FUNDAMENTO: Os efeitos do envelhecimento no músculo papilar têm sido amplamente demonstrados, mas não há dados disponíveis sobre os efeitos do exercício nas alterações relacionadas à idade. OBJETIVO: Analisar os efeitos do envelhecimento nas propriedades morfológicas e quantitativas do músculo papilar e investigar se um programa contínuo de exercícios moderados pode exercer um efeito protetor contra as conseqüências do envelhecimento. MÉTODOS: Microscopia eletrônica foi utilizada para estudar a densidade dos miócitos, capilares e tecido conectivo e área transversal dos miócitos do músculo papilar no ventrículo esquerdo de ratos Wistar de 6 e 13 meses, não-treinados e submetidos a exercícios. RESULTADOS: Como esperado, a densidade de volume dos miócitos diminui significantemente (p<0,05) com a idade. A densidade de comprimento dos capilares também diminui com a idade, mas não de forma significante. A fração de volume intersticial do tecido do músculo capilar aumenta significantemente com a idade (P<0,05). O número de perfis de miócitos mostrou uma redução de 20% que foi acompanhada de hipertrofia dos miócitos no envelhecimento (P<0,05). Animais submetidos a uma sessão diária de 60 minutos, 5 dias/semana a 1,8 km.h-1 de corrida moderada em esteira ergométrica durante 28 semanas mostraram uma reversão de todos os efeitos do envelhecimento observados no músculo papilar. CONCLUSÃO: O presente estudo apóia o conceito de que treinamento físico de longo prazo impede as mudanças deletérias relacionadas à idade no músculo capilar.
ARTIGO ORIGINAL
EXPERIMENTAL
ILaboratório de Biodinâmica, Universidade São Judas Tadeu, São Paulo, SP - Brasil
IIDepartamento de Anatomia, Instituto de Ciências Biomédicas, São Paulo, SP - Brasil
IIIInstituto de Ciências Biomédicas e Faculdade de Medicina Veterinária, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP - Brasil
IVInstituto Dante Pazzanese de Cardiologia, São Paulo, SP - Brasil
MÉTODOS: Microscopia eletrônica foi utilizada para estudar a densidade dos miócitos, capilares e tecido conectivo e área transversal dos miócitos do músculo papilar no ventrículo esquerdo de ratos Wistar de 6 e 13 meses, não-treinados e submetidos a exercícios.
RESULTADOS: Como esperado, a densidade de volume dos miócitos diminui significantemente (p<0,05) com a idade. A densidade de comprimento dos capilares também diminui com a idade, mas não de forma significante. A fração de volume intersticial do tecido do músculo capilar aumenta significantemente com a idade (P<0,05). O número de perfis de miócitos mostrou uma redução de 20% que foi acompanhada de hipertrofia dos miócitos no envelhecimento (P<0,05). Animais submetidos a uma sessão diária de 60 minutos, 5 dias/semana a 1,8 km.h-1 de corrida moderada em esteira ergométrica durante 28 semanas mostraram uma reversão de todos os efeitos do envelhecimento observados no músculo papilar.
CONCLUSÃO: O presente estudo apóia o conceito de que treinamento físico de longo prazo impede as mudanças deletérias relacionadas à idade no músculo capilar.
Os músculos papilares são parte integral dos ventrículos e têm um papel importante na sua geometria e função sistólica1-4 Estudos anteriores sobre variações nas características dos músculos papilares com a idade1-3,5 mostraram que a densidade dos miócitos, tecido conectivo e capilares, e a área transversal dos miócitos bem como as características físicas e bioquímicas do músculo papilar dependem da idade6-13. Os efeitos mais evidentes relacionados à idade no músculo papilar são a perda de células musculares e um aumento do tecido conectivo9,10.
