Beitr. Path. Bd. 151,1-29 (1974) Review
Aus der Universitatskinderklinik (Direktor: Prof. Dr. \VI. KUNZER) der Universitat Frei
burg i. Br.
Moglichkeiten und Grenzen ultrastruktureller Untersuchungen bei Erkrankungen der Skelettmuskulatur *
Possibilities and Limitations of Ultrastructural Investigations in Muscle Diseases
U.-P. KETELSEN
Mit 8 Abbildungen und 5 Tabellen . Eingegangen am 14. Februar 1973 . Angenommen am
J 5. September 1973
Einleitung Lichtmikroskopische Routine-Untersuchungen von Muskelbiopsien kon
nen meist nur fortgeschrittene, morphologische Schadigungen aufdecken. Durch lichtmikroskopisch-histochemische Untersuchungen konnen verschiedene Enzyme lokalisiert, damit ihre Reaktion in bestimmten Zellorganellen sichtbar gemacht und Fasertypen differenziert werden. Diese Untersuchungen konnen dazu beitragen, Veranderungen der Ultrastruktur zu erklaren. Sie versagen jedoch in Fallen mit Zellstruktur-Veranderungen, die histochemisch nicht faBbar sind (vgI. ENGEL et a!., 1970).
':. FUr ihre freundliche UnterstUtzung danke ich Frau Prof. Dr. E. FREUND-MoLBERT
(Institut fUr Biologie II, Mikrobiologie, Labor II im Max-Planck-Institut fiir Immunbiologie, Freiburg/Br.) und Herrn Prof. Dr. R. BECKMANN (Universitatskinderklinik Freiburg i. Br.)
':. Mit Unterstiitzung der Deutschen Forschungsgemeinschaft ':. Nach einem Vortrag anlamich eines Symposiums des wissenschaftlichen Beirates der
,.Gesellschaft zur Bekampfung der Muskelkrankheiten e. V." auf der Burg Schnellenberg bei Attendorn im Oktober 1972
1 Beitr. Path. Bd. 151
2' U.-P. KETELSEN
Elektronenmikroskopische Untersuchungen bei Myopathien unterschiedlicher Genese haben eine groBe Vielfalt pathologischer Reaktionen der muskelzelluHiren Organellen und Myofibrillen erbracht, von denen in der folgenden Dbersicht wesentliche Veranderungen dargestellt werden. Zusammen mit einer kurzen tabellarischen Dbersicht iiber Vorkommen und Art der zellularen Reaktion soll gezeigt werden, daB die Spezifitat einer Muskelerkrankung in den meisten Fallen nicht durch eine einzelne morphologische Veranderung bestimmt wird, sondern daB Reaktionsmuster der Zelle beriicksichtigt und gesucht werden miissen, innerhalb derer die Zellorganellen in unterschiedlicher Starke oder Kombination betroffen sind (vgl. FARDEAU,
1970 ).
Am eindrucksvollsten gelang die Abgrenzung solcher pathologischer Reaktionsmuster bisher in der Gruppe der kongenitalen Myopathien an Beispielen wie "Nemaline"-Myopathie, "central core disease", "mulicore disease" oder "fingerprint-body"-Myopathie (vgl. ENGEL et al., 1972). Demgegeniiber zeigen die hauptsachlichen Gruppen der Muskeldystrophie groBe Schwankungsbreiten ihrer ultrastrukturellen Veranderungen, deren Systematisierung bisher nicht gelang. Eine Ausnahme bildet die myotonische Dystrophie, die ein wiederkehrendes ultrastrukturelles Reaktionsmuster aufweist (vgl. SCHRODER et al., 1968; KETELSEN et al., 1972). Auch schein en bei der okularen Muskeldystrophie mitochondriale Veranderungen im Vordergrund zu stehen.
Der Wert einer derartigen ultrastrukturellen Analyse liegt darin, daB sie der Ausgangspunkt zu gezielten biochemischen und histochemischen Untersuchungen sein kann. Erst die Gesamtheit der Befunde kann so bei vielen
Abb. 1. a) Mitochondrienvermehrung im Subsarkolemmalraum. Nicht klassifizierbare Myopathie. b) Riesenmitochondrium im InterfibrilIarraum. Nicht klassifizierbare Myopathie mit gutartigem Verlauf. c) Vakuolig degenerierte Mitochondrien bei Corticoid-Myopathie. d) Myelinartig degeneriertes Mitochondrium im InterfibrilHirraum. Nicht klassifizierbare Myopathie. e) VergroBertes Mitochondrium mit astartig verzweigten Cristae und Vermehrung der Grundmatrix bei myotonischer Dystrophie. f) Mitochondrium mit starker Vermehrung der Grundmatrix und Cristaeresten mit leicht erweiterten Cristaespatien bei myotonischer Dystrophie. Kontrastierung: Uranylacetat und Bleicitrat. VergroBerungsmaBstab: 0,5 ft. Fig. 1. a) Focal increase of mitochondria in the sub sarcolemmal space. Myopathy, type undetermined. b) Giant mitochondria in the interfibrillar space. Myopathy, type undetermined, benign course. c) Vacuolar degenerated mitochondria. Steroid myopathy. d) Myelinlike degeneration of a mitochondrion in the interfibrillar space. Myopathy, type undetermined. e) Enlarged mitochondria with branched cristae and increased matrix in myotonic dystrophy. f) Mitochondrion with extremely augmented matrix and remnants of cristae with slightly enlarged cristae-spaces in myotonic dystrophy. Staining: Uranyl acetate and lead citrate. The scale marker represents 0,5 fl.
Ultrastruktur bei Myopathien . 3
Abb. I . Fig. I
4· U.-P. KETELSEN
Myopathien tiber die Diagnose hinaus Fragen zu Atiologie und Pathogenese des jeweiligen Krankheitsbildes beantworten.
