This work has been digitalized and published in 2013 by Verlag Zeitschrift für Naturforschung in cooperation with the Max Planck Society for the Advancement of Science under a Creative Commons Attribution4.0 International License.

Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschungin Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung derWissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht:Creative Commons Namensnennung 4.0 Lizenz.

Uber die funktionelle Entleerung, den Feinbau und die Entwicklung von Tumor-Mitodiondrien*

V o n N O R B E R T W E I S S E N F E L S

Aus dem Zoologischen Institut und dem Zentral-Laboratorium für Angewandte Übermikroskopie am Zoologischen Institut der Universität Bonn

(Z . Naturforschg. 12 b. 168—171 11957] ; eingegangen am 13. Oktober 1956)

Nach WOHLFARTH-BOTTERMANN werden die Tubuli mitochondriales, die das wesentliche Struktur-element der Paramecien-Mitochondrien darstellen, bei erhöhtem Stoffwechsel von den Mitochondrien als geformte Sekrete in das Cytoplasma abgeschieden.

Die Mitochondrien von Tumorzellen (Sarkom und Carc inom) , die sich ebenfalls sehr schnell ver-mehren, unterscheiden sich in zweifacher Hinsicht von den normalen Mitochondrien höherer T i e re : 1. Sie besitzen nur wenige Cristae und sind im Jugendstadium sehr dicht mit Tubul i angefüllt . 2. Die meisten in Tumorzellen enthaltenen Mitochondrien sind leer ; sie haben ihren tubulären Inhalt an das Plasma abgegeben.

Die Cristae entstehen bei den jungen Mitochondrien aus der inneren der beiden Hüllmembranen und wachsen scheibenartig in den Innenraum hinein. Die Mitochondrien werden also durch die Cristae in mehr oder weniger vollständige Kammern aufgeteilt, die mit Tubul i angefüllt sind.

Die Entwicklung der Mitochondrien läßt sich von lichtmikroskopisch nicht sichtbaren Promito-chondrien ableiten, die eine doppelt konturierte Hülle besitzen und schon eine relativ dichte, aus Tubul i bestehende Grundsubstanz enthalten. Die Tubuli haben einen Durchmesser von 50 — 100 Ä .

D e r F e i n b a u d e r M i t o c h o n d r i e n w u r d e in l e t z ter

Z e i t m e h r f a c h b e s c h r i e b e n . D i e e l e k t r o n e n - m i k r o s k o -

p i s c h e n A u f n a h m e n e r g a b e n , d a ß d i e k u g e l i g e n b i s

s c h l a u c h f ö r m i g e n M i t o c h o n d r i e n e i n e d o p p e l l a m e l -

l i g e H ü l l e b e s i t z e n , d i e e i n S y s t e m e b e n f a l l s d o p p e l t

k o n t u r i e r t e r S e p t e n ( C r i s t a e m i t o c h o n d r i a l e s ) u m -

s c h l i e ß t . D i e s e U n t e r s u c h u n g e n w u r d e n h a u p t s ä c h -

l i ch a n l a n g s a m s i ch v e r m e h r e n d e n Z e l l e n v o n W a r m -

b l ü t e r n d u r c h g e f ü h r t . D i e F e i n s t r u k t u r e n d e r M i t o -

c h o n d r i e n i n t e r e s s i e r e n d e s h a l b s o s e h r , w e i l a n

i h n e n d i e b e k a n n t e n M i t o c h o n d r i e n f e r m e n t e l o k a l i -

s i e r t s e i n m ü s s e n . S J Ö S T R A N D 1 , ( 1 9 5 4 ) .

K ü r z l i c h b e r i c h t e t e W O H L F A R T H - B O T T E R M A N N 2 ( 1 9 5 6

a u n d b ) ü b e r d i e E n t w i c k l u n g d e r M i t o c h o n d r i e n

b e i P a r a m e c i e n , d i e d u r c h r e i c h l i c h e E r n ä h r u n g zu

e i n e r r a s c h e n T e i l u n g s f o l g e a n g e r e g t w o r d e n w a r e n .