Por outro lado, foi demonstrado que o exercício aeróbico altera algumas das mudanças relacionadas à idade na parede do miocárdio ventricular esquerdo de ratos14-17. Entretanto, não há dados disponíveis sobre o efeito do exercício habitual nas mudanças do músculo papilar causadas pela idade. Dessa forma, no presente estudo, investigamos os efeitos do envelhecimento na morfologia e densidade dos miócitos, capilares e tecido conjuntivo e a área transversal dos miócitos do músculo papilar do ventrículo esquerdo (VE) e analisamos a hipótese de que um programa de exercícios moderados de longo prazo poderia ter um efeito protetor contra os efeitos deletérios do envelhecimento.
Quinze ratos machos Wistar de 6 meses de idade, pesando aproximadamente 420 g cada, foram mantidos em grupos de 5, em uma sala com luz e temperatura controladas, com ração
O tipo de exercício usado nesse experimento pode ser considerado como exercício moderado. Os ratos do grupo N foram colocados sobre a esteira ergométrica parada por 10 minutos, diariamente, para que o manuseio dos animais fosse equivalente. O manuseio dos animais foi aprovado pelo Comitê de Ética de nossa Universidade, de acordo com o "
Ao término do experimento, os animais dos grupos N e E aos 13 meses de idade (considerados de meia-idade4,18) foram anestesiados com pentobarbital sódico (3 mg/100 g peso corporal, via intraperitoneal) e então sacrificados. O grupo adicional de 5 animais (grupo jovem controle, JC) foi sacrificado aos 6 meses de idade. Os corações foram parados na diástole. A perfusão do miocárdio foi realizada através da aorta a uma pressão constante de 80 mmHg, usando 0,1 M de tampão cacodilato (3 minutos) seguido de solução de glutaraldeído 2,5 % diluída em tampão cacodilato.
Os animais foram heparinizados antes da fixação para otimizar a perfusão-fixação. O coração foi então removido, o VE foi aberto e o músculo papilar foi dissecado. Cada músculo papilar foi cortado em fatias de aproximadamente 3 mm de largura e 5 mm de comprimento. Essas fatias de tecido foram pós-fixadas em tetróxido de ósmio em tampão cacodilato de sódio por 1 hora. O tecido foi desidratado em graduações de álcool e embebido em resina Epon e seccionado, de forma que as células musculares de metade dos blocos foram cortadas transversalmente e a outra metade, longitudinalmente. Cortes finos para estudo através de microscopia eletrônica de transmissão foram corados com acetato de uranila19 e citrato de chumbo20. As seções longitudinais foram usadas para avaliar o estado de fixação do miocárdio através da medida de comprimento do sarcômero nos 3 grupos.
Dois blocos, escolhidos ao acaso, de cada músculo papilar no qual os miócitos foram cortados em transversal foram usados na análise quantitativa. As seções ultrafinas foram colocadas sobre um grelha de cobre e 10 campos por bloco, escolhidos ao acaso, foram selecionados para as micrografias, tiradas com um microscópio eletrônico de transmissão Jeol. Micrografias eletrônicas de baixa potência (x600) foram utilizadas para a análise quantitativa da composição do tecido do músculo papilar do VE. Cada uma das micrografias eletrônicas foi analisada usando um software processador de imagens digitais para a área biomédica (Axio Vision, Zeiss). Um total de 300 micrografias eletrônicas aleatórias foram analisadas. Um sistema-teste com 72 pontos de amostra foi colocado na tela do monitor e calibrado.
O miocárdio foi analisado considerando os miócitos (mi) e o interstício cardíaco (tecido conectivo [tc]). A densidade de volume foi estimada para miócitos (Vv[mi]), e tecido conectivo (Vv[tc]): (VV[estrutura]: = PP[estrutura]/PT) (PP é o número de pontos que incidem sobre a estrutura; PT is o número total de pontos-teste). A densidade de comprimento também foi estimada para os capilares miocárdicos, CV[ca]: = 2
A área transversal média dos miócitos (Área[mi]) também foi determinada em cada animal e para cada grupo. Os resultados são apresentados como médias ± EPM computadas a partir das médias de medidas obtidas de cada animal.