Die ultrastrukturellen Veranderungen, die bei zahlreichen menschlichen und experimentell ausgelosten Myopathien beobachtet werden, betreffen das Sarkolemm, die Kerne, das transversal tubulare System, das sarkoplasmatische Retikulum, das Golgi-System, die Mitochondrien und die Myofibrillen. Weiterhin werden Schwankungen im Glykogen-Gehalt oder die Akkumulation von Fetttropfchen beobachtet. In der folgenden Obersicht wurde weitgehend auf die Diskussion von Einzelbefunden verzichtet. Diese ist in den entsprechenden Originalarbeiten (siehe Text und Tabelle 1-5) zu finden.
Ultrastrukturelle Veranderungen bei Erkrankungen der Skelettmuskulatur
1. Mitochondriale Veranderungen (Tab. lund 2, Abb. lund 2)
Die Mitochondrien als Energie-Trager variieren in ihrer Anzahl in den verschiedenen Fasertypen. Typ I (rote Fasern, C-Fasern) zeigen mehr Mitochondrien als Typ II (weiGe Fasern, A-Fasern). Inwieweit Alter oder Geschlecht, verschiedene Muskeln, sowie Muskeltraining die Zahl der Mitochondrienpopulation beeinflussen, ist nur wenig bekannt. Elektronenmikroskopisch konnte in der Muskulatur trainierter Ratten eine zahlenmaGige Vermehrung und VergroGerung der Mitochondrien sowie eine Vermehrung der cristae mitochondriales beobachtet werden (HOWALD et aI., 1972). Diese Veranderungen waren kombiniert mit einer Zunahme des Gesamtprotein-
Abb. 2. a) Umordnung der cristae mitochondriales in der Langsachse eines Mitochondriums bei okularer Muskeldystrophie. b) KreisfOrmige Umordnung der cristae mitochondriales. Okulare Muskeldystrophie. c) Kreisformige Proliferation der cristae mitochondriales bei gleichzeitiger Vermehrung der Mitochondrienmatrix. Okulare Muskeldystrophie. d) Kristalloide Ablagerungen innerhalb der Cristaespatien von vergrogerten und umstrukturierten Mitochondrien bei okuliirer Muskeldystrophie. e) Runder, homogener Mitochondrieneinschlug bei okuliirer Muskeldystrophie. f) Mitochondriale Glycogeninvagination bei experimenteller Corticoidmyopathie. Kontrastierung: Uranylacetat und Bleicitrat. Vergroge
rungsmagstab: 0,5 fl. Fig. 2. a) Reorganization of the mitochondrial cristae in the longitudinal axis of a mitochondrion in ocular muscular dystrophy. b) Circular reorganization of the mitochondrial cristae. Ocular muscular dystrophy. c) Circular proliferation of the mitochondrial cristae with simultaneous increase of the mitochondrial matrix. d) Crystalloid deposits in enlarged :llld rearranged mitochondria. Ocular muscular dystrophy. e) Round, homogeneous mitochondrial inclusion in ocular muscular dystrophy. f) Glycogen invaginations into mitochondria. Experimental steroid myopathy. Staining: Uranyl acetate and lead citrate. The scale marker represents 0,5 fl .
Ultrastruktur bei Myopathien . 5
Abb. 2 . Fig. 2
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8 0 Uo-Po KETELSEN
und Mitochondrienproteingehaltes sowie einer erhohten Aktivitat mitochondrialer Enzyme.
Eine Beurteilung einer .allgemeinen Vermehrung oder eines Verlustes der Mitochondrien als Folge eines pathologischen Prozesses ist deshalb auBerst schwierig. Eher kommt der fokalen Vermehrung oder Verminderung dieser Organellen eine pathogenetische Bedeutung zu. Sie konnen sowohl subsarkolemmal (Abb. I a) als auch interfibrillar gehauft gefunden werden. In einem Fall einer kindlichen Myopathie, bei dem groBfUichige MitochondrienAnhaufungen das morphologische Leitsymptom waren, wahlten SHY et al. (I966) deshalb die Bezeichnung "pleoconiale Myopathie". Ein fokaler Verlust der Mitochondrien dagegen kann bei jeder Myopathie beobachtet werden und tritt haufig in Bereichen mit myofibrillarer Degeneration auf (siehe "central-core-disease", "multi-core disease"). Neben denSchwankungen in der Anzahl der Mitochondrien werden VergroBerungen bis zu I x 3,5 f1 mit Vermehrung der cristae mitochondriales beobachtet (Abb. I b). SHY et al. (I 966) gaben einer kindlichen Myopathie mit vergroBerten Mitochondrien, die auBerdem Formanomalien und kristalloide Einschliisse aufwiesen, den Namen "megaconiale Myopathie". Vakuolige und myelinartige Degeneration dieser Organellen wurde bei zahlreichen Myopathien unterschiedlicher Genese beschrieben und sind als allgemeine, unspezifische Reaktion dieser Organellen zu werten (Abb. I C und I d). Die myotonische Dystrophie weist meist vergroBerte Mitochondrien mit diinnen, astartig verzweigten cristae und vermehrter und verdichteter Grundmatrix auf (Abb. I e). Die Vermehrung der Mitochondrienmatrix kann im Vergleich zu Veranderungen an den cristae iiberwiegen (Abb. I f).