D i e M i t o c h o n d r i e n d i e s e r P a r a m e c i e n v e r m e h r t e n

s i ch e b e n f a l l s s c h n e l l e r a l s n o r m a l , u n d s o k o n n t e

d e r g a n z e — b i s h e r u n b e k a n n t e — E n t w i c k l u n g s -

g a n g d e r M i t o c h o n d r i e n m i t A u s n a h m e i h r e r E n t -

s t e h u n g a u f g e k l ä r t w e r d e n . D i e s e E r g e b n i s s e v e r -

a n l a ß t e n m i c h , d a s V e r h a l t e n d e r M i t o c h o n d r i e n v e r -

* Vortrag der First European Regional Conference on Elec-tron Microscopy, Stockholm 1956.

1 F . S . SJÖSTRAND, T h e u l t r a s t r u c t u r e o f m i t o c h o n d r i a . S y m -posium on „F ine Structure of Cel l s " , Leiden 1954.

2 K . E . WOHLFARTH-BOTTERMANN, Z . N a t u r f o r s c h g . 1 1 b , 5 7 8 [1956] ; Verh. d. dtsch. Zool . Ges. 1956 in Hamburg (1956 b ) .

3 G . E . PALADE. J . e x p . M e d i c i n e 9 5 , 2 8 5 [ 1 9 5 2 a ] .

s c h i e d e n e r T u m o r z e l l e n z u u n t e r s u c h e n , w e i l d i e s e

e n t a r t e t e n Z e l l e n j a a u d i e i n e r e l a t i v r a s c h e T e i -

l u n g s f o l g e h a b e n .

M a t e r i a l u n d M e t h o d e

F ü r d iese U n t e r s u c h u n g e n w u r d e n z w e i M ä u s e t u m o -ren verwendet , e in S p i n d e l z e l l e n s a r k o m ( G N - S a r k o m ) u n d ein M a m m a c a r c i n o m ( d b a - C a r c i n o m ) , d i e b e i d e i m A u g u s t 1 9 5 4 bei e iner G N - b z w . e iner d b a - M a u s u n s e r e r Zuchten spontan a u f g e t r e t e n s ind u n d s e i t d e m tei ls in G e w e b e k u l t u r e n g e z o g e n , tei ls auf T i e r e d e r A u s g a n g s -rassen transplant iert w e r d e n .

K l e i n e Stücke v o n vers ch iedenen T i e r p a s s a g e n w u r -d e n in e iner i so tonischen , auf p n 7 ,2 g e p u f f e r t e n L ö -s u n g von O s m i u m t e t r o x y d (PALADE3 , 1 9 5 2 a u n d R H O -

DIN4 1 9 5 4 ) be i 0 ° C f ix iert u n d 4 S t d n . l a n g mi t 1 -proz . P h o s p h o r w o l f r a m s ä u r e ( W O H L F A R T H - B O T T E R M A N N 5

1 9 5 6 c ) n a c h i m p r ä g n i e r t . D i e in d e r A l k o h o l r e i h e ent-wässerten P r ä p a r a t e w u r d e n in e i n e m G e m i s c h v o n g e r e i n i g t e m M e t h y l - u n d B u t y l m e t a c r y l a t e i n g e b e t t e t . H i e r v o n w u r d e n mi t d e m S j ö s t r a n d - M i k r o t o m u l t r a d ü n n e Schnitte a n g e f e r t i g t . D i e e l e k t r o n e n o p t i s c h e n A u f n a h m e n machte H e r r Dr . W O H L F A R T H - B O T T E R M A N N

mit d e m S i e m e n s Ü b e r m i k r o s k o p 1 0 0 d.

4 J. RHODIN, Correlation of ultrastructural organization and function in normal and experimentally changed proximal convoluted tubule cells of the mouse kidney. Dissertation, Stockholm 1954.

