einzelner Proteinfraktionen (sarkoplasmatische, myofibrilläre und Stromalfraktion) im hypertrophierten und normalen Rattenmyokard untersucht. Bei Druckhypertrophie des linken Ventrikels von Goldblattratten 4–24 Wochen nach Stenosierung einer Nierenarterie (Massenzunahme um 34–54%) sowie im mäßig hypertrophierten Myokard von Schwiminratten (Massenzunahme 12–17%) treten keine nennenswerten Unterschiede in der Relation Protein: Nichtprotein-Anteil auf. Aufgrund der Bestimmung der Hydroxyprolinkonzentration bei Goldblatt-Ratten ergaben sich erst im Stadium 24 Wochen nach der Operation signifikante Unterschiede im Collagengehalt, verglichen mit gleichaltrigen Kontrollen. Gewisse Variationen konnten bezüglich der Konzentrationen verschiedener Proteinfraktionen verzeichnet werden. Von besonderer Bedeutung erscheint die Zunahme der Konzentration myofibrillärer Proteine im hypertophierten Myokard, die als Anpassung des Muskels an die erhöhten mechanischen Anforderungen zu betrachten ist. Bezüglich der Relation einzelner Komponenten innerhalb der Myofibrillärfraktion (Relation der Aktomyosinkonzentration zur T-Fraktion; Relation beider Komponenten zur Gesamtfraktion) konnten gewisse Veränderungen beobachtet werden, deren Ursache und Bedeutung noch unklar sind.

Characteristics of the hypertrophied left ventricular myocardium in Goldblatt rats

In Goldblatt rats (GV) 4–24 weeks after coarctation of one renal artery the following characteristics were registered as compared to controls (CV) of the same age: Arterial blood pressure increased to 190–200 mmHg in comparison to 105–110 mmHg in controls. This pressure overload induced an increase in ventricular weights (34%–54%). Noteworthy differences in myocardial water, total protein, and nonprotein substance contents were found. Hydroxyproline concentration in GV did not increase significantly until 24 weeks after onset of pressure overload. No significant alterations were detected in the relationship of myocardial, sarcoplasmic, and stromal protein fractions. However, greater changes could be registered in the concentration of the myofibrillar protein fraction and its single components. Furthermore, a correlative depression in specific actomyosin ATPase activity and in maximum shortening velocity of the unloaded cardiac muscle (2, 3) was observed.