Virchows Arch. Abt. B Zellpath. 10, 268--274 (1972) �9 by Springer-Verlag 1972

Polyploide Zellkerne im Herzmuskel yon Affen*

P. Pfitzer

Pathologisches Institut der Universitit Diisseldorf (Direktor: Prof. Dr. H. Meessen)

Eingegangen am 30. November 1971

Polyploid Nuclei in Myocardial Cells of Monkeys

Summary. Nuclear DNA was measured by cytophotometry in Feulgenstained smear preparations from the hearts of 11 monkeys. In the left heart of five rhesus (Macaca mulatta) and one black howler (Alouatta caraya), 3 to 4 years old, diploid nuclei predominate with 88.4 =L 0.9%. Between 8 and 14% (10.8 ~ 1.0%) of the nuclei belong to the 4 C class and 0.8 • 0.5 % are octoploid. A similar relation is found in the 2 g heart of a young common tit monkey (Saimiri sciureus) with 98% 2 C and 2% 4 C nuclei. In the heart of a rhesus, 8 to 10 years old, the distribution is changed and corresponds to the polyploidized normal heart of man: 29% 2 C, 55% 4 C, and 16% 8 C nuclei are found. In the right ventricle polyploidy is less pronounced just as in man: 69% belonging to the 2 C and 31% to the 4 C class. The same pattern was found in a 7 year old chimpanzee (Pan triglodythes). In the heart of a 6 year old douc (Pygathrix nemaeus) polyploidy was evident but less pronounced. This could be due to death during polyploidization. An increase of polyploidy above normal is found in the oldest animal a 20 year old female of the hamadryas baboon (Papio hamadryas). The animal showed signs of chronic heart insufficiency and had a significantly polyploidized right heart. A similar increase in polyploid nuclei is registered in the left heart of a 9 1/2 year old female of the white- handed gibbon (Hylobates lar pileatus). Since renal histology of the animal shows a prolifera- tion of the juxtaglomerular apparatus, it cannot be excluded that renal hypertension was the reason for the increase in polyploidy in the left heart. DNA synthesis resulting in polyploidiza- tion of the nuclei of heart muscle cells happens in rhesus during normal development approximately at the same age as in man. I t must therefore be independent of puberty which takes place in rhesus at the age of 3 to 5 and in the chimpanzee about the seventh year. Polyploidization happens after puberty in rhesus and before puberty in man. I t seems to be independent of adolescence and the end of epiphyseal growth as well. Probably it is part of an organ specific development whose conditions are not yet known. Evidently polyploidy can increase above normal in the hearts of monkeys as in man.

Zellkerne mit einem DNS-Gehal t , der polyploiden Wer ten entspricht , wurden in

Herzen von Tieren bisher nur beim Schwein in grSl]erer Anzahl gefunden (Pfitzer,

1971 c). Die Herzen yon M/tusen (Petersen und Baserga, 1965), R a t t e n (Mirakjan

und Rumyan t sev , 1968; Pfitzer und Kuhn , 1970), T ru th i ihne rn (Pfitzer, 1971 b), R indern (Adler und Beckhove, 1971; Pfitzer, 1971d), Kaninchen , Ka tzen u n d

H u n d e n (Pfitzer, 1971d) en tha l ten zu mehr als 90% diploide Kerne. Der Antei l

der 4 C-Kerne bctr/~gt im Durchschni t t etwa 5%, w/ihrend octoploide Zellkerne mit einem DNS-Gehal t yon 8 C nu r in wcnigen ~ dcr Messungen registriert werden. Besonders gering ist der Antcil der 4 C-Klasse im l inken Herzen yon Katzen und H u n d e n unterschiedlichen Alters. Er liegt mi t 1,8 ~= 0,5 % signif ikant