5 K . E. WOHLFARTH-BOTTERMANN, Die Eignung und Anwen-dung von Phosphorwolframsäure und Thalliumnitrat als Kontrastmittel zur Darstellung cytoplasmatischer Struktur-ren. First European regional conference on electron mi-croscopy. Stockholm 1956 c.

Ergebnisse

a) Die Entleerung der Tumor-Mitochondrien

Viele Mitochondrien des GN-Sarkoms und des dba-Carcinoms erscheinen im elektronenmikroskopi-schen Bild weitgehend leer. Sie besitzen zwar noch ihre doppellamellige Hülle und audi die charakteri-stischen Cristae, aber die normalerweise zwischen diesen liegende Grundsubstanz, die S J Ö S T R A N D 6

1954 als „Granulation" bezeichnete, ist bei ihnen häufig nur noch teilweise oder gar nicht mehr vor-handen. Auf Abb. 1 * (GN-Sarkom) erkennt man rechts im Bild zwei Mitochondrien, deren Grund-substanz in zwei engbegrenzten Bezirken fehlt. Die Mitochondrien liegen in dieser Zelle in der Nähe eines ausgelappten Kernes, von dem man oben im Bild noch zwei kleine Ausschnitte sieht. Die beiden Mitochondrien in Abb. 2 (GN-Sarkom) besitzen da-gegen nur noch Reste der Grundsubstanz, die an der Hülle und den Cristae anhaften. Die bisher übliche Fixierung mit Osmiumtetroxyd (Abb. 1) lieferte nur einen schwachen Kontrast. Dieser konnte aber durch eine Nachimprägnierung mit Phosphorwolf-ramsäure so stark erhöht werden (Abb. 2 und fol-gende) , daß die Struktur der Mitochondrien-Grund-substanz erkennbar wurde. Hiervon soll jedoch erst später die Rede sein. In Abb. 2 erkennt man außer-dem noch einfach konturierte dünne Zellausläufer, die von zwei benachbart liegenden Sarkomzellen stammen und wechselseitig ineinandergreifen.

Abb. 3 stellt Ausschnitte einiger dba-Carcinom-zellen dar. Oben und rechts unten in der Abbildung liegen in Zellausschnitten mit relativ dichtem Plasma mehrere Mitochondrien, die so gut wie keine Grund-substanz enthalten. Ihre Cristae sind hier nicht sicht-bar, weil die Schnittrichtung wahrscheinlich parallel zu ihnen, nämlich in der Mitochondrien-Querrich-tung verläuft. Links in der Abbildung erkennt man mehrere volle Mitochondrien, die aber in einer Zelle mit weniger dichtem Plasma liegen. Das Mitochon-drium in der linken oberen Ecke wurde längs ge-schnitten, so daß seine Cristae quergetroffen und folglich sichtbar wurden. Auffallend ist also, daß die hier abgebildeten, benachbart liegenden Carcinom-zellen entweder dichtes Plasma mit leeren oder we-niger dichtes Plasma mit vollen Mitochondrien ent-halten.

8 F . S . SJÖSTRAND U. V . HANZON, Experientia [Basel] 10. 3 6 7 [1954] .

* Abb. 1—13 s. Tafel S. 170 a, b, c u. d.

Links in der Abb. 3 erkennt man außerdem ring-förmig angeordnete Membranpaare und in ihrer Nähe einfach konturierte Cytoplasmabläschen. S J Ö S T R A N D u n d H A N Z O N ( 1 9 5 4 ) u n d H A G U E N A U u n d

B E R N H A R D 7 ( 1 9 5 5 ) sind der Ansicht, daß der G o l g i -apparat eine solche Struktur besitzt.

Abb. 4 stellt Ausschnitte von zwei Carcinomzellen dar. Ein kleines Stück der doppellamelligen Zell-membran verläuft quer durch das ganze Bild von links unten nach rechts oben. Links oben erkennt man einen Kernabschnitt und unten ein für Tumor-gewebe charakteristisches Mitochondrium. Viele Tu-mor-Mitochondrien enthalten nämlich nur wenige Cristae, die sich durch den ganzen Innenraum er-strecken (das in Abb. 4 sogar nur eine) ; andere scheinen unvollständig ausgebildet zu sein. Außer-dem sind nur relativ wenige Mitochondrien vollstän-dig mit Grundsubstanz angefüllt. Viele von ihnen besitzen, wie in Abb. 4, nur einen dünnen Belag hiervon auf der Innenseite ihrer Hüllmembran oder haben gar keine Grundsubstanz.