Ausgepragte Formanomalien ergeben sich durch Umordnung und Proliferation der cristae mitochondriales in der Langsachse der Organellen (Abb. 2 a). Schliemich entstehen kreisformige Gebilde, die aus konzentrisch angeordneten Mitochondrienmembranen aufgebaut sind (Abb. 2 b). Bei gleichzeitiger Vermehrung der Mitochondrienmatrix werden Organellen beobachtet, die morphologisch autophagen Vakuolen gleichen (Abb. 2 c). Innerhalb der Spatien von proliferierten Cristae werden haufig kristalloide Einsdlliisse mit einer GroBe von etwa O,I x 0,3 {l sichtbar (Abb. 2 d). Sie weisen je nach Schnittrichtung eine lamellare bis gitterformige Feinstruktur auf und kommen haufig in Dreier- oder Viereranordnung vor. Daneben finden sich runde, feingranulare bis homo gene Mitochondrien-Einschliisse, die im Zusammenhang mit einer Kalzium-Akkumulation diskutiert werden konnen (Abb. 2 e). Ein seltener Befund ist der EinschluB von Glykogenpartikeln, den wir bei experimenteller Corticoidmyopathie beobachteten (Abb. 2 f). Die Formanomalien und pathologischen Einschliisse wurden inzwischen bei einer sehr heterogenen Gruppe von Myopathien mitgeteilt. Es handelt sich haufig
Ultrastruktur bei Myopathien . 9
Tabelle 3. MyofibriWire Veranderungen
Table 3. Myofibrillar changes
Art der Veranderung Vorkommen
Proliferation von Konduktorinnen der pro-Myofilamenten mit gressiven Muskeldystrophie
globularen Untereinheiten nichtklassifizierbare Myo-
Proliferation "glatter" Myofilamente
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Konduktorinnen und Patienten mit progressiver Muskeldystrophie
Autoren
KETELSEN et al. (unveroffentlicht)
Herzmuskelzelle des Hundes ONISHI et al. (1969) bei experimenteller Herzhypertrophie
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Randstandige Abnahme der Myofilamente
normaler menschlicher Muskel SHAFIQ et al. (1966)
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McArdle-Syndrom SCHIMRIGK et al. (1967)
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WECHSLER (1966)
ALEU et al. (1964) KLINKERFUSS (1967) SCHRODER et al. (1968) KETELSEN et al. (1972)
MOLBERT (1960) FREUND-MoLBERT (1969)
MILHAUD et al. (1964) KLINKERFUSS (1967) SCHRODER et al. (1968) SCHOTLAND (1970)
DE RECONDO et al. (1966)
urn Erkrankungen des Kindesalters, die eine ungewohnliche klinische und biochemische Symptomatik aufweisen (Tab. I) und moglicherweise durch einen primaren mitochondrialen Defekt verursacht werden. Der biochemische Me-
10' U.-P. KETELSEN
chanismus dieser Storungen ist aber weitgehend unklar und vermutlich unterschiedlicher Natur. So konnten ERNSTER et al. (1959) und LUFT et al. (1962) Formanomalien und Stoffablagerungen in den Muskelmitochondrien bei einer Myopathie mit Hypermetabolismus nichtthyreoidalen Ursprungs mitteilen. Biochemisch zeigten die isolierten Muskelmitochondrien eine gesteigerte Respirationsrate bei partieller Entkoppelung der unter normalen Bedingungen engen Beziehung zwischen den Oxydationsprozessen und der oxydativen Phosphorylierung. In anderen Fallen wurden sekundare Storungen des LipidStoffwechsels und mitochondriale Kationenakkumulation diskutiert. Bei diesen Krankheitsbildern ist daher eine primare mitochondriale Erkrankung oder Fehlanlage moglich, deren morphologisches Substrat elektronenmikroskopisch sichtbar zu machen ist (vgl. JERUSALEM et al., 1971).
Demgegeniiber finden sich mitochondriale Formanomalien und Einschliisse bei klinisch eindeutig diagnostizierten Erkrankungen (Tab. 2). Ihr Nachweis ist ein Indikator fiir eine primare oder sekundare Anomalie der mitochondrialen Funktion, die eine gezielte biochemische Untersuchung nahelegt.
2. MyofibrilHire Veranderungen (Tab. 3, Abb. 3)
Myofibrillare Veranderungen gehen in den betroffenen Bereichen haufig mit einem fokalen Verlust der Mitochondrien einher (z. B. "central-core disease", "multi-core disease"). Es ist bisher nicht eindeutig geklart, ob eine Degeneration der Mitochondrien Veranderungen an den Myofibrillen hervorruft oder umgekehrt die Myofibrillendegeneration pathologische Veran-
Abb.3. a) Verschmalerung der Myofibrillen durch Verlust von Myofilamenten. Dadurch Verbreiterung der Interfibrillarraume. Nicht klassifizierbare Myopathie. b) Subsarkolemmale Proliferation von Myofilament mit globularen Untereinheiten (Inset). Nicht klassifizierbare Myopathie (praklinische Muskeldystrophie?). c) Proliferation von Myofilament ohne erkennbare Untereinheiten. Konduktorin der progressiven Muskeldystrophie. d) Proliferation von Z-Band-Material (sog. "z-band-streaming"). Congenitale Muskeldystrophie. e) Sog. "cytoplasmic-body". Myotonische Dystrophie. f) "Rod-like-bodies" im Subsarkolemmalraum bei "Nemaline"-Myopathie. Inset: Bei starkerer VergroEerung wird die Querstreifung der "rod-like-bodies" erkennbar. Kontrastierung: Uranylacetat und Bleicitrat. VergroEerungsmaEstab: I fl; Inset 3 b + 3 f: 0,5 fl·
Fig. 3. a) Myofibrils, diminished by loss of myofilaments causing broadening of the interfibrillar space. Myopathy, type undetermined. b) Subsarcolemmal proliferation of myofilaments with globular subunits (Inset). Myopathy, type undetermined (preclinical muscular dystrophy?). c) Proliferation of myofilaments without apparent subunits. Carrier of progressive muscular dystrophy. d) Z-band-streaming in congenital muscular dystrophy. e) Cytoplasmic-body in myotonic dystrophy. f) Rod-like bodies in the subsarcolemmal space. Nemaline myopathy. Inset: higher magnification shows the cross-striation of the rod-like bodies. Staining: Uranyl acetate and lead citrate. The scale marker represents I fl;
Inset 3 b + 3 f: 0·5 fl·
Ultrastruktur bei Myopathien . I I
12' U.-P. KETELSEN
Tabelle 4. Reaktionen des Z-Bandes
Table 4. Reactions of the Z-band
Art der Veranderung
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myotonisme Dystrophie
Autoren
GONATAS et al. (1965)
HENDERSON et al. (1970)
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ALEU et al. (1964)
Proliferation ("streaming") "central core disease" W. K. ENGEL et al. (1961)
GONATAS et al. (1965)
SCHRODER et al. (1968)
KETELSEN et al. (1972)
RESNICK et al. (1967)
TOMONAGA et al. (1970)
Bildung sog.
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Veranderung zum sog.
