Analyzing Contractile Responses in Demembranized Pig Papillary Muscle Fibres: the Influence of Calcium, Resting Force, and Temperature

Summary

The influence of calcium, resting force and temperature on the contractile behaviour in isolated demembranized (“skinned”) pig papillary muscle fibers (n = 36) was analysed. Demembranisation excludes the influence of any membrane related processes on the contractile response as the myofilaments are in direct contact with the bathing medium. Resting force (lmN-9mN), temperature (22 °C or 32 °C) and pCa 7.0-4.3 were varied and the contractile response was analyzed by studying the time constant and the extent of post Vibration force recovery (PVFR) of the activated preparations (the Vibration method). Additional constant-load experiments and detection of sarcomere-length were carried out.

There was an inverse-linear relationship between time constants of post Vibration force recovery and maximum shortening velocity as estimated by constant load experiments. Resting force affected the extent of force development but not the time constant of post Vibration force recovery and modulated the pCa-force relationship without altering the calcium concentration required for halfmaximal activation (calcium sensitivity). In contrast lowering the bath temperature from 32 °C to 22 °C caused a significant leftward shift of the pCa-force relationship potentially due to changes of the contractile filaments' calcium sensitivity.

The effect of temperature on the myocardial contractile system is of special interest as hypothermia is frequently used in cardiac surgery. Analysis of alterations of the contractile proteins' calcium sensitivity during the rewarming period of the patient may provide further insight in the pathophysiology of reperfusion. Application of the Vibration method in skinned myocardial muscle fibres as a research instrument to characterize alterations of contractility on the contractile apparatus level is a new approach for analyzing the mechanisms underlying imparied myocardial function.

Zusammenfassung

Das Kontraktionsverhalten isolierter, demembranisierter Papillarmuskeln des Schweines (n = 36) wurde mit der Vibrationsmethode untersucht. Die Zeitkonstanten von Kraftanstiegen nach Vibration sind ein reziprokes Maß für die Geschwindigkeit, mit der das kontraktile System arbeitet, das Ausmaß der Kraftentwicklung nach Vibration ist proportional zur Anzahl der an der Kraftentwicklung beteiligten “Querbrücken”. Nach Demembranisierung stehen die kontraktilen Proteine in direktem Kontakt mit der Badlösung, so daß membrangebundene Prozesse sich auf das Kontraktionsverhalten nicht mehr auswirken können. Zeitverlauf und Ausmaß von Kraftanstiegen nach inhibierender Vibration wurden nach Variation der passiven Ruhedehnung (lmN-9mN), der Badtemperatur (22 °C oder 32 °C) und derfreien Kalziumkonzentration (pCa: 7.0-4.3) analysiert. Ergänzende Sarkomerlängenbestimmungen und “constant-load”-Experimente wurden ausgeführt.

Es bestand eine lineare Beziehung zwischen den Zeitkonstanten von Kraftanstiegen nach Vibration und 1/Vmax als inverses Maß für die Geschwindigkeit der Kraftentwicklung. Die passive Ruhedehnung verursachte Änderungen im Ausmaß der Kraftentwicklung, nicht aber der Zeitkonstanten der Kraftanstiege nach Vibration. Eine Veränderung der für halbmaximale Aktivierung notwendigen freien Kalziumionenkonzentration (“Kalziumsensitivität”) ließ sich durch Variation der Vordehnung nicht erzielen. Erniedrigung der Badtemperatur hingegen führte zu einer deutlichen Linksverlagerung der pCa-Kraft- Kurve, die möglicherweise durch eine Steigerung der Ansprechbarkeit der kontraktilen Proteine auf Kalcium bei niedrigen Temperaturen zu erklären ist. Da eine Reihe von herzchirurgischen Eingriffen in Hypothermie vorgenommen wird, könnten bereits geringe Veränderungen der Kalziumsensitivität der kontraktilen Proteine während der Wiedererwärmung des Patienten in der Pathophysiologie der Reperfusion eine wesentliche Rolle spielen. Insgesamt belegen die Ergebnisse, daß mit der Vibrationsmethode ein methodisches Instrumentarium zu Verfügung steht, welches unter experimentellem Ausschluß von membrangebundenen Prozessen die Charakterisierung des Kontraktionsverhaltens isolierter myokardialer Muskelfasern auf der Ebene des kontraktilen Apparates erlaubt.

Key words

Myocardial contractility - Vibration method - Skinned fibres - Actin-myosin-interaction - Pig papillary muscle