A significância estatística foi avaliada através de ANOVA e teste de Bonferroni, e os valores de
A
As características gerais dos três grupos de ratos e seus VE são mostradas na
As mudanças quantitativas no miocárdio do músculo papilar causadas pelo envelhecimento e os efeitos do exercício são mostrados na
O exercício físico aumentou significantemente o Vv[mi] nos ratos idosos e também foi eficiente na diminuição da fibrose miocárdica: Vv[tc] foi mais de 25% mais baixo nos animais submetidos ao treinamento físico (
O delineamento das mudanças na estrutura e função do coração e dos fatores que podem contribuir para reverter essas mudanças que ocorrem com o envelhecimento se torna cada vez mais importante, considerando-se que mais de 50% da mortalidade e a maioria das hospitalizações de indivíduos idosos resultam de doenças cardiovasculares21. Portanto, esta é a importância do isolamento e identificação dos efeitos do envelhecimento, isoladamente, daqueles relacionados à alterações patológicas.
Há uma crença geral de que, à medida que o coração envelhece, ele sofre certo grau de hipertrofia9,17,21. Entretanto, baseado nos resultados correntes, o peso do VE não aumentou consistentemente com a idade, um padrão também observado por outros autores7,22,23 e nos resultados presentes.
No presente estudo, observou-se que o envelhecimento foi acompanhado de alterações morfoquantitativas no músculo papilar do ventrículo esquerdo (VE), a maioria das quais foi atenuada pelo exercício físico. Os resultados quantitativos demonstram que uma perda significante de miócitos ocorreu com o envelhecimento no músculo papilar do VE nos ratos do grupo N. Nesse grupo, tornou-se aparente que uma redução de 20% na densidade numérica dos miócitos foi observada. Esses resultados são similares aos achados obtidos por outros autores, que demonstraram uma redução no número total de miócitos nos ventrículos de ratos de 4 para 12 meses7 e de 4 para 15 meses9. De acordo com Anversa e cols.24, um fenômeno comparável também ocorre no coração humano12,25,26. É possível que a hipertrofia dos miócitos que ocorreu no coração idoso tenha sido capaz de compensar a perda dessas células musculares.
Os resultados do presente trabalho confirmam achados prévios mostrando que a diminuição no número de miócitos com a idade está associada com um aumento do tecido intersticial9,10. O acúmulo de colágeno como uma função da idade também foi observado no coração humano11,12. O mecanismo responsável pela perda dos miócitos com áreas de fibrose intersticial e de substituição no miocárdio é atualmente desconhecido7. A isquemia é uma provável possibilidade7,26. Entretanto, no presente estudo, a contagem dos perfis capilares não mostrou uma densidade numérica diminuída nos ratos idosos do grupo N. Sob isquemia, o tecido miocárdico responde através de remodelagem27, perda de miócito devido a apoptose e necrose28-31, e fibrose reparadora32,33. De acordo com outros autores34 a perda de miócitos é provavelmente resultante principalmente da apoptose - morte celular geneticamente programada. É possível que essas alterações relacionadas à idade no músculo papilar sejam responsáveis pela deficiência de rigidez no músculo papilar e complacência do VE em idade avançada35.
Alterações na área transversal de miócitos17 foram usadas anteriormente para caracterizar hipertrofia induzida pelo envelhecimento ao nível de organização celular. Entretanto, Anversa e cols.7 demonstrou que a hiperplasia celular dos miócitos também participa da resposta hipertrófica do miocárdio durante a senescência7.
É esperado que a perda contínua de miócitos nos ventrículos gere uma carga maior nos miócitos remanescentes, que pode funcionar como um estímulo mecânico crônico para o crescimento celular7,11,12,24,36.
O exercício aeróbico durante a fase de envelhecimento melhorou a vascularização miocárdica e normalizou a fibrose miocárdica. É esperado que a maior concentração de perfis capilares produza uma elevação na superfície luminal do endotélio acessível para troca de oxigênio no tecido e uma menor distância máxima de difusão para o transporte de oxigênio para os miócitos7.