"cytoplasmic-body"
myotonisme Dystrophie
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vierungsprozessen)
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experimentelle Corticoid
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congenitale
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vakuoHire Myopathie
"late-onset" -Myopathie
KETELSEN et al. (1971)
TICE et al. (1967) fREUND-MoLBERT et al. (1972)
PRICE et al. (1965)
GONATAS et al. (1966)
A. G. ENGEL et al. (1967)
FULTHORPE et al. (1969) BECKMANN et al. (1973)
REWCASTLE et al. (1965)
W. K. ENGEL et al. (1966)
A. G . ENGEL (1966 b)
progressive Muskeldystrophie KETELSEN et al. (1970)
Chloroquin-Myopathie FARDEAU (1970)
Myopathie bei Hypothyreose FARDEAU (1970)
Polymyositis
Muskeldystrophie
congenitale Muskeldystrophie KETELSEN et al. (1971)
myotonisme Dystrophie SCHRODER et al. (1968)
KETELSEN et al. (1972)
denervierter Mausmuskel NAKASHIMA (1971)
Ultrastruktur bei Myopathien . 13
derungen an den Mitochondrien bewirken kann. Eine randstandige Verschmalerung der Myofibrillen bei erhaltener Struktur findet sich sowohl an normalem menschlichen Biopsiematerial als auch besonders ausgepragt bei verschiedenen Muskelerkrankungen wie Polymyositis, McArdle Syndrom und praeklinischer Muskeldystrophie (Abb. 3 a). Es kommt dabei zu einer Verbreiterung der interfibrillaren Raume. Eine ungeordnete Proliferation von Myofilament konnten wir bei Konduktorinnen als auch Patienten der progressiven Muskeldystrophie beobachten, deren Einzelfilamente morphologische Unterschiede aufweisen (Abb. 3 b und 3 c). Bei starkerer VergroBerung von zopfartig proliferierten Myofilamenten (Abb. 3 b) werden globulare Untereinheiten mit einem Durchmesser von ca. 75 A erkennbar (vgl. KETELSEN et al., 1970; Inset Abb. 3 b). Die elektronenoptische Darstellung isolierter Aktinfilamente durch HANSON und Lowy (1963) hat gezeigt, daB Aktin eine Doppelhelix bildet, deren einzelne Windung aus 13 globularen Untereinheiten besteht. Den Durchmesser einer Untereinheit geben diese Autoren mit 55 A an. Der Vergleich dieser Angaben mit unseren Abmessungen macht es wahrscheinlich, daB die beobachteten Filamentwucherungen proliferiertes Aktin darstellen. Daneben finden sich auch Proliferationen dunner Myofilamente ohne erkennbare Untereinheiten (Abb. 3 c).
Die sog. "Ringbinden" werden vorwiegend bei myotonischer Dystrophie beobachtet. Sie bestehen aus fehlorientierten Myofibrillen, die kreisformig die in der Langsachse der Muskelzelle orientierten Myofibrillen umschlieBen. Sie konnen bei myotoner Dystrophie gehauft oder auch nur sporadisch auftreten (SCHRODER et al., 1968) oder konnen nach WOHLFAHRT (195 I) und SCHOTLAND (1970) ganzlich fehlen.
3. Reaktionen des Z-Bandes (Tab. 4, Abb. 3)
In den letzten Jahren wurden strukturell verschiedenartige pathologische Reaktionen des Z-Bandes voneinander abgegrenzt. Neben dem totalen Verlust und der Fragmentierung wurde vor allem bei menschlichen Myopathien und Denervierungsprozessen, aber auch bei experimenteller Corticoidmyopathie eine Proliferation von Z-Band-Material beobachtet, die im amerikanischen Schrifttum als "streaming" bezeichnet wird. 1m Bereich dieser Veranderung kommt es zu einem Verlust an Mitochondrien (Abb. 3 d). Bei entzundlichen Myopathien, Muskeldystrophie und myotonischer Dystrophie wurde eine weitere pathologische Reaktion des Z-Bandes bekannt, das sog. "cytoplasmic-body". Dieser Begriff wurde vom lichtoptischen Bild hergeleitet, in dem sich die Veranderung innerhalb der Muskelzellen als ovale, dichte Struktur bei Trichrom- und Haematoxilinfarbung darstellte. 1969 wurde ihre Herkunft aus dem Z-Streifen von MACDoNALD und ENGEL elektronenmikroskopisch nachgewiesen. Das sog. "cytoplasmic-body" besteht aus einem
14· U.-P. KETELSEN
feinfilamentosem Zentrum und wird haufig von einem hellen Hof umgeben, der den Dbergang zwischen noch erhaltenen Myofilamenten und dem Zentrum der myofibrillaren Degeneration bildet (Abb. 3 e). Es fehlen in diesem Bereich die Mitochondrien.
Die Bildung sog. "rod-like bodies" (Abb. 3 f) hat der kongenitalen Nemaline- oder Stabchenmyopathie ihren Namen gegeben. Die auch im Lichtmikroskop bei entsprechender Farbung nachweisbaren Strukturen sind elektronenmikroskopisch aus dem Z-Band herleitbar und sind durch eine feine Querstreifung mit einer Periodizitat von ca. I40 bis I70 A sowie durch eine Langsstreifung mit einer Periodizitat von ca. 80 bis I20 A ausgezeichnet. Da auch andere Myopathien vereinzelt eine solche Veranderung des Z-Bandes aufweisen (vgl. Tab. 4), ermoglicht nur ihr gehauftes Auftreten im Zusammenhang mit den klinischen Befunden die Diagnose.