Bisher liegen über 300 elektronenmikroskopische Aufnahmen von diesen beiden Tumoren vor. Nach deren Auswertung scheint es sicher zu sein, daß die Tumor-Mitochondrien ihre Grundsubstanz durch Öffnungen in der Hüllmembran an das sie umge-bende Plasma abgeben. Ein Fixierungs-Artefakt liegt nicht vor, denn in Abb. 3 liegen volle und leere Mitochondrien in einem Präparat nebeneinander. Außerdem ist das gegen schlechte Fixierung sehr empfindliche Plasma gut erhalten.

Abb. 5 stellt ein offenes Mitochondrium in der Randzone einer GN-Sarkomzelle dar, und in Abb. 13 erkennt man ein Mitochondrium des dba-Carcinoms, dessen Hüllmembran an der Oberseite aufgelöst ist. W O H L F A R T H - B O T T E R M A N N 2 ( 1 9 5 6 b) konnte ebenfalls Mitochondrien-Öffnungen bei Paramecien und sogar den Austritt von relativ großen, tubulären Struktu-ren aus den Mitochondrien in das Plasma hinein eindeutig nachweisen. Bei den Tumor-Mitochondrien kann man dagegen die ausgetretene Mitochondrien-Grundsubstanz nur sehr schwer direkt im Plasma wiedererkennen. Es handelt sich hierbei um extrem kleine Strukturen (50— 100 A ) , die sich elektronen-mikroskopisch zur Zeit nur an ganz dünnen Schnit-ten und bei bester Fokussierung darstellen lassen. Bei der Besprechung der Mitochondrien-Entwicklung

7 F. HAGUENAU u. W. BERNHARD. Arch. Anat. microsc. et Exp. 44, 27 [1955].

werde ich auf diese Strukturen ausführlicher ein-gehen.

b) Der Feinbau der Mitochondrien

S J Ö S T R A N D und R H O D I N 8 beschrieben 1952 die Feinstruktur der Mitochondrien. Nach ihrer Darstel-lung sollen die Cristae mitochondriales keine Ab-kömmlinge der Mitochondrienhülle sein, sondern selbständige, scheibchenartige Gebilde innerhalb der Mitochondrien, die quer zu deren Längsachse in kur-zen Abständen hintereinander stehen. Da aber die Tumor-Mitochondrien bei der Abgabe ihrer Grund-substanz die Cristae behalten, konnte mit ziemlicher Sicherheit angenommen werden, daß die vermeint-lich selbständigen Innenscheibchen in Wirklichkeit mit der Hülle verbunden sind. In mehreren Fällen (Abb. 6, dba-Carcinom und Abb . 7 GN-Sarkom) ließ sich nun eindeutig zeigen, daß die Cristae von dem Innenblatt der Mitochondrien-Hülle abstam-men. Kürzlich kamen übrigens H O W A T S O N und HAM9 ( 1955 ) zu dem gleichen Resultat. Damit bewahrheitet sich also die Auffassung von P A L A D E 1 0

( 1 9 5 2 b ) , der die charakteristischen Mitochondrien-Innenstrukturen Cristae mitochondriales nannte, weil er sie für Falten der Mitochondrium-Hülle hielt.

Die Cristae stellen teils zarte Ringwülste des in-neren Hüllblattes dar, also kurze Wandvorsprünge, andere wachsen lamellenartig von der einen Mito-chondrien-Seite quer durch das Lumen hindurch bis zur gegenüberliegenden Wand (Abb. 8, dba-Carci-n o m ) . Ob die freien Enden dieser Cristae sich dort nur an die Mitochondrium-Hülle anlegen oder fest mit ihr verwachsen können, ist noch unentschieden. Die Einschnürung des Mitochondriums in Abb. 4 weist darauf hin, daß hier Cristae und Hüllmembran fest miteinander verbunden sind.