Em conclusão, o presente estudo fornece informações morfoquantitativas, demonstrando que a prática diária de exercícios físicos moderados durante a fase de envelhecimento impede algumas alterações deletérias relacionadas à idade no músculo papilar, tais como a perda de miócitos, aumento no tecido intersticial, e uma diminuição da densidade numérica dos perfis capilares.
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.
Este artigo é parte de tese de Mestrado de Laura Beatriz Mesiano Maifrino; Rubens Correa Araújo; Cristiane Castro Faccini, Edson Aparecido Liberti, Eliane Florêncio Gama; Antonio Augusto Coppi Maciel Ribeiro e Romeu Rodrigues de Souza pela Universidade de São Judas Tadeu, Universidade de São Paulo e Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia.
Correspondência: Laura Beatriz Mesiano Maifrino Rua Pirandello, 770 casa 08 - Brooklin Paulista 04.623-000, São Paulo, SP - Brasil E-mail:
Artigo recebido em 02/04/08; revisado recebido em 13/05/08; aceito em 15/05/08.
FUNDAMENTO: Los efectos del envejecimiento en el músculo papilar han sido demostrados de modo amplio, pero no hay datos disponibles sobre los efectos del ejercicio en las alteraciones relacionadas a la edad. OBJETIVO: Analizar los efectos del envejecimiento en las propiedades morfológicas y cuantitativas del músculo papilar e investigar si un programa continuo de ejercicios moderados puede ejercer un efecto protector contra las consecuencias del envejecimiento. MÉTODOS: Se utilizó microscopia electrónica para estudiar la densidad de los miocitos, capilares y tejido conectivo, así como el área transversal de los miocitos del músculo papilar en el ventrículo izquierdo de ratas Wistar de 6 y 13 meses, no entrenadas y sometidas a ejercicios. RESULTADOS: Como se esperaba, la densidad de volumen de los miocitos disminuye significantemente (p<0,05) con el avance de la edad. La densidad de longitud de los capilares también disminuye con la edad, pero no de forma significante. La fracción de volumen intersticial del tejido del músculo capilar aumenta significantemente con el avance de la edad (P<0,05). El número de perfiles de miocitos mostró una reducción del 20%, seguida de su hipertrofia en el envejecimiento (P<0,05). Sometidos a una sesión diaria de 60 minutos, 5 días/semana a 1,8 km.h-1 de corrida moderada en estera ergométrica durante 28 semanas, los animales mostraron una reversión de todos los efectos del envejecimiento observados en el músculo papilar. CONCLUSIÓN: El presente estudio apoya el concepto de que entrenamiento físico de largo plazo impide los cambios letales en el músculo capilar relacionados a la edad.
ILaboratório de Biodinâmica, Universidade São Judas Tadeu, São Paulo, SP - Brasil
IIDepartamento de Anatomia, Instituto de Ciências Biomédicas, São Paulo, SP - Brasil
IIIInstituto de Ciências Biomédicas e Faculdade de Medicina Veterinária, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP - Brasil
IVInstituto Dante Pazzanese de Cardiologia, São Paulo, SP - Brasil
Correspondencia
Los músculos papilares forman parte integral de los ventrículos y ejercen un rol importante en su geometría y función sistólica1-4. Estudios anteriores sobre variaciones en sus características de acuerdo con la edad1-3,5 demostraron que la densidad de los miocitos, del tejido conectivo y los capilares, así como el área transversal de dichos miocitos y las características físicas y bioquímicas del músculo papilar dependen de la edad6-13. Los efectos más evidentes relacionados a éste factor en el músculo papilar son: la pérdida de células musculares y un aumento del tejido conectivo9,10.
Por otro lado, ya se demostró que el ejercicio aeróbico altera algunos de los cambios relacionados a la edad en la pared del miocardio ventricular izquierdo de ratas14-17. Sin embargo, no se dispone de datos acerca del efecto del ejercicio habitual sobre los cambios provocados por la edad en el músculo papilar. De esa forma, en el presente estudio, investigamos los efectos del envejecimiento en la morfología y densidad referentes a los miocitos, los capilares y el tejido conjuntivo, así como el área transversal de los miocitos del músculo papilar del ventrículo izquierdo (VI). Analizamos también la hipótesis de que un programa de ejercicios moderados de largo plazo podría ejercer una función protectora contra los efectos letales del envejecimiento.