4. Reaktionen des transversal-tubuHiren Systems, des sarkoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Systems (Tab. 5, Abb. 4)
1m Hinblick auf seine Funktion als Impulsubertrager fUr die Myofilamente sind Veranderungen des transversal-tubularen Systems fur die Muskelzellpathologie von groBer Bedeutung. Elektrolytverschiebungen im externen wie internen Zellmedium bewirken pathologische Veranderungen an dies em System (vgl. FREYGANG et al., I964). NetzwerkfOrmige Prolifera-
Abb.4. a) Netzwerkformige Proliferation des transversal-tubuHiren Systems (+). Obergang der Netzwerkstrukturen in Vakuolen (V). Nicht klassifizierbare Muskeldystrophie. b) Netzwerkformige Proliferation des transversal-tubularen Systems (+) im perinuklearen Raum. Erweiterung des sarkoplasmatischen Retikulums (SR). Polymyositis. c) Erweiterung des transversal-tubularen Systems (V) bei myotonischer Dystrophie. d) Neubildung von rauhem endoplasmatischen Retikulum. Inset: die AusschnittvergroBerung zeigt die Anlagerung von Ribosomen. Nicht klassifizierbare Myopathie. e) Proliferation des Golgi-Systems (Go) im perinuklearen Raum. Experimentelle Corticoidmyopathie. f) Tubulare Aggregationen im Subsarkolemmalraum. Nicht klassifizierbare Myopathie. Kontrastierung: Uranylacetat und Bleicitrat. VergroBerungsmaBstab: I f.l. Inset 4 d: 0,5 f.l. Fig. 4. a) Net-like proliferation of the transversal tubular system (+). Transition of netlike structures into vacuoles (V). Muscular dystrophy, type undetermined. b) Net-like proliferation of the transversal tubular system (+) in the perinuclear region. Dilatation of the sarcoplasmic reticulum (SR). Polymyositis. c) Dilatation of the transversal tubular system (V) in myotonic dystrophy. d) New formation of rough endoplasmic reticulum. Myopathy, type undetermined. Inset: higher magnification shows the attachment of ribosomes. e) Proliferation of the Golgi-system (Go) in the perinuclear region. Experimental steroid myopathy. f) Tubular aggregations in the sub sarcolemmal space. Myopathy, type undetermined. Staining: Uranyl acetate and lead-citrate. The scale marker represents I f.l. Inset
4 d: 0,5 f.l.
Ultrastruktur bei Myopathien . 15
Abb. 4 . Fig. 4
16· U.-P. KETELSEN
Tabelle 5 . Table 5
I. Reaktionen des transversal tubul:iren Systems (T-System)
1. Reactions of the transversal - tubular system (T-system)
Art der Veranderung Vorkommen - ---- - ... _-_._---.-
Autoren
Erweiterung
(normaler Durchmesser: ca. 200-400 A)
bei jeder Myopathie moglich, vgl. A. G. ENGEL et al. (1970) jedoch haufiger bei Dystro-
phien als bei entziindlichen Myopathien
meist stark ausgepragt bei myotonischer Dystrophie
vgl. SCHRODER et al. (1968) KETELSEN et al. (1972)
_._---_ . . - - .-- ----- - ----------Proliferation und Bildung denervierter Rattenmuskel PELLEGRINO et al. (1963) von Netzwerkstrukturen
neurogene Atrophie
myotone Dystrophie
autophage Glycogenose
thyreotoxisch-hypokaliamische
periodische Paralyse
hyperkaliamische periodische Paralyse
experimentelle ChloroquinMyopathie
Myopathie mit Defizit an
saurer Maltase im Erwachsenenalter
Polymyositis
nicht klassifizierbare Muskeldystrophie
II. Reaktionen des sarkoplasmatischen Retikulums
II. Reactions of the sarcoplasmic reticulum --- ---------_._----- ---
Erweiterung des glatten Retikulums
Dermatomyositis Periodische Paralyse
SHAFIQ et al. (1967 b)
SCHOTLAND (1970)
A. G. ENGEL et al. (1968) KETELSEN et al. (im Druck)
SCHUTTA et al. (1969)
MACDoNALD et al. (1968)
A. G. ENGEL (1970)
A. G. ENGEL et al. (1970) KETELSEN (diese Veroffentlichung)
KETELSEN et al. (1972)
A. G. ENGEL et al. (1970) HOWES et al. (1966) A. G. ENGEL (1966 a)
SCHUTTA et al. (1969) --- -- - - _. - --_.---_ .. _------------Vermehrung des
glatt en Retikulums
Neubildung des rauhen Retikulums
denervierter Froschmuskel
dystrophischer Mausmuskel
MUSCATELLO et al. (1965)
BANKER (1967) ---_ .... __ ._-- - - ----
Polymyositis
nicht klassifizierbare Myopathie
A. G. ENGEL et al. (1970)
KETELSEN (diese Veroffentlichung)
Ultrastruktur bei Myopathien . 17
tionen des transversal-tubuHiren Systems wurden von uns sowohl bei der Muskeldystrophie und Polymyositis (Abb. 4 a u. b) als auch bei einer kindlichen Glycogenose mit Mangel an saurer Maltase gefunden. Mit dieser Veranderung geht haufig auch eine Erweiterung des sarkoplasmatischen Retikulums einher, welches bei Doppelfixation mit Glutaraldehyd und Osmiumsaure einen feingranularen Inhalt aufweist (Abb. 4 b). In der Nahe der Netzwerkstrukturen finden sich haufig autophage Vakuolen. ENGEL (I 970) beobachtete in der Muskelzelle bei der Glycogenose mit Mangel an saurer Maltase Vesikel, die ihren Ursprung in diesen Netzwerkstrukturen haben und AnschluB an die autophagen Vakuolen gewinnen konnen. Er vermutet deshalb, daB sie als Obertrager lysosomaler Enzyme zu den autophagen Vakuolen dienen konnen. Die Erweiterung des transversal-tubularen Systems kann bei jeder Myopathie beobachtet werden, tritt jedoch haufiger bei der Dystrophie als bei entziindlichen Muskelerkrankungen in Erscheinung. Besonders ausgepragt fan den wir sie bei myotonischer Dystrophie (Abb. 4 c).
Ein Befund, der eine erhohte Syntheseleistung der Zelle anzeigt, ist die Neubildung von rauhem endoplasmatischen Retikulum (Abb. 4 d).
In normal en Kontrollen findet sich ein unauffalliges Golgi-System, meist im perinuklearen Raum. Es proliferiert in Degenerationsbereichen der Muskelzelle (Abb. 4 e). Die Bildung autophager Vakuolen aus Golgi-Blaschen wird diskutiert.