Die Mitochondrien in Abb. 8 haben wieder auf-fallend helle Innenbereiche; sie besitzen also nicht mehr ihre gesamte Grundsubstanz.

Die Mitochondrien sind nicht immer kugelig bis stäbchenförmig, sondern verzweigen sich auch manchmal. An diesen Stellen sind ihre Cristae un-regelmäßig angeordnet und bestehen häufig auch nicht aus einfachen, sondern aus gegabelten Lamel-len, wie man auf Abb . 9 (dba-Carcinom) an zwei Stellen deutlich erkennen kann. Diese nur aus-schnittsweise abgebildete Verzweigungsstelle eines Mitochondriums enthält besonders viele Cristae.

8 F . S . SJÖSTRAND U. J . R H O D I N , E x p . Cell Res. 4 , 426 [1952], 9 A. F. HOWATSON U. A. W. H A M . Cancer Res. 1 5 . 62 [1955].

c) Die Entwicklung der Mitochondrien

Die Entwicklung der Mitochondrien untersuchte ich zunächst an Gewebekulturen der beiden Tumo-ren. Junge Tumorzellen besitzen zunächst in einer bestimmten Region des kernnahen Plasmas kleine kugelige, nur sehr schwach erkennbare Mitochon-drien. Diese werden rasch größer und wachsen zu fädigen Gebilden heran, die häufig länger sind als der Zellkern (vgl. B R Ä M 1 1 , 1 9 5 1 ) . Elektronenmikro-skopisch erkennt man außerdem ganz kleine, also vermutlich sehr junge Mitochondrien, die licht-optisch unsichtbar sind. Diese Promitochondrien be-sitzen noch keine Cristae, enthalten aber eine struk-turierte Grundsubstanz, die dichter ist als das sie umgebende Plasma (Abb. 10 und 11, dba-Carci-n o m ) . In der Grundsubstanz sind viele runde An-schnitte sichtbar, woraus man schließen kann, daß es sich hierbei wahrscheinlich um Tubuli handelt. Den Größenunterschied zwischen den Cristae und den Tu-buli erkennt man sehr gut in Abb . 12 (GN-Sarkom). Dort liegt ein Mitochondrium mit einer Crista (oben) dicht neben einem Promitochondrium (un-ten), das nur Tubuli enthält. Die Tubuli sind also bedeutend kleiner als die Cristae und liegen an der Grenze der Auflösbarkeit für die derzeitigen Über-mikroskope. In bestimmten Plasmaregionen vieler dba-Carcinomzellen (Abb. 3 links oben und Abb. 10 rechts) trifft man außerdem noch doppelt kontu-rierte Partikel an, die einen Durchmesser von 500 bis 600 Ä haben. Ihre Hülle ist ungefähr 100 A dick. Ob es sich hierbei um Viren handelt, oder ob diese Körperchen extrem kleine Mitochondrien sind, kann noch nicht entschieden werden.

In Abb. 13 sieht man schließlich neben drei mehr oder weniger leeren Mitochondrien ein relativ gro-ßes Promitochondrium. Dieses, so wie alle anderen Promitochondrien (Abb. 1, 2 und 4 ) , sind so dicht mit der tubulären Grundsubstanz angefüllt, daß sie in den Abbildungen sofort ins Auge fallen.

In einem späteren Entwicklungsstadium entstehen, wie gesagt, aus Ringwülsten des inneren Hüllblattes die Cristae mitochondriales. Diese gliedern die Mito-chondrien in hintereinander-liegende, meist nicht ganz verschlossene Kammern und teilen dabei gleich-zeitig die Grundsubstanz auf.