* Mit Unterstiitzung des Sonderforschungsbereiches Kardiologie Diisseldorf der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Polyploide Zellkerne im Herzmuskel yon Allen 269

unter dem der Nager mit 6,9 • 1,2% bei Ratten und 5,6 ~= 1,1% bei Kaninehen (Pfitzer, 1971d). Von diesen Befunden unterseheiden sieh die Herzen /~lterer Sehweine, die durehsehnittlich 4,8 • 0,8% polyploider Kerne der Werte 6 C, 8 C, 12 C und 16 C enthalten. Aber auch in diesen I-Ierzen stellt die Klasse der diploiden Kerne 77,6% und nur 17,4% entfallen auf die 4 C-Kerne. Die Verteilung der Kern- klassen weicht somit erheblich yon der im linken Herzen eines erwachsenen Menschen ab, in dem die 4 C-Klasse mit etwa 55% dominiert und 8 C- und 16 C- Kerne zusammen mehr als 10% der Population ausmachen. Von besonderem Interesse war deshalb die Frage, ob sieh Mfen von den bisher untersuehten Tieren unterseheiden und in ihren tIerzen polyploide Zellkerne in einer Verteflung enthalten, die der im menschliehen Herzen entspricht.

Der DNS-Gehalt der Zellkerne wurde mit dem Cytophotometer UMSP I /XD 50 yon Zeiss 1 unter den fr/iher verSffentliehten Bedingungen bestimmt (Pfitzer, 1971a). Ausgewertet wurden dig Abstriehe yon 11 Herzen, die von Mfen aus sechs versehiedenen Arten stammten: 6 Rhesusaffen (Macaea mulatta), 1 Toten- kopf/~ffehen (Saimiri sciureus), 1 Briillaffe (Alouatta earya), 1 Kleideraffe (Py- gathrix nemaeus), 1 Mantelpavian (Papio hamadryas), 1 Kappengibbon (I-[yloba- tes lar pileatus) und 1 Sehimpanse (Pan triglodythes). Bei jiingeren Tieren wurde der DNS-Gehalt von 50 oder 100 Kernen im linken IIerzen gemessen und bei erwachsenen Tieren yon je 100 Kernen des linken und des rechten tterzens. Das Alter der Tiere entspricht den Angaben der Zoologischen G/~rten.

Die Verteilung der Kernklassen im linken Herzen von vier der fiinf etwa 3 4 Jahre alten Rhesusaffen, die wir untersuchen konnten, gibt Abb. 1 wieder. Der Anteil der 2 C-Kerne betr/~gt bei diesen 5 Tieren im Durchsehnitt 88,4 =L 0,9 %. Auf die 4 C-Klassen entfallen 10,8~= 1,0% und auf die 8 C-Klassen 0 ,8 • Dieser Befund entsprieht ungef/~hr dem, der am linken Herzen yon Menschen der- selben Altersgruppe erhoben wird. Deutlich versehieden hiervon ist die Verteilung im Iterzen eines 8--10 Jahre alt gewordenen Tieres (Abb. 2 a). Im linken Herzen linden sich 29% 2 C-, 55% 4 C- und 16% 8 C-Kerne. Im reehten tIerzen entfallen auf die 2 C-Klasse 69% und auf die 4 C-Klasse 31%. In diesem IIerzen besteht also eine Verteilung, die fiir beide Ventrikel der entspricht, die in einem normalen, polyploidisierten menschlichen Herzen vorliegt.

Die Befunde bei Totenkopf/tffchen, Briillaffe, Kleideraffe, Mantelpavian und Sehimpanse folgen dem einen oder anderen der beiden gezeigten Schemata. Im 2 g sehweren Herzen eines frisch importierten Totenkopf/~ffehens fanden sich 98 % 2 C- und 2 % 4 C-Kerne. Das etwa 3 4 Jahre alte Br/illaffenm/~nnehen hatte ein Herz, das 16,5 g wog und das links 91% diploider und 9% tetraploider Kerne ent- hielt. Die Verteilung entspricht somit der in den tterzen der gleiehaltrigen Rhesus- affen. Das Herz eines 7 Jahre alten Schimpansen, dessen Gewieht uns nicht be- kannt ist, zeigt dagegen eine Verteilung der Kernklassen yon 36:53:11% im linken und von 60:20:13 : 1% im rechten Herzen (Abb. 2b). Das I-Ierz des/~ltesten Tieres, eines etwa 20 Jahre alten Weibehens des Mantelpavians (Abb. 2 c), zeigt eine leiehte Versehiebung der Kernklassen zu hSher polyploiden Werten. Be-