Bei einer Myopathie unklarer Genese konnten wir tubulare Aggregationen beobachten, die sich morphologisch weder aus dem transversal-tubularen System noch dem sarkoplasmatischen Retikulum oder Golgi-System herleiten lassen (Abb. 4 f) . .Khnliche Aggregationen fan den PEARSE et al. (I 970) bei einem myopathischen Krankheitsbild eines 48jahrigen Patienten vorwiegend in Typ-II-Fasern. Der auffallendste Befund ihrer histochemischen Untersuchung dieser Tubuli war der Nachweis von Cytochromoxydase . .Khnliche Aggregationen fanden sich bei hypokaliamischer, periodischer Paralyse (BERGMAN et aI., I970) und bei dominant erbIicher Myotonie (SCHRODER et aI., I972).
5. Schwankungen im Glycogen- und Fettgehalt (Abb.5)
Der Glycogengehalt unterliegt im normalen Muskel groBeren Schwankungsbreiten. Ernahrungs- und Aktivitatszustand, jeweiliger Muskel und Fasertyp sind bestimmende Faktoren. Elektronenmikroskopisch wird eine Glycogenanreicherung frei dispers im Cytoplasma (Abb. 5 a), in einfachen, membrangebundenen Vakuolen (Abb. 5 b) oder in Autopagievakuolen mit heterogenem Inhalt (Abb. 5 c) beobachtet. Diese glycogenhaltigen Autophagievakuolen wurden in neuerer Zeit bei Glycogenosen mit Mangel an saurer Maltase sowohl im Erwachsenenalter (ENGEL et aI., I 968; ENGEL, 1970) als
2 Beitr. Path. Bd. 151
18· U.-P. KETELSEN
auch beim Kind (KETELSEN et al., im Druck) beobachtet. Sie enthalten neben Glycogenpartikeln meist myelinartige Degenerate cytoplasmatischer Membranen. 1m Gegensatz zur klassischen Typ II-Glycogenose (POMPE) wurde diese offensichtlich prognostisch gunstigere Form dieser Glycogenspeicherkrankheit von ENGEL et al. (1968) als "autophage Glycogenose" bezeichnet.
Neben der Glycogenvermehrung fan den wir bei der menschlichen wie experimentellen Corticoidmyopathie eine starke Ablagerung von Fetttropfchen in unmittelbarer Nahe der Mitochondrien (Abb. 5 d). HARRIMAN et al. (1972) beschreiben bei mensch lichen Myopathien und neuromuskularen Erkrankungen unerschiedlicher Genese Fettablagerungen vorwiegend in Typ I-Fasern. Andere Myopathien unklarer Genese mit starken Fettablagerungen in Typ I-Fasern wurden von PRICE et al. (1967) und BRADLEY et al. (1969) mitgeteilt. Es ergaben sich in diesen Fallen relativ geringe elektromyographische Veranderungen im Vergleich zur ausgepragten Muskelschwache, die muskelspezifischen Enzyme im Serum waren jedoch erhoht.
6. Veranderungen des Sarkolemms (Abb.6)
Die Plasmamembran zeigt bei Myopathien elektronenmikroskopisch unterschiedliche, wenn auch meist nicht spezifische Veranderungen. Neben der Bildung pinozytotischer Vesikel (Abb. 6 a) wird, wie hier bei einer autophagen Glycogenose, die Ausschleusung cytoplasmatischer Abbauprodukte sichtbar (Abb. 6 b). Bei Muskeldystrophie finden sich haufig Aufspaltungen der Muskelzellen, die elektronenmikroskopisch als papillare Projektionen erkennbar werden (Abb. 6 c). Bei myotoner Dystrophie fanden wir Einfaltungen der Plasma- und Basalmembran (Abb. 6 d), die SCHRODER (1970) bei diesem Krankheitsbild als Oberreste denervierter Endplatten diskutiert.
Die herkommliche elektronenmikroskopische Praparationsmethode erbringt meist nur Membranquerschnitte, von den seltenen Tangentialschnitten abgesehen. Durch Anwendung der Gefrieratzmethode (vgl. MOOR et al.,
Abb. 5. a) Glycogenvermehrung (G) frei dispers im Cytoplasma. Corticoidmyopathie. b) EinschluB von Glycogenpartikeln (G) in kleiner Vakuole. Corticoidmyopathie. c) EinschluB aggregierter Glycogenpartikeln in groBer autophager Vakuole. Glycogenose vom muskuHiren Typ mit Mangel an saurer a-r,4-Glucosidase. d) Ablagerung von Fettropfen (L) in der Umgebung der Mitochondrien. Experimentelle Corticoidmyopathie. Kontrastierung: Uranyl ace tat und Bleicitrat. VergroBerungsmaBstab: r fl . Fig. 5. a) Increase of glycogen (G) freely dispersed in the cytoplasm. Steroid myopathy. b) Enclosure of glycogen particles (G) in a small vacuole. Steroid myopathy. c) Enclosure of aggregated glycogen particles in a large autophagic vacuole. Glycogenosis of muscular type with deficiency of acid maltase. d) Deposition of lipid droplets (L) in the vicinity of mitochondria. Experimental steroid myopathy. Staining: Uranyl acetate and lead citrate. The scale marker represents I fl.
Ultrastruktur bei Myopathien . 19
Abb. 5 . Fig. 5
20' U.-P. KETELSEN
1964) ist es moglich, Membranflachen darzustellen. Die Zellmembran wird mit dieser Methode in ihrer hydrophoben Schicht aufgebrochen (BRANTON, 1966; PINTO DA SILVIA et aI., 1970; TILLACK et aI., 1970). Dadurch konnen zwei Membranflachen entstehen, eine innere, dem Cytoplasma zugekehrte oder eine auBere, dem Interzellularraum anliegende Flache. Die mit dieser Methode gewonnenen Muskelzellmembranflachen der Plasmamembran zeigen neben den Einstiilpungen des transversal-tubularen Systems (Abb. 6 e) in der Grundmatrix zahlreiche, verstreut angeordnete Partikel mit einem Durchmesser von etwa 7-10 nm (Abb. 6 e). Diese Partikel sollen moglicherweise Glycoproteine darstellen (PINTO DA SILVA et aI., 1971). Bei experimenteller Corticoidmyopathie konnten wir zeigen, daB der Degeneration der Skelettmuskelzellen eine Vermehrung der Plasmamembranpartikel (Abb. 6 f) vorausgeht. Die Gefrieratzmethode wird in Zukunft neue Moglichkeiten in der Erforschung von Stoffwechselvorgangen an der Membran erbringen.
