Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Matthias Gerhard Wagener

Elektrophysiologische und histologische Untersuchungen des bovinen Myometriums im Trächtigkeitsverlauf und unter dem Einfluss von Kalium und NO

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106070

title (engl.)

Electrophysiological and histological studies of the bovine myometrium during pregnancy and under the influence of potassium and NO

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wagenerm_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Erkrankungen des Reproduktionstraktes haben einen großen Einfluss auf Gesundheit und Wirtschaftlichkeit von Milchkühen. Besonders häufig kommt es zu Erkrankungen der Gebärmutter, deren Kontraktilität eine wichtige funktionelle Rolle im Reproduktionsgeschehen spielt. Zustände der Aktivität und der Ruhe des Myometriums wechseln sich je nach Zyklus- oder Trächtigkeitsstatus des Organes ab, was für die Produktion von Nachkommen unerlässlich ist. Das Myometrium ist dabei in der Lage, ähnlich wie der Darm, eine spontane Aktivität zu entfalten. In einem ersten Teil dieser Arbeit wurden die elektrophysiologischen Grundlagen dieser spontanen Aktivität des Myometriums in verschiedenen Trächtigkeitsstadien näher charakterisiert. Schwankungen im Membranpotential kennt man vom Darm als „slow waves“ die dort durch spezielle Schrittmacherzellen generiert werden und die Grundlage für eine spontane Aktivität der glatten Muskulatur darstellen. Für die Charakterisierung im Uterus wurden das Ruhemembranpotential (RMP) und die Potentialschwankungen des RMP mit Hilfe der Mikroelektrodentechnik untersucht. Für eine Aussage über den Trächtigkeitsverlauf wurde das Verhalten des Str. circulare und des Str. longitudinale von nicht trächtigen Tieren, trächtigen Tieren im Monat 1-4, im Monat 5-9 und Tieren zum Zeitpunkt eines Kaiserschnitts miteinander verglichen. Die Frequenzen der Potentialschwankungen wurden für unterschiedliche Amplitudenhöhen der Schwankungen ermittelt. Neben diesen grundlegenden Daten wurde der Einfluss unterschiedlicher extrazellulärer Kaliumkonzentrationen sowie der Einfluss des Entzündungsmediators NO auf das RMP und die Potentialschwankungen ermittelt. Diese in vitro Versuche sollten mögliche peripartale Zustände der Hypokaliämie und der Gebärmutterentzündung in der Kuh darstellen und ihre Wirkung auf das Myometrium untersuchen. Die mittels Mikroelektrode untersuchten Zellen konnten in zwei Populationen unterteilt werden, Zellen mit Potentialschwankungen und Zellen ohne Potentialschwankungen. Im Trächtigkeitsverlauf zeigten sich ein negativer werdendes RMP sowie ein Anstieg der Potentialschwankungsfrequenz in einigen Gruppen. Unterschiedliche extrazelluläre Kaliumkonzentrationen hatten nur einen Einfluss auf das RMP von Zellen mit Potentialschwankungen, bei Geweben von Tieren in der fortgeschrittenen Trächtigkeit und zum Zeitpunkt eines Kaiserschnitts kam es bei niedrigen Kaliumkonzentrationen dort zu einer Hyperpolarisation des RMP. In den untersuchten Gruppen konnte kein einheitlicher Effekt von Kalium auf die Potentialschwankungsfrequenzen ermittelt werden. Nach Inkubation in einer NO-abspaltenden Lösung ließ sich in Geweben von vier Tieren kein einheitlicher Effekt auf das RMP und das Auftreten von Potentialschwankungen zeigen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Frage nachgegangen, ob es im bovinen Myometrium Schrittmacherzellen gibt, die denen im Darm entsprechen. Ähnliche Zellen, sogenannte Telozyten, wurden in den letzten Jahren in unterschiedlichen Geweben, unter anderem auch in der Gebärmutter verschiedener Spezies nachgewiesen. Eine Beschreibung dieser Zellen für den Uterus des Rindes lag bisher jedoch noch nicht vor. Anhand immunhistologischer Untersuchungen von bovinem Myometrium wurden in einer Doppelfärbung mit CD117 und Vimentin, zwei Markern für Telozyten, positive Zellen im Myometrium detektiert. Neben den Mastzellen und Endothelzellen, die mit diesen beiden Antikörpern ebenfalls detektiert werden, konnten auf morphologischer Grundlage Zellen nachgewiesen werden, die den in der Literatur beschriebenen Telozyten entsprechen. Sie wurden deshalb als Telozyten verdächtig angesprochen. Diese Zellen wurden im Str. circulare und Str. longitudinale in Geweben von nicht trächtigen Tieren, Tieren in der Mitte der Trächtigkeit und Tieren zum Zeitpunkt des Kaiserschnitts quantifiziert. Aufgrund der Verwechslungsmöglichkeit mit Mastzellen wurden diese ebenfalls beschrieben und quantifiziert. Die Gesamtzahl an CD117 und Vimentin positiven Zellen lag weit über der Summe an Mastzellen und Telozyten verdächtigen Zellen, viele Zellen konnten nicht eindeutig klassifiziert werden. Die absolute Anzahl der Telozyten verdächtigen Zellen sowie der Mastzellen änderte sich im Verlauf der Trächtigkeit. Während in Geweben von trächtigen Tieren nominell weniger Mastzellen gefunden wurden als in denen von nicht trächtigen Tieren, nahm die Anzahl an Telozyten verdächtigen Zellen in der Mitte der Trächtigkeit nominell zu und bei den Tieren zum Zeitpunkt des Kaiserschnitts wieder ab. Bei einer Betrachtung der Gesamtzahl an CD117 und Vimentin positiven Zellen kam es jedoch über den gesamten Trächtigkeitsverlauf zu einem prozentualen Anstieg dieser Zellen an der Gesamtzellzahl. In einem weiteren Ansatz wurde eine Quantifizierung derselben Zellen nach einer Inkubation in einer NO-abspaltenden Lösung vorgenommen. Hier zeigte sich ein nomineller Rückgang an CD117 und Vimentin doppeltmarkierten Zellen unter NO-Einfluss im Str. circulare der untersuchten Tiere. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen, dass die elektrischen Vorgänge im Myometrium vom jeweiligen Trächtigkeitsstatus abhängig sind. Niedrige Kaliumkonzentrationen können zu einer Hyperpolarisation des RMP führen. Eine kaliumbedingte Hemmung der Uterusmotilität, wie sie für den Labmagen beschrieben wurde, muss jedoch noch in Kontraktilitätsstudien verifiziert werden.Ferner wurden Zellen nachgewiesen, die im bovinen Uterus als mögliche Schrittmacherzellen in Frage kommen könnten. Eine Schrittmacherrolle dieser Zellen wird aktuell noch kontrovers diskutiert.

