Characterisation of development and electrophysiological mechanisms underlying rhythmicity of the avian lymph heart

Despite significant advances in tissue engineering such as the use of scaffolds, bioreactors and pluripotent stem cells, effective cardiac tissue engineering for therapeutic purposes has remained a largely intractable challenge. For this area to capitalise on such advances, a novel approach may be to unravel the physiological mechanisms underlying the development of tissues that exhibit rhythmic contraction yet do not originate from the cardiac lineage. Considerable attention has been focused on the physiology of the avian lymph heart, a discrete organ with skeletal muscle origins yet which displays pacemaker properties normally only found in the heart. A functional lymph heart is essential for avian survival and growth in ovo. The histological nature of the lymph heart is similar to skeletal muscle although molecular and bioelectrical characterisation during development to assess mechanisms that contribute towards lymph heart contractile rhythmicity have not been undertaken. A better understanding of these processes may provide exploitable insights for therapeutic rhythmically contractile tissue engineering approaches in this area of significant unmet clinical need. Here, using molecular and electrophysiological approaches, we describe the molecular development of the lymph heart to understand how this skeletal muscle becomes fully functional during discrete in ovo stages of development. Our results show that the lymph heart does not follow the normal transitional programme of myogenesis as documented in most skeletal muscle, but instead develops through a concurrent programme of precursor expansion, commitment to myogenesis and functional differentiation which offers a mechanistic explanation for its rapid development. Extracellular electrophysiological field potential recordings revealed that the peak-to-peak amplitude of electrically evoked local field potentials elicited from isolated lymph heart were significantly reduced by treatment with carbachol; an effect that could be fully reversed by atropine. Moreover, nifedipine and cyclopiazonic acid both significantly reduced peak-to-peak local field potential amplitude. Optical recordings of lymph heart showed that the organ’s rhythmicity can be blocked by the HCN channel blocker, ZD7288; an effect also associated with a significant reduction in peak-to-peak local field potential amplitude. Additionally, we also show that isoforms of HCN channels are expressed in avian lymph heart. These results demonstrate that cholinergic signalling and L-type Ca2+ channels are important in excitation and contraction coupling, while HCN channels contribute to maintenance of lymph heart rhythmicity

Physiologische und genetische Faktoren bei der Nerv-Muskel-Interaktion in Zellkultur

Mehrke G. Physiologische und genetische Faktoren bei der Nerv-Muskel-Interaktion in Zellkultur.; 1985

Temperaturabhängigkeit intraoperativer neuroelektrophysiologischer Monitoringverfahren

HINTERGRUND: Hypothermie ist bei operativen Eingriffen unter Vollnarkose ein häufig auftretendes Phänomen. Dieses wurde bereits vielfach auf physiologischer Ebene erklärt und hängt mit der Wirkung der Allgemeinanästhesie auf die Thermoregulationsmechanismen zusammen. Neuroelektrophysiologisches Monitoring findet zunehmend Anwendung in der neurochirurgischen Praxis und hat mittlerweile einen festen Stellenwert erlangt, um die chirurgische Arbeit zu erleichtern und neurologische Schäden zu verhindern bzw. zu vermindern. Somit ist die hier betrachtete Fragestellung, ob Hypothermie einen relevanten Effekt auf intraoperatives neuroelektrophysiologisches Monitoring hat von großer klinischer Bedeutung. METHODEN: Der vorliegenden Arbeit liegen drei Teile zugrunde. Eine Messreihe mittels in-vitro-Kontraktionstests unter verschiedenen thermischen Bedingungen untersuchte die Temperaturabhängigkeit von Muskelfaserbündeln. Ein Temperaturversuch mit Medianus-SEPs wurde an einer Gruppe von wachen und gesunden Probanden durchgeführt. Als Drittes folgte die retrospektive Auswertung intraoperativ durchgeführter Medianus-SEPs und der entsprechenden Narkose- und OP-Protokolle hinsichtlich signifikanter Temperatureffekte. ERGEBNISSE: Im IVKT zeigte sich eine signifikante lineare Korrelation zwischen Temperatur und Konfiguration der Muskelkontraktion. Der Probandenversuch konnte nachweisen, dass die Latenzen des N. medianus bei warmen Temperaturen signifikant kleiner sind, als bei kalten Temperaturen. Die retrospektive Auswertung intraoperativer Daten bestätigte, dass die Latenzverlängerung der Medianus-SEPs unter Hypothermie auch klinisch bedeutsam und signifikant ist. SCHLUSSFOLGERUNG: Die vorliegende Arbeit konnte den Einfluss von Hypothermie auf die neuronale Exzitabilität und Impulsleitung, sowie die Skelettmuskelfunktion mittels dreier unterschiedlicher Methoden, nämlich durch elektrophysiologische Versuche, in-vitro-Tests und klinische Daten bestätigen. Hervorzuheben ist dabei die Erkenntnis, dass Latenzverlängerungen als Abbildung der verlangsamten Nervenleitung bei der Ableitung somatosensorisch evozierter Potentiale des Nervus medianus schon bei moderater Hypothermie auftreten. Diese milde Hypothermie betrifft eine sehr große Anzahl von Patienten im intraoperativen Setting. Dass durch die Temperatureffekte auf die Skelettmuskelfunktion auch andere elektrophysiologische Verfahren, wie insbesondere motorisch evozierte Potentiale beeinflusst werden, konnte mit den in-vitro-Kontraktionstests an menschlichen Muskelpräparaten gezeigt werden. Im Hinblick auf die klinische Anwendung der evozierten Potentiale zum intraoperativen Neuromonitoring kann man daher zu dem Schluss kommen, dass primär der Körpertemperatur mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte und eine intraoperative Normothermie angestrebt werden sollte. In jedem Fall sollte allen an Operationen Beteiligten bewusst sein, dass von Seiten der Thermoregulation potentielle Einflussfaktoren bestehen

DEVELOPMENT OF MAMMALIAN NERVE MUSCLE SYNAPSES IN CULTURE - LACK OF INTERFERENCE BY ANTIBODIES TO THE NEURAL CELL-ADHESION MOLECULE N-CAM AND ITS L2/HNK-1 CARBOHYDRATE EPITOPE

MEHRKE G, Jockusch H, SCHACHNER M. DEVELOPMENT OF MAMMALIAN NERVE MUSCLE SYNAPSES IN CULTURE - LACK OF INTERFERENCE BY ANTIBODIES TO THE NEURAL CELL-ADHESION MOLECULE N-CAM AND ITS L2/HNK-1 CARBOHYDRATE EPITOPE. NEUROSCIENCE LETTERS. 1987;78(3):247-252

Beating heart muscle in a skeletal muscle bed.

Jockusch H, MEHRKE G, FUCHTBAUER EM. BEATING HEART-MUSCLE IN A SKELETAL-MUSCLE BED. EXPERIMENTAL NEUROLOGY. 1983;81(3):749-755