Intracellular pH, Na⁺- and K⁺-Activities at the Onset of St. Thomas' Cardioplegia: A Study with Ionselective Microelectrodes

Summary

Cellular edema and cardiac arrythmias are often closely related to intracellular ionic alterations and, moreover, are an actual problem of clinical cardioplegia and ischemia of the heart. In order to investigate whether the clinically widely used cardioplegic solution of the St. Thomas' Hospital may predispose for these complications, membrane potential (E_M), intracollular pH (pH_i), and intracellular sodium and potassium activity (aⁱ _Na and aⁱ _K) in sheep heart Purkinje fibres were directly measured by means of neutral-carrier ionselective microelectrodes during equilibration of the fibres' extracellular space with the cardioplegic solution. The experimental temperature was 35°C throughout.

During control conditions under superfusion of a HEPES- buffered Tyrode solution E_M was -74.4 ±5.1 mV (n = 39), pH_i was 7.18 ± 0.05 (n = 16), and aⁱ _Na and aⁱ _K were 7.6 ±1.4mmol/1 (n=15) and 118.9±4.6mmol/l (n=15) respectively. Superfusing the Purkinje strand for 10 minutes with the cardioplegic St. Thomas' solution led to a depolarization to -57.3 ± 4.7mV (n = 21), a slight aⁱ _Na decrease to 6.7 ± 1.6 mmol/1 (n = 15; p < 0.01; cardioplegic solution without procaine) and an increase of aⁱ _K to 127.1 ± 4.4 mmol/1 (n = 6; p < 0.01). pH₁ needed 15 minutes to reach a steady state value of 7.25 ± 0.05 (n = 9). The alterations on post-cardioplegic reperfusion with Tyrode solution were reversible within 15 minutes. Simulation of the clinical situation of ice-cold application of the solution by inhibiting the cellular Na/K pump via 0.1 mmol/1 dihydroouabaine added to the St. Thomas' solution resulted in a marked increase of aⁱ _Na to 10.7 ± 1.5 mmol/1 (n = 6; p < 0.01; no procaine) during cardioplegic superfusion. Removal of Mg⁺⁺ did not seem to have a marked influence on aⁱ _Na alterations.

The experiments suggest that changes of pH_i or aⁱ _K, which are known to favour cardiac arrhythmias, are not linked to the preischemic equilibration status of the St. Thomas' cardioplegia. The significant pre-ischemic increase of aⁱ _Na throughout Na/K pump inhibition, which has been found in no other cardioplegic method, may cause the pre-ischemic intracellular edema, which has been described in St. Thomas' arrestod hearts.

Zusammenfassung

Zellödem und Herzrhythmusstörungen sind in der Regel eng mit Veränderungen des intrazellulären Elektrolytmilieus verbunden und stellen außerdem ein aktuelles Problem in der klinischen Kardioplegie und Ischämie des Herzens dar. Um zu prüfen, inwieweit die kliniksübliche kardioplegische Lösung des St. Thomas-Hospitals in London zu derartigen Komplikationen prädisponiert, wurden an Purkinje-Fäden aus Schafsherzen mittels ionenselektiver Flüssigmembranelektroden das Membranpotential (E_M), der intrazelluläre pH-Wert (pH_i) sowie die intrazellulären Aktivitäten von Natrium und Kalium (aⁱ _Na und aⁱ _K) während Äquilibrierung mit der genannten kardioplegischen Lösung gemessen. Die Experimente erfolgten aus technischen Gründen bei 35°C. Unter Kontrollbedingungen während Superfusion der Purkinje-Fäden mit einer HEPES-gepufferten Tyrode-Lösung wurden ein Membranpotential von -74,4 ± 5,1 mV (n = 39), ein pH; von 7,18 ± 0,05 (n=16) sowie eine zelluläre Na-und K-Aktivität von 7,6 ± 1,4 mmol/1 (n=15) bzw. 118,9 ± 4,6 mmol/1 (n=15) ermittelt. Nachfolgende Superfusion mit St. Thomas-Lösung während 10 min bewirkte eine Depolarisation auf-57,3 ± 4,7 mV (n = 21), eine geringfügige Abnahme von aⁱ _Na auf 6,7 ±1,6 mmol/1 (n = 15; p < 0,01; prokain-freie St. Thomas-Lösung) sowie eine Zunahme von aⁱ _K auf 127,1 ± 4,4 mmol/1 (n = 6; p < 0,01). pH_i erreichte ein steady state erst nach 15 min Äquilibrierungszeit und betrug dann 7,25 ± 0,05 (n = 9). Alle Veränderungen waren bei anschließender Tyrode-Resuperfusion innerhalb von 15 min reversibel. Um die klinischen Bedingungen der eiskalten Anwendung der St. Thomas-Lösung und der daraus resultierenden Hemmung der Na/K-Pumpe zu simulieren, wurde der St. Thomas-Lösung 0,1 mmol/1 Dihydroouabain (DUO) zugesetzt. Dies bewirkte eine deutliche Zunahme der zellulären Na-Aufnahme: aⁱ _Na stieg auf 10,7 ±1,5 mmol/1 (n = 6; p < 0,01; St. Thomas-Lösung ohne Prokain). Die Senkung der Mg⁺⁺-Konzentration in der kardioplegischen Lösung war dagegen ohne Auswirkungen auf aⁱ _Na.

Nach diesen Experimenten führt Kardioplogie mit der St. Thomas-Lösung präischämisch nicht zu Veränderungen des intrazellulären pH-Wertes oder K-Spiegels, die als Ursache post-kardioplegischer Herzrhythmusstörungen in Frage kommen könnten. Sie führt allerdings bei gleichzeitiger Hemmung der myokardialen Na/K-Pumpe, im Experiment durch Zusatz von DHO, unter klinischen Bedingungen durch die Anwendung bei 10°C, im Unterschied zu anderen bekannten kardioplegischen Lösungen zu einer erheblichen zellulären Natriumaufnahme. Diese dürfte Ursache des für St. Thomas-Kardioplegie als typisch beschriebenen schon präischämisch auftretenden Myokardzellödems sein.

Key words

Intracellular ionic activities - Intracellular pH - St. Thomas' Cardioplegia - Cellular edema - Cardiac arrhythmias