Die Mitochondrien schließen möglicherweise mit der Entleerung ihre Entwicklung ab. Ob ein Ver-

1 0 G . E . PALADE, A n a t o m . R e e . 1 1 4 , 4 2 7 [ 1 9 5 2 b ] , 11 A. BRÄM, Acta anatom. [Basel] 13, 385 [1951] ,

N. WEISSENFELS, Über die funktionelle Entleerung, den Feinbau und die Entwicklung von Tumor-Mitochondrien (S. 168)

schluß der Wandöffnungen und eine Regeneration der Tubuli über Mikrotubuli noch einmal möglich i s t , s o w i e e s W O H L F A R T H - B O T T E R M A N N 2 ( 1 9 5 6 b )

für die Paramecien-Mitochondrien berichtete, kann wegen der Kleinheit dieser Strukturen für die Tu-mor-Mitochondrien nicht entschieden werden.

Die Entleerung der Mitochondrien ist, wie an dem Paramecien-Beispiel gezeigt werden konnte, keine Eigenart der Tumorzellen, sondern erfolgt wahr-scheinlich bei allen Zellen, die eine beschleunigte Teilungsfolge haben. G I E S E K I N G 1 2 ( 1 9 5 4 ) , ferner R O U I L L E R , H A G U E N A U , G O L D E u n d L A C O U R 1 3 ( 1 9 5 6 )

bildeten ebenfalls leere Mitochondrien ab, gaben für diese Erscheinung jedoch keine Deutung.

Die vorliegenden Ergebnisse reichen meiner Mei-nung nach aus, um die Entleerung der Mitochon-drien als einen funktionellen Vorgang bezeichnen zu können, der in Zellen mit rascher Teilung beschleu-nigt verläuft. Deshalb kann man audi vermuten, daß die Mitochondrien-Grundsubstanz aus geformten Fermenten besteht, die im Plasma zum Ablauf des Stoffwechsels benötigt werden. Da die Tumorzellen relativ kleine Mitochondrien mit nur wenigen und zum Teil unvollständig ausgebildeten Cristae enthal-ten, kann man ferner annehmen, daß sich diese Mitochondrien nicht normal bis zu einer maximalen Größe entwickeln, weil sie schon frühzeitig in Funk-tion treten müssen, indem sie ihre tubuläre Grund-substanz an das Plasma abgeben.

Schließlich soll noch erwähnt werden, daß mit licht- und elektronenmikroskopischen Methoden bei Tumorzellen bisher keine eindeutigen Verdoppe-

4 Abb. 14. Schematische Darstellung der Entwicklung, des

Feinbaus und der Entleerung der Mitochondrien: 1 und 2 : Doppelt konturierte Promitochondrien mit tubulärer

Grundsubstanz. 3 : Junges Mitochondrium, dessen erste Cristae aus dem

Innenblatt der Mitochondriumhülle entstehen. 4 : Großes Mitochondrium einer normalen, ausdifferenzierten Zelle. Das Mitochondrium ist durch die Cristae in mehr oder weniger vollständige Kammern unterteilt, in denen sich die

Grundsubstanz befindet. 5 : Tumor-Mitochondrium, das nicht zur vollen Entwicklung

kam, weil es seine Grundsubstanz frühzeitig durch eine Öffnung in der Hülle an das Plasma abgegeben hat.

lungsstadien von Mitochondrien und Promitochon-drien beobachtet wurden. Möglicherweise erfolgt hier eine identische Reproduktion des Chondrioms im molekularen Bereich. Uber die Entstehung der Promitochondrien kann also noch nichts ausgesagt werden.

Herrn Professor Dr. D A N N E E L , Herrn Dr. W O H L F A R T H -

B O T T E R M A N N und der D e u t s c h e n F o r s c h u n g s -g e m e i n s c h a f t bin ich für beratende und finan-zielle Hilfe zu Dank verpflichtet.

12 R. GIESEKING, Mikroskopie [Wien] 9, 186 [1954] . 1 3 C H . ROUILLER, F . HAGUENAU, A . GOLDE U. F . LACOUR, Bull. Canc. 43, 10 [1956] .