Aeta histoehem. 72, 153-160 (1983)

Chirurgisehe Klinik

(Direktor: Prof. Dr. se. med. P. HEINRICH) und Pathologisehes Institut

(Direktor: Prof. Dr. se. med. W. KtTHNE)

der Medizinisehen Akademie Magdeburg

Histochemische Untersuchungen der quergestreiften Muskulatur an der ischamischen und angiochirurgisch reperfundierten

unteren Extremitat

Histochemical changes in striated muscle in the ischemic and angiosurgical reper­fused lower extremity

Von BURKHARD FRANKE, PETER HEINRICH, KNUT DIETZMANN, WINFRIED WAGEMANN

und RAINER LAMBRECHT

Mit 4 Abbildungen

(Eingegangen am 7. April 1982)

Zusammenfassung

Ausgehend von den biochemischcn Veranderungen bei Patienten mit chroniseh arterieller In­

suffizienz werden die Indikationen auf Aussagekraft histochemischer Untersuchungen an M. ga­

strochemius-Biopsien zur Erfolgsbeurteilung angiochirurgiseher Eingriffe besprochen. Die eigenen

Untersuchungen an 2,') l'atienten deuten darauf hin. daB die semiquantitativen enzymhistochemi­schen Befunde mit den feineren bioehemischen Fntersuchungen korrelieren. Die zusatzlichen histopathologischen und fasermorphomet,rischen Befunde sind eine wesentliche Bereicherung des praeoperativen Status.

Summary

There have been reports on an increased oxidative capacity in muscle tissue from the diseased legs of patients with intermittent claudication. In hiopsy from specimens the gastrocnemius muscle of 25 pati('ntN the effect of arterial r('conNtructive surgery were studied, using fresh frozan eyrostat

sectionN and Ilistochemieal reactions for some oxidoreductases. The present study descrites addi­tional histo('liemieal changes in tho leg muscles in patients suffering from arterial in~ufficieney.

The ehangcs ohs!'I"vt'd m'p eorrelated to the elinical severity of the disease.

1. Die Endstrombahn, limitierender Faktor in der GefaBchirurgie

Die Indikationen zu gefiiJkhirurgif'ehen Eingriffen sind in den letzten J ahren stan­dig erweitert worden. UrRaehen hierfiir Rind eine umfaRsendere apparative Diagnostik, der engdiiltige Dureh brueh der Mikroehirurgie sowie die Weiterentwieklung des ehirur­gischen NahtmaterialR und Instrumentarium;.;. Die postoperativen Ergebnisse sind

154 B. FRANKE U. a.

weitestgehend von der richtigen Indikation, der VerschluBlokalisation, dem operati­yen Vorgehen und der physiotherapeutischen Nachsorge abhangig (HEINRICH 1976, LORENZ und REDING 1972, LORENZ u. a. 1971).

Bei der Indikationsstellung spielt die Beurteilung des peripheren Widerstandes der Endstrombahn eine groBe Rolle. Bei insuffizienter Aufnahmebereitschaft kann das angebotene Blut nicht stoffwechselwirksam werden und die Gefahr eines Friihver­schlusses der thromb-endarteriektomierten Strecke bzw. des Interponats ist gegeben (HEIRNICH und FORSTER 1971).

Es gibt bereits vielfaltige Moglichkeiten, eine Aussage liber die terminale Strom­bahn zu treffen. Erwahnt seien die Angiographie, die Ultraschall-Doppler-Methode, die Clearance-Untersuchungen, die Rheographie und nicht zuletzt die intraoperative FluBmessung.

2. Enzymbiochemische Untersuchungen an der hypoxischen Muskulatur

In den letzten zehn Jahren sind zu diesen biophysikalischen Routineteehniken die direkten feingeweblichen Biopsieuntersuehungen hinzugekommen. Ziel dieser groBten­teils bioehemisehen Untersuchungen ist es, durch Muskelenzymaktivitatsbestimmun­gen einen Einblick in den Schweregrad der Durchblutungsstorungen zu gewinnen (BYLUND et al. 1976, HOLM et al. 1975).

Die Berechtigung dieser Untersuchungen ergibt sich daraus, daB die postmitotisch

fixierten Muskelfasern ca. von 4 Capillaren umgeben sind und damit eine ausge­sprochene Luxusdurchblutung besteht (ADAMS 1975).