1 Wir danken Herrn Prof. Dr. L. E. Feinendegen, Direktor des Institutes fiir Medizin der KFA J/ilich, fiir die Erlaubnis, die Messungen in seinem Institut durchzufiihren.

270 P. Pfitzer:

,R,ha.Sus - ~ , ~ - ~

Zahl d Ker~s

10

c

~l. fn~,$io n

Abb. 1. a--d DNS-Cehalt der Zellkerne im linken Iterzen yon 4 jlingeren Rhesusaffen (3--4 Jahre alt)

sonders deutlich wird dies im reehten Herzen mit einem Verh/tltnis yon 40: 49 : 11%. Dieser Befund entspricht der Verteilung, wie sic in altersatrophisehen, menseh- lichen Herzen vorliegt (Pfitzer, 1971a). Da bei der Autopsie des Tieres Organe mit den Zeichen einer ehronischen Stauung gefunden wurden, kann angenommen werden, dab das Herz seit langem vermehrt bel~stet war.

Eine geringere Polyploidisierung als der 8--10 Jahre alte Rhesus~ffe und der 7]/~hrige Schimpanse zeigt das Weibehen des Kleideraffen (Abb. 3 a). Es war als erwachsenes Tier mit einem geschs Alter yon 3 Jahren in einen Zoologischen Garten eingeliefert worden und hatte dort noeh 3 Jahre gelebt. Sein Alter dfirfte somit etwa 6 Jahre betragen. Die Vertei|ung der Kernklassen entspricht im linken Herzen 49 : 45: 6 % und rechts 92 : 8 %. Die Polyploidisierung ist also links zwar deutlich vorhanden, aber weniger ausgcpr~gt als in den F/~llen der/~lteren Tiere.

Die sts Polyploidisierung unserer Untersuehungsreihe finde~ sieh im linken Herzen eines 91/2Jahre alten Weibehens des Kappengibbon (Abb. 3b). Hier iiberwiegen die oktoploiden Kerne mit 49%, w~hrend der Anteil der diploiden 2 C-Kerne auf 10% und der der 4 C-Kerne auf 28% gesnnken ist. AuBerdem wurden in 12% der Kerne 16 C und einmal 12 C gemessen. Die Verteilung im rechten Herzen entspricht mit 58:35:5 % etwa der Norm, Das Tier war an einer Hepatitis verstorben, zeigt aber in der Niere Polkissenproliferationen. Es ist somit

Polyploide Zellkerne im Herzmuskel von Affen 271

R h e . ~ u s - A~Ji~

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c ~ Ocsam]- - ~o 20 ~o ~o 50 Ex~in K~ion

Abb. 2a--c. DNS-Oeh~lt der Zellkerne im linken und rechten Herzen von 3/~lteren Tieren. a Rhesusaffe 8--10 Jahre, ~. b Schimpanse 7 Jahre, ~. c Mantclpavian 20 Jahrc,

nicht auszuschlieBen, dab ein unbemerkter Bluthochdruck die Ursache der gesteigerten Polyploidisierung des linken Herzens war.