abstract (englisch)

Diseases of the reproductive organs, especially the uterus, have got a huge impact on health and economic efficiency in dairy farming. Contractility of the uterus plays a crucial role for reproduction. Depending on cycle phase or pregnancy there is a change in activity and quiescence of this organ, which is necessary for fetal development. Similar to the intestine, the myometrium is able to exhibit spontaneous activity. In a first study, electrophysiological properties of this spontaneous myometrial activity were characterized during pregnancy. Changes of the membrane potential in intestinal muscle cells are called “slow waves”. They are generated by special pacemaker cells and cause spontaneous activity of smooth muscle cells. Resting membrane potential (RMP) and changes in membrane potential were studied by microelectrodes in circular and longitudinal layers of myometrial tissues of non pregnant animals, animals in month 1-4 of pregnancy, month 5-9 of pregnancy and animals that underwent a sectio. Frequencies of changes in membrane potential were evaluated for several classes of amplitudes. Besides registering physiological changes in myometral contractility, the influence of different extracellular potassium concentrations and the influence of nitric oxide (NO) as mediator of inflammation on RMP and alterations in membrane potential were investigated. These in vitro studies were meant to study effects of hypokalemia or metritis, which could occur in the postpartum period. Microelectrode measurements revealed two populations of cells: with and without changes in membrane potential. During pregnancy RMP became more negative and frequency of changes in membrane potential increased in some of the evaluated groups. An influence of different extracellular potassium concentrations on RMP was only observed in cells with changes in membrane potential. In these cells low potassium caused a hyperpolarization of RMP in tissues from animals in the second half of pregnancy or at sectio. A reglar effect of potassium on the frequency of changes in membrane potential was not observed. After incubation with NO, tissues of four animals showed no regular effect on RMP or occurrence of changes in membrane potential. In a second study pacemaker cells of the uterus were investigated. Telocytes which are similar to pacemaker cells in the intestine have been found in several tissues in the last years. Although they have been described for the uterus in some species, they had not been found yet in the bovine uterus. By histological double staining with CD117 and vimentin, which are markers for telocytes, positive cells were detected within the myometrium. Cells showing typical morphological signs for telocytes were found and called suspicious telocytes. Other cells that were detected by this doublestaining were mast cells and endothelial cells. Suspicious telocytes and also mast cells, were quantified in circular and longitudinal layers of not pregnant animals, animals at mid pregnancy and animals that underwent a sectio. Total number of cells that were positive for CD117 and vimentin was much higher than the sum of mast cells and suspicious telocytes. Many cells could not be differentiated clearly. Total number of suspicious telocytes and mast cells was changing during pregnancy: tissues of pregnant animals revealed less mast cells than tissues of non pregnant animals (nominal). Total number of suspicious telocytes was increasing in mid pregnancy and decreasing in sectio animals. Percentage of all CD117 and vimentin positive cells was continuously increasing during pregnancy. Cells were also quantified after incubation with NO. The number of CD117 and vimentin positive cells was nominally decreasing after NO-incubation in the circular layers. This study showed an effect of pregnancy on myometrial electricity. Low potassium concentrations are able to hyperpolarize RMP. An inhibition of uterine motility which is caused by low potassium has to be evaluated in further contractile studies. Further cells that might be possible pacemaker cells have been detected in the bovine uterus. Pacemaker role of these cells is still discussed controversialy.

keywords

Bovines Myometrium, Membranpotential, Schrittmacherzellen / Bovine myometrium, membrane potential, pacemaker cells

kb

5.8440