7. Kernveranderungen (Abb. 7)
Dber den pathogenetischen Mechanismus von Kernveranderungen bei Myopathien ist nur wenig bekannt. Wir finden zentralstandige Kerne oder Kernreihen (Abb. 7 a) sowie alle Stadien cler Degeneration oder tiefe Ein-
Abb.6. a) Einstiilpung der Plasmamembran zu Pinozytosevesikeln (+). Myotonische Dystrophie. b) Exocytose zellularer Degenerationsprodukte (+). Glycogenose yom muskularen Typ mit Mangel an saurer a-I,4-Glukosidase. c) Papillare Einfaltung des Sarkolemms bei progressiver Muskeldystrophie. d) Einfaltungen des Sarkolemms bei myotonischer Dystrophie. e) Darstellung des Plasmalemms (innere Bruchflache) einer normal en menschlichen Muskelzelle mit Hilfe der Gefrieratzung. Einfaltungen des transversal-tubularen Systems (T). In der Memhranmatrix verstreut liegende Partikel (+). Bedampfungsrichtung (++). f) Innere Bruchflache des Plasmalemms (Kaninchen), 9 Tage nach einmaliger Injektion von Depot-Corticoid. Starke Vermehrung der Membranpartikel im Gegensatz zur normalen Kontrolle (Inset). Einfaltung des transversal-tubuliiren Systems (T). Bedampfungsrichtung (++). Kontrastierung der Ultradiinnschitte: Uranylacetat und Bleicitrat. VergroBerungsmaBstab: 0,5 ~.
Fig. 6. a) Formation of pinocytotic vesicles by invagination of plasmalemma (+). Myotonic dystrophy. b) Exocytosis of cellular degeneration products (+). Glycogenosis of muscular type with deficiency of acid maltase. c) Papillary invaginations of the sarcolemma in progressive muscular dystrophy. d) Invaginations of the sarcolemma in myotonic dystrophy. e) Representation of the plasmalemma (inner fracture face) of a normal human muscle cell with the help of the freeze etching method. Invaginations of the transversal tubular system (T). In the membrane matrix numerous scattered particles (+). Direction of shadowing (++). f) Inner fracture face of the plasmalemma (rabbit) nine days after a single injection of depot steroid (Inset: normal control). Increase of membrane particles. Invagination of the transversal tubular system (T). Direction of shadowing (++). Staining of the ultrathin sections: uranyl acetate and lead citrate. The scale marker represents 0.5 ,(to
Ultrastruktur bei Myopathien . 2 I
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Abb. 6 . Fig. 6
22' U.-P. KETELSEN
faltungen der Kernmembran bei Kernen mit reichem Chromatingehalt und mehr runde bis ovale Kerne mit feinverteiltem Chromatin (Abb. 7 b-d). Auch Invaginationen cytoplasmatischer Bestandteile wurden beschrieben (ENGEL et aI., 1970). Ein seltener Befund stellt die Ausbildung von Zentriolen im perinuklearen Raum dar (Abb. 7 e), die wir in atrophischen Skelettmuskelzellen bei M. Werdnig-Hoffmann beobachteten (KETELSEN et aI., 1971).
8. Satellitzellen und Skelettmuskelzellregeneration (Abb. 8)
Untersuchungen zur Frage der Abstammung von Muskelzellen bei der Regeneration des quergestreiften Muskels haben bisher zu zwei verschiedenen Ansichten gefuhrt. Einerseits sollen die neugebildeten Myoblasten und Myotuben aus dedifferenzierten Muskelzellen entstehen (REZNIK, 1969; BARBERIE,
1970), andererseits wird ihre Herkunft auf einkernige Zellen zuruckgefuhrt, die in das Muskelgewebe einwandern (vgl. SLOPER et aI., 1970), sich teilen, zu Myoblasten werden und schlieBlich zu Myotuben verschmelzen. Der Transport einkerniger Zellen aus dem Blutstrom als Vorstufen von Myoblasten konnte bisher nicht bewiesen werden.
MAURO (1961) beschrieb erstmals undifferenzierte Zellen, die zwischen Basal- und Cytoplasmamembran der Skelettmuskelzelle liegen und als Satellitzellen bezeichnet werden (Abb. 8 a). Er sah in ihnen Vorstufen von Myoblasten. Eigene elektronenmikroskopische Untersuchungen an kindlichern Biopsiematerial bei Polymyositis und Corticoidmyopathie (FREUNDMOLBERT et aI., 1973) haben ergeben, daB wahrend der Regeneration eine Proliferation der Kapillarperizyten Zll beobachten ist. Diese lOsen sich zum Teil von der GefaBwand ab und werden zu Fibroblasten, Makrophagen und Satellitzellen oder, nach Ausbildung muskelspezifischer Organellen und
Abb.7. a) Zentralstandige Kerne bei progressiver Muskeldystrophie. b) Vakuolig degenerierter Kern. Glycogenose yom muskularen Typ mit Mangel an saurer a-r,4-Glukosidase. c) Zentralstandiger Kern mit starken Einfaltungen der Kernmembran und reichem Chromatingehalt. Myotonische Dystrophie. d) Zentralstandiger, runder bis ovalcr Kern mit feinverteiltem Chromatin. M yotonische Dystrophic. e) Zentriol (+) im perinuklearen Raum einer atrophischen Muskelzelle bei M. Werdnig-Hoffmann. Myofilamente (F). Kern (K). Golgi-Zone (G). Kontrastierung: Uranylacetat und Blcicitrat. VergroBerungsmaBstab: I p.. Fig. 7. a) Centrally placed nuclei in progressive muscular dystrophy. b) Vacuolar degenerated nucleus. Glycogenosis of the muscular type with acid maltase deficiency. c) Central nucleus with distinct invaginations of the nuclear membrane and high chromatin content. Myotonic dystrophy. d) Central round to oval nucleus with finely distributed chromatin. Myotonic dystrophy. e) Centriole (+) in the perinuclear region of an atrophic muscle cell in Werdnig-Hoffmann's disease. Myofilaments (F), nucleus (K). Golgi-system (G). Staining: Uranyl acetate and lead citrate. The scale marker represents r !-t.