Vergleicht man die Befunde, so f/~llt in erster Linie auf, dab sich bei Affen eine Polyploidisierung der Muskelzellkerne im gleichen Alter vollzieht wie beim

272 P. Pfitzer:

Kl~dera;(~e

~-ohl d.K~ne,

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Abb. 3. a DNS-GehMt der Zellkerne im linken und rechten Iterzen eines 6 Jahre alten !~ Klei- deraffen mit noch nicht voll ausgepr/igter Polyploidie. b DNS-Gehalt der Zellkerne im linken und rechten Herzen eines 91/2 Jahre alten ~) Kappengibbon mit gesteigerter Polyploidie

Menschen. Untersuchungen an menschlichen Herzen dieser Altersgruppe (Adler und Hueck, 1971; Pfitzer, 1971a) hat ten gezeigt, dab die Polyploidisierung des linken Herzens zwisehen dem 5. und 10. Lebensjahr eintritt, wobei die Entwick- lung der Kinder eine gewisse Rolle spielt. Dem entsprieht in der vorliegenden Untersuchungsreihe ein Alter von 5--7 Jahren ffir Allen. I m Fall des Kleideraffen (Abb. 3) kSnnte sieh die geringere Polyploidisierung daraus erkl/iren, dag das Tier diesen Entwieklungsschritt noch nicht abgeschlossen hatte. I m normalen Herzen des Menschen und der Affen setzt somit wiihrend der Entwicklung eine erneute DNS-Synthese ein, die zur Polyploidisierung der Zellkerne fiihrt.

Bezogen auI das Alter ist die gleiche Entwicklung yon Menseh und Affe iiberrasehend, weft Affen ihre Pubert/~t zum Teil sehon mit 3- -5 Jahren dureh-

Polyploide Zellkerne im Herzmuskel yon Affen 273

laufen (Hartmann, 1932; Wagenen und Simpson, 1954; Harms, 1956; Tanner, 1962). Die Polyploidisierung der Kerne in den Herzmuskelzellen finder also zum Beispiel bei Rhesusaffen nach der Pubertiit, bei Schimpansen etwa zum Zeitpunkt der Pubertiit (Tanner, 1962) und beim Menschen erheblich vor der Pubert~t start. Sie ist somit unabh~ngig yon der Sexualentwicklung. Andererseits besteht jedoch auch keine erkennbare Beziehung zur Adoleszenz und dem SchluB der Epiphysen- fugen. Die Adoleszenz hat eine unterschiedliche L~nge und dauert bci Macaca bis zum 7., beim Schimpansen bis zum 11. und beim Menschen his zum 20. Jahr (Hartmann, 1932; Schultz, 1956; Tanner, 1962, Sinclair, 1969). Auch hiervon scheint die Polyploidisierung der Zellkerne unabhiingig zu sein. Ob es sich bei diesem Vorgang um einen organspezffischen Entwicklungsschritt handelt und welche Faktoren ihn beeinflussen, bedarf weiterer Kl~rung.

Neben der ~hnlichkeit in der Normalentwicklung des Herzens zeigen die vor- liegenden Messungen, da]~ auch im Affenherzen eine Steigerung der Polyploidie in einzelnen Ventrikeln eintreten kann. Da dies beim Menschen in der l~egel nach l~ngerer Belastung tines Ventrikels der Fall ist (Pfitzer, 1971a), liegt die Ver- mutung nahe, dab die gesteigerte Polyploidisierung in einzelnen Affenherzen ebenfalls auf cine vermehrte Belastung zurfickgeht, die, infolge der zwangsli~ufig geringeren Kontrolle der Tiere, unbemerkt bleibt. Die bisherigen Messungen zeigen, dab Affen als das ideale Modell der ZellkernverS~nderungen des mensch- lichen Herzens gelten kSnnen.

Nachtrag: Zwisehenzeitlich wurden Messungen an zwei 2--3 Jahre alten Schimpansen und einem 3--4 Jahre alten Gorilla mSglich. Sie ergaben, dal] bei diesen Tieren die Polyploidisie- rung bereits eingetreten ist; sie erfolgt hier also friiher als beim Rhesusaffen.

Literatur

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Priv. Doz. Dr. P. Pfitzer Pathologisches Institut der Universit~t D-4000 Diisseldorf Moorenstr. 5 Deutschland