Se mantuvieron 15 ratas machos Wistar de 6 meses de edad, con peso de aproximadamente 420 g cada, en grupos de 5, dentro de una sala con luz y temperatura controladas, con ración
Se puede considerar como moderado el tipo de ejercicio utilizado en ese experimento. Se pusieron las ratas del grupo N sobre la cinta ergométrica parada por 10 minutos, diariamente, para que el manejo de los animales resultara equivalente. El Comité de Ética de nuestra Universidad aprobó el manejo de los animales, de acuerdo con el
Al final del experimento, se anestesiaron los animales de los grupos N y E con 13 meses de edad (considerados con edad mediana4,18) con pentobarbital sódico (3 mg/100 g de peso corporal, vía intraperitoneal) y, enseguida, sacrificados. Se sacrificó el grupo adicional de 5 animales (grupo joven control, JC) a los 6 meses de edad. Se pararon los corazones en la diástole. Se realizó la perfusión del miocardio a través de la aorta a una presión constante de 80 mmHg, por medio de 0,1 M de tampón cacodilato (3 minutos), seguido de solución de glutaraldehido 2,5 % diluida en tampón cacodilato.
Se heparinizaron a los animales antes de la fijación para optimizar la perfusión-fijación. Se retiró el corazón; enseguida se abrió el VI y disecó el músculo papilar. Se cortó cada músculo papilar en tajadas de aproximadamente 3 mm de ancho y 5 mm de longitud. Se postfijaron esas tajadas de tejido en tetróxido de osmio, en tampón cacodilato de sodio, por 1 hora. Se deshidrató el tejido en graduaciones de alcohol, embebido en resina Epon y seccionado, de modo que las células musculares de mitad de los bloques se cortaron transversalmente, mientras que la otra mitad se seccionó longitudinalmente. Se colorearon cortes finos con acetato de uranila19 y citrato de plomo20, para estudio con microscopía electrónica de transmisión. Se utilizaron las secciones longitudinales para evaluar el estado de fijación del miocardio con base en la medición de la longitud del sarcómero en los 3 grupos.
Para efectuar el análisis cuantitativo, se utilizaron dos bloques elegidos al azar de cada músculo papilar, cuyos miócitos se cortaron en transversal. Se pusieron las secciones ultrafinas sobre una parrilla de cobre; se seccionaron 10 campos por bloque, también elegidos al azar, para micrografías, producidas con un microscopio electrónico de transmisión Jeol. Se utilizaron micrografías electrónicas de baja potencia (x600) para el análisis cuantitativo de la composición de tejido del músculo papilar del VI. Se analizó cada micrografía electrónica con auxilio de un software procesador de imágenes digitales para el área biomédica (Axio Vision, Zeiss). Se analizó un total de 300 micrografías electrónicas. Se utilizó un sistema test con 72 puntos de muestra en la pantalla del monitor y se lo calibró.
Se analizó el miocardio teniendo en cuenta los miocitos (mi) y el intersticio cardiaco (tejido conectivo [tc]). Se estimó la densidad de volumen para los miocitos (Vv[mi]) y el tejido conectivo (Vv[tc]): (VV[estructura]: = PP[estructura]/PT) (PP es el número de puntos que inciden sobre la estructura; PT es el número total de puntos-test). Se estimó la densidad de longitud de los capilares miocárdicos, CV[ca]: = 2
También se determinó el área transversal media de los miocitos (Área[mi]) en cada animal y para cada grupo. Los resultados se presentan en promedio ± EPM computados a partir del promedio de medidas obtenidas de cada animal.