Ultrastruktur bei Myopathien . 23
Abb. 7 . Fig. 7
24' D.-P. KETELSEN
Mycfibrillen, auch direkt zu Myoblasten (Abb. 8 b). Der Auslosungsmechan:smus, unter welchem eine solche Differenzierung in den einzelnen Zellarten stattfindet, ist bis heute unbekannt. Wir sehen in der Satellitzelle die Ruheform cler Promyoblasten, uber die die Regeneration einzelner Muskelzellen erfolgt, wahrend der Organismus bei starker Regeneration nach dem Untergang von Skelettmuskelzellverbanden auf das Reservoir der multipotenten Perizyten zuruckgreift (FREUND-MoLBERT et al., 1973).
Ausblick Diese kurze Ubersicht uber ultrastrukturelle Veranderungen der Muskel
zelle bei Myopathien unterschiedlicher Genese sollte deutlich machen, daB viele Veranderungen nicht einem Krankheitsbild allein zuzuordnen sind.
Wir mussen auBerdem berucksichtigen, daB wir nur Momentaufnahmen eines Zellgeschehens erfassen, in dem Struktur und Stoffwechsel eine dynamische Ordnung bilden, welche vielfaltigen inner- und auBerorganismischen Milieueinflussen ausgesetzt ist und sich fortgesetzt mit diesem auseinandersetzen muB. Andererseits ist aber die Zelle durch ihren genetischen Code determiniert und ihr Stoffwechsel, der durch ein FlieBgleichgewicht ausgezeichnet ist, wird von Steuerungsmechanismen festgelegter Information kontrolliert (MOLBERT, 1968). Bier finden sich Grenzen und Moglichkeiten ultrastruktureller Untersuchungen:
Abb. 8. a) 5atellitzelle (5) zwischen Basal- und Cytoplasmamembran ciner Muskelzelle (Mz). Kern der Muskelzelle (K1). Kern der Satellitzelle (K2). M. Werdnig-Hoffmann. b) Mononuklearer Myoblast mit Ausbildung von Elementarfibrillen (F). M. Werdnig-Hoffmann. c) Zusammenlagerung undifferenzierter, mononuklearer Zellen aus Perizyten im Bereich einer Kapillare, Polymyositis. d) Engc Verzahnung der Cytoplasmamembranen (+) von Myoblasten mit beginnender Ausbildung von Elementarfibrillen (F). Regenerationsbereich bei Polymyositis. e) Ausschnitt aus einem Myoblasten. Anlagerung von Ribosomen (+) an neugebildeten Elementarfibrillen. Corticoidmyopathie. f) Multinuklcarc Myotube mit Vorstufen des transversal-tubularen Systems (+) und Elementarfibrillen (->-+). Corticoidmyopathie. Kontrastierung: Uranylacetat und Bleicitrat. VergroEerungsmaEstab: I p. Fig. 8. a) Satellite cell (S) between basal membrane and cytoplasmic membrane of a muscle cell (Mz). Nucleus of the muscle cell (K1). Nucleus of the satellite cell (K2). Werdnig-Hoffmann's disease. b) Mononucleated myoblast with development of primary myofibrils (F). Werdnig-Hoffmann's disease. c) Collection of mononucleated, undifferentiated cells originating from pcricytes adjacent to a capillary. Polymyositis. d) Closely interdigitating cytoplasmic membranes (+) of myoblasts with early development of elementary myofibrils (F). Area of regeneration in polymyositis. e) Part of a myoblast. Elementary myofibrils with attached ribosomes (+). Steroid myopathy. f) Multinucleated myotube with precursors of the transversal tubular system (+) and elementary myofibrils (++). Steroid myopathy. Staining: uranyl acetate and lead citrate. The scale marker represents r f.t.
Ultrastruktur bei Myopathien . 2 ~
Abb.8 . Fig. 8
26· V .-P. KETELSEN
I. Ultrastrukturelle Untersuchungen von Muskelbiopsien bei Myopathien unterschiedlicher Genese erbringen ein weites Spektrum pathologischer Zellreaktionen wie Veranderungen an den Myofibrillen, Mitochondrien, dem tubularen System, den Kernen und dem Sarkolemm. Diese Veranderungen sind als Einzelbefund meist nicht spezifisch und durfen nur in ihrer Gesamtheit beurteilt werden.
2. Bei primaren Myopathien (z. B. Muskeldystrophie) und zum Teil auch bei neuromuskularen Erkrankungen (z. B. spinale oder neurale Muskelatrophie) muss en deshalb "Reaktionsmuster" der Zelle gesucht und in Rel<>.tion zur Topographie der Muskelgruppe oder zum jeweiligen Fasertyp gesetzt werden. Hierbei ist die gleichzeitige histochemische Untersuchung der Muskelbiopsie von groBem Wert.
3. Serumenzymatische und elektromyographische Suchmethoden konnen wichtige Hinweise fur die Friiherkennung von Homo- und Heterozygoten in mit solchen Krankheiten belasteten Familien ergeben. Die ultrastrukturelle Untersuchung von Muskelbiopsien im Fruhstadium von Myopathien oder bei Konduktorinnen kann auf den morpholDgischen Ausgangspunkt der Erkrankung hinweisen und zu weiteren biochemischen oder experimentellen Untersuchungen fiihren.
4. Mit Hilfe der Gefrieratzmethode wird es moglich, makromolekulare Strukturveranderungen in Membranen sichtbar zu machen. Es kann vermutet werden, daB Veranderungen der Muskelzellmembranen (z. B. Plasmalemm) nicht ohne Folgen auf den Stoffwechsel und die Erregungsiibertragung der Muskelzelle bleiben. Ungeklarte Zellreaktionen durften durch derartige Untersuchungen eine Erklarung finden.
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Dr. UWE-PETER KETELSEN, Univ.-Kinderklinik, D-78 Frciburg i. Br., Mathildenstr. 1
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