Jede Veranderung dieser Durchblutung, sei es durch zentrale oder periphere Ver­schllisse, beeinfluBt die Enzymaktivitat in typischer Weise (BYLAND et al. 1976). Der VerI auf der Muskelenzymaktivitat verandert sich entsprechend dem klinischen Grad der Durchblutungsstorungen. Ausgehend von einer gefaBgesunden Kontrollgruppe erhi:iht sieh bei Patienten mit Claudicatio intermittens der oxidative Metabolismus, verbunden mit erhi:ihter Enzymaktivitiit sowohl der aero ben als aueh der glykolyti­

schen Enzyme (HOLM et al. 1975). Triggermechanismen dieses enorm veranderten Metabolismus sind der erniedrigte

02-Partialdruck, der verminderte Gewebs-pH und der erhi:ihte CO2-Partialdruek. Die Veranderungen bedingen einen Reiz zur Ausbildung von Gefii13kollateralen, verbun­den mit einem erhi:ihten Mitoehondrienvolumen (PAUSESCU et al. 1976).

Bei den Patienten mit Ruheschmerz als Leitsymptom ist der oxidative Metabolis­

mus riicklaufig, und Patienten mit beginnender oder manifester VorfuBgangran haben etwa die gleichen bzw. subnormale Enzymaktivitaten wie gefa13gesunde Kontroll­person en (BYLUND et al. 1976, HOLM et al. 1975, HOLM und SCHERSTEN 1972).

In der Literatur hat sich liberwiegend die Biopsie aus dem M. gastrocnemius durch­gesetzt. Dureh die Versorgung mit nur einer Muskelarterie und sehr wenigen Anasto­mosen ist er sehr sensibel gegeniiber Hypoxie, und des weiteren besitzt er gemeinsam mit dem M. vastus lateralis die hi:ichste Ruheenzymaktivitat (HOLM et al. 1975, MES­SIRA 1976). Dariiber hinaus kommt es bei schweren chronis chen Durchblutungssti:i-

Histochemische Untersuchungen der quergestreiften Muskulatur 155

rungen zu histopathologischen und fasermorphometrischen Veranderungen (MAKITIE

und TERAVAINEN 1977).

3. Material und Methoden

Bci den 25 enzymhistochemisch untersuchten Patienten handelte es sich urn 23 Manner und

2 Frauen. DaB mittlere Alter betrug 54,6 a. Bei den Risikofaktoren dominierte bei 4/5 del' Patienten

erwartungsgema13 die Rauchgewohnheit. 2/3 del' Erkrankten befanden sich praeoperativ im Sta­

dium lIb biB IV nach FONTAINE (1959). Uber gefa13chirurgisch relevante Daten und postoperative

Ergebnisse informiert die Tabelle 1. Die Einteilung in postoperativ gute und ungenugende Ergeb­nisse erfoigte nach klinischer und LTltrasehall·Doppler·sonographischer Beurteilung. Unmittelbar vor dem angiochirurgi8ehen Eingriff wurde in Allgemeinnarkose und 3 bis 5 Monate postoperativ in Lokalanasthesie eine Muskeibiopsie von ca. 1 X 1 em aus dem M. gastrocnemius entnommen,

sofort in vorgekuhltes Isopentan bei -180°C eingefroren und am darauffolgenden Tag im Frigocut 2700 (Reichert & ,lung, BRD) bei -18°C aufgearbeitet. An den Kryostatschnitten wurden folgende

Oxidoreduetasen und Hydrolasen inkubiert: Ioseitronensaure·Dehydrogenase (ICDH) E.C.1.1.1.42 nach M"~IJER (1973), Su('cinat·Dehydrogenase (SD) E.C.1.3.99.1 naeh SCHMIDT et al. (1970), GIu­

eose·6.Phosphat.Dehydrogenase (G.6.PDH) E.C.1.1.1.49 naeh MEIJER (1973), Lactat-Dehydro·

genase (LDH) E.C. 1. 1. 1.27 naeh WENK et al. (1970), Cytoehrom.Oxidase (Cyto.Ox) E.C.1.9.3.1 nach BURSTONE (1959) und die Myosin.Ca ++·Adenosin.Triphosphatase (ATPase) E.C.3.6.1.3 nach NOVI­