Al evaluar la significancia estadística a través de ANOVA y la prueba de Bonferroni; se consideraron significantes los valores de
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El ejercicio físico aumentó significantemente o Vv[mi] en las ratas adultas mayores, y resultó también en la disminución de la fibrosis miocárdica: Vv[tc] fue más del 25% menor en los animales sometidos al entrenamiento físico (
El diseño de los cambios en la estructura y función del corazón en virtud del envejecimiento -así como de los factores que pueden contribuir para revertir dichos cambios- se vuelve cada vez más importante, si se considera que más del 50% de la mortalidad y gran parte de las hospitalizaciones de adultos mayores son consecuencia de enfermedades cardiovasculares21. Por tanto, resulta fundamental el aislamiento e identificación de los efectos de envejecimiento, con la finalidad de distinguirlos de aquellos relacionados a alteraciones patológicas.
Hay una creencia general de que, a medida que envejece, el corazón sufre un determinado grado de hipertrofia9,17,21. Sin embargo, basado en los resultados corrientes, el peso del VI no aumentó de manera consistente con la edad, estándar que se observa no sólo en los resultados presentes, sino también en los estudios de otros autores7,22,23.
Este estudio verificó que alteraciones morfocuantitativas acompañaron el envejecimiento del músculo papilar del ventrículo izquierdo (VI), gran parte de las cuales atenuadas por el ejercicio físico. Los resultados cuantitativos demuestran la ocurrencia de una pérdida significativa de miocitos con el avance del proceso envejecimiento en el músculo papilar del VI en las ratas del gurpo N. En este grupo se observó una reducción del 20% en la densidad numérica de los miocitos. Esos resultados son similares a los hallazgos obtenidos por otros autores, que evidenciaron una reducción en el número total de miocitos en los ventrículos de ratas de 4 para 12 meses7 y de 4 para 15 meses9. De acuerdo con Anversa et al.24, un fenómeno comparable también ocurre en el corazón humano12,25,26. Es posible, entonces, que la hipertrofia de los miocitos que ocurrió en el corazón adulto mayor haya sido capaz de compensar la pérdida de esas células musculares.
Los resultados del presente trabajo confirman hallazgos previos, que revelan que la disminución del número de miocitos con el avance de la edad se asocia a un aumento del tejido intersticial9,10. También se observó la acumulación de colágeno en el corazón humano11,12. Sigue todavía desconocido el mecanismo responsable de la pérdida de miocitos con áreas de fibrosis intersticial y de sustitución en el miocardio7. La isquemia es una posibilidad probable7,26. Sin embargo, en el presente estudio, el conteo de los perfiles capilares no reveló disminución en su densidad numérica en las ratas adultas mayores del grupo N. Bajo isquemia, el tejido miocárdico responde de distintas maneras: remodelado27, pérdida de miocito en virtud de la apoptosis y necrosis28-31, y también fibrosis reparadora32,33. De acuerdo con otros autores34 es probable que la pérdida de miocitos sea resultado principalmente de la apoptosis -muerte celular genéticamente programada. Es también posible que dichas alteraciones en el músculo papilar relacionadas a la edad sean responsables no sólo por la deficiencia de rigidez en el músculo papilar, como también por la complacencia del VI en edad avanzada35.
Anteriormente, otros estudios utilizaron las alteraciones en el área transversal de miócitos17 para caracterizar hipertrofia inducida por el envejecimiento en términos de organización celular. Sin embargo, el estudio de Anversa et al.7 demostró que la hiperplasia celular de los miocitos también participa de la respuesta hipertrófica del miocardio durante a senescencia7.
Se espera que la pérdida continua de miocitos en los ventrículos provoque una carga mayor en los miocitos restantes, carga ésta que puede funcionar como un estímulo mecánico crónico para el crecimiento celular7,11,12,24,36.
El ejercicio aeróbico durante la fase de envejecimiento no sólo mejoró con la vascularización miocárdica sino también normalizó la fibrosis miocárdica. Lo que se espera es que la mayor concentración de perfiles capilares produzca, por un lado, un incremento de la superficie luminal del endotelio accesible para intercambio de oxígeno en el tejido; y, por otro, una disminución de la distancia máxima de difusión para el transporte de oxígeno hacia los miócitos7.