KOFF und GOLDFISHER (1961). Die morphometrisehen Messungen der Fasertypen I und II erfoigten

Tabelle 1. VerschIu13lokalisation, durehgeftihrte Operation und Operationsergebnis der 25 unter­suehten Patienten mit chronisch arterieller Insuffizienz

VerschluOloka-lisation ~ahl Operation

Operations-ergebnis Anzahl

Bifurkations-

Beckentyp 3 prothese gut 3

Becken-OS- 1 TEA gut 1

Typ 1 TEA+LS gut 1

OS-Typ 14 TEA gut 12 ungenugend 2

1 Saphena-

Interposition gut 1

1 TEA+Sapheno

Interposition gut 1

1 TEA+femoro-

poplitealer 9yp gut 1

Zst. u. pos ttraurr 1 LS gut 1 Embohe

Peripherer Typ 2 LS gut 2

-TEA - ThrombendorteneKtomle

LS Lumbale Sympothektomle

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an der ATPase l'eagierten Schnitten bei pH = 10,2 mit Hilfe eines Mellschraubenokulal's Carl Zeiss, Jona, DDR. Die semiquantitative Auswel'tung des enzymatisch gebildeten Fol'mazans im stets gleichartig behandelten Schnitt geschah mit einem Absorptionsmikl'ophotometer bei A =

540nm.

Die Mellwerte del' Leel'wel'tinkubationen wurden von del' Gesamtextinktion abgezogen. Die biostatistische Aufarbeitung del' Ergebnisse el'folgte mit dem Paardifferenzen-Test nach WIL­

COXON.

4. Semiquantitative enzymhistochemische Ergebnisse

Bei den 23 Patienten mit gutem postoperativen Verlauf erhohte sich die Extink­tion bei SDH, LDH und Cyt. Ox. signifikant und bei der G-6-PDH nicht signifikant. Bei der !CDH kam es zu einem signifikanten Extinktionsabfall.

Umgekehrtes Extinktionsverhalten war bei den 2 Patienten mit schlechtem post­operativen Ergebnis zu beobachten (Abb. 1,2).

5. Histopathologische und fasermorphometrische Ergebnisse

Wie bereits oben angefiihrt, kommt es mit steigender Hypoxie nicht nur zu enzym­histochemischen, sondern auch zu morphologischen Veranderungen. Bei 8 Patienten mit beginnender oder manifester VorfuBgangran unterschiedlichsten AusmaBes fan­den sich je nach Schweregrad unspezifische neurogene Veranderungen in Form von Fasertypengruppierungen und Gruppenatrophien. Bei den iiberwiegend myogenen Veranderungen fanden sich einige Nekrosefasern mit Umgebungsphagozytose. Die interessantesten Veranderungen waren jedoch die Abweichungen des normal vorkom­menden mitochondrialen honeycomb-Musters. Die Anzahl dieser Veranderungen ent­sprach dem klinischen Schweregrad. Uberwogen haben die target-like- und moth-eaten­fibers (Abb. 3).

Die normale Verteilung der Typ 1- zu Typ II-Fasern betragt im M. gastrocnemius etwa 62 gegeniiber 38 %. Geschlechtsunterschiede soUen bestehen, sind jedoch nicht erheblich (EDSTROM und NYSTROM 1969, GOLLNICK et al. 1972, HAMMARSTEN et al. 1980).

Bei den 8 untersuchten Patienten veranderte sich dieses Verhaltnis auf 70 entgegen 30 % im Mittel. Der Extremwert betrug in einem Praparat 86 % Typ I-Fasern. 6 Wo­chen nach Desobliteration der Beckenachse kam es zum FriihverschluB mit nachfol­gender Notwendigkeit der Amputation. Andererseits fand sich aber in 3 Fallen eine Normalverteilung von 62 gegeniiber 38 % (Abb. 4).

Die Typ I-Fasern hypertrophierten bei diesen 8 Erkrankten yom Normalwert auf im Mittel 88 flm (JENNEKENS et al. 1971 , MAKITIE und TER_~VAINEN 1977, POLGAR et al. 1973).

Insgesamt waren 96 % der untersuchten Typ I-}<~asern hypertrophiert. Bei den Typ II-Fasern kam es zur Hyper- und Atrophie zu gleichen Teilen. Der Mittelwert blieb unverandert. Die Extremwerte bei den Typ I-Fasern betrugen 130 flm. Die als pro­gnostisch ungiinstig beschriebenen giant fibers mit Werten urn 200 ,urn konnten nicht nachgewiesen werden (MAKITIE und TERAVAINEN 1977).

Hlstochemische Untersuchungen der quergestreiften Muskulatur 157

ExtmktlOn

0,3

o proeoperativ Pl1J postoperotiV

0,2

o~

Enzym SOH LDH IDH G-6-PDH Cyt. Ox.

Abb. 1. Prae- unci postopera tive Enzymaktivitat bei 23 I'atienten mIt gutem postopcrativen Er­gebnis [Messung mit Absorptionsphotometer VEB Carl Zeiss .IENA].

fx tmktJon

0.3

o praeoperativ ~ postoperativ

0,1

Enzym SOH LDH IOH G·6-POH CyLOx

Abb. 2. Prac· und postoperative Enzymaktiv itat bei 2 Patien ten mit snhlcehtem postoperativen Ergebnis [Messung mit AbHorptionsphotometer VEB Carl Zeiss .IEN A].

158 B. FRANKE U. a .

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Abb. 3. Target like fiber mit zentral enzymfreiem Bezirk. SDH·Reaktion. 960 : 1.

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Abb.4. ATPase·Reaktion pH 10,2 bei einem Patienten mit schwerster Vorfu13gangran. 86 % Typ I·Fasern (hell) und 14 % Typ II-Fasern. 384 : 1.

Histochemlsche Untersuchungen del' quergestreiften Muskulatur 159

6. Diskussion der Ergebnisse

Die gewonnenen semiquantitativen enzymhistochemischen Ergebnisse korrelieren mit den

feincren biochemischen Aktlvitatsbeatimmungen. Das unterschiedliche Verhalten von 2 Enzymen (SDH, ICDH) eines biochemischen Kreislaufs ist eben falls aus der Literatur bekannt (BYLUND

et al. 1976). Del' umgekehrte Extlllktionsverhaltcn dcr ICDH deutet darauf, daS die hochste Enzymakti­

vitat nicht bei den Claudicatio-l'atientcn, sondern bei Erkrankten mit Ruheschmerz als Leitsym­ptom besteht. Dafur spricht, daS bei erfolgreicher Operation im Stadium IV nach FONTAINE (1959)

postoprativ eine erhohte Extinktion vorlag. Das biochemisch bereits bekannte abweichendc Verhalten del' LDH mit h6chster Enzymaktivitat

bei del' gefaSgesunden Kontrollgruppe und steigendem Aktivitatsverlust mit steigendem Ischamie­grad wlrd indirekt ebenfalls bestMigt. Frsache dieses Verhaltens konnte der verstarkte Reflux

des anfallenden Pyruvats in den Citratcyklus sein. Zum anderen konnte sinkende Anzahl und Atro­

phie dE'r Typ II-Fasern bei zunehmender Hypoxie verantwortlich sein, da die LDH zum uber­

wiegenden Teil an die Typ II-Fasern gebunden ist (MEIJER und ELIAS 1976).

Bei den fasermorphometrischen Untersuchungen laSt die Verminderung der Typ II-Fasern 2 Hype­

the sen offen:

1. Sie sind anfallig gegenubcr Hypoxic und gehen unter, oder 2. siE' wandeln sich in Typ I- FasE'rn um.

Die 2. Hypothese steht im Gegensatz zu del' Neuronenhypothese von DRACHMANN (1974), die

bE'sagt, daS die Neurone allein den Metabolismus del' Muskelfasern determinierE'n (zit. bei MAKITIE und TERAVAINEN [1977]).

Aus den Gesamtergcbnissen ergibt sich, daS die Prognose einer Extremitat um so ungunstiger

ist, je niedriger die Enzymaktivitat der Oxidoreductasen ist, je haufiger histopathologische Ver­anderungen gE'funden werden und Je starker die Typ I-Fasern hypertrophieren und prozentual

zunehmen.

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Anschrift des Verfassers: Dr. med. B. FRANKE, Chirurgische Klinik der Medizinischen Akade­

mie Magdeburg, DDR ·3090 Magdeburg, Leipziger Stra13e 44.