En conclusión, el presente estudio suministra informaciones morfocuantitativas, que demuestran que la práctica diaria de ejercicios físicos moderados durante la fase de envejecimiento impide algunas alteraciones letales relacionadas a la edad en el músculo papilar, tales como la pérdida de miocitos, el aumento en el tejido intersticial, y una disminución de la densidad numérica de los perfiles capilares.
Declaro no haber conflicto de intereses pertinentes.
El presente estudio no tuvo fuentes de financiación externas.
Este artículo forma parte de tesis de Maestría de Laura Beatriz Mesiano Maifrino; Rubens Correa Araújo; Cristiane Castro Faccini, Edson Aparecido Liberti, Eliane Florêncio Gama; Antonio Augusto Coppi Maciel Ribeiro y Romeu Rodrigues de Souza por la Universidad de São Judas Tadeu, Universidad de São Paulo e Instituto Dante Pazzanese de Cardiología.
BACKGROUND: The effects of aging on papillary muscle have been widely demonstrated, but no data on the effects of exercise on the age-related changes are available. OBJECTIVE: To analyze the effects of aging on the morphological and quantitative properties of papillary muscle and investigate whether a long-term moderate exercise program would exert a protective effect against the effects of aging. METHODS: We used electron microscopy to study the density of myocytes, capillaries and connective tissue and the cross-sectional area of myocytes of the papillary muscle of the left ventricle of 6- and 13-month-old untrained and exercised Wistar rats. RESULTS: As expected, the volume density of myocytes declined significantly (p<0.05) with aging. The length density of myocardial capillaries also declined with aging, but not significantly. The interstitial volume fraction of the papillary muscle tissue increased significantly (P<0.05) with age. The number of myocyte profiles showed a reduction of 20% that was accompanied by myocyte hypertrophy in the aged rats (P<0.05). Animals submitted to a 60-minute daily session,, 5 days/wk at 1.8 km.h-1 of moderate running on a treadmill for 28 weeks showed a reversion of all the observed aging effects on papillary muscle. CONCLUSION: The present study supports the concept that long-term exercise training restrains the aging-related deleterious changes in the papillary muscle.
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The papillary muscles are an integral part of the ventricles and play an important role in their geometry and systolic function1-4 Previous studies of age-related variations in the papillary muscle1-3,5 showed that the density of myocytes, connective tissue and capillaries as well as the cross-sectional area of myocytes and the physical and biochemical characteristics of the papillary muscle are dependent upon age6-13. The most evident age-related effects on the papillary muscle are the loss of muscle cells and an increase in connective tissue9,10.
On the other hand, it has been demonstrated that aerobic exercise alters some of the age-associated changes in the wall of the left ventricular myocardium of rats14-17. However, no data are available on the effect of regular exercise on papillary muscle changes caused by aging. Therefore, in this study, we investigated the effects of aging on the morphology and the density of myocytes, capillaries and connective tissue and the cross-sectional area of myocytes of the papillary muscle of the left ventricle and hypothesized that a long-term moderate exercise program would have a protective role against the deleterious effects of aging.
Fifteen 6-month-old male Wistar rats, weighing about 420 g each one, were housed in groups of five in a temperature- and light-controlled room and were fed ad lib. The animals were randomly divided into young control (YC), exercise-trained (E) and untrained (U) groups. The E group ran on a treadmill 5 days/wk. The program was progressively increased in intensity and duration of exercise until the 4th week, when the rats ran 1 hour daily at 1.8 km.h-1. This level was maintained throughout the rest of the experimental period. The total training period lasted 28 weeks. The type of exercise used in this experiment can be considered a moderate exercise. The rats from the U group were placed daily for 10 min on the stationary treadmill to provide an equivalent amount of handling. The animals´ handling was approved by our University Ethics Committee, in adherence to the "Guide for the Care and Use of Laboratory Animals" (Institute of Laboratory Animal Resources, National Academy of Sciences, Washington, D. C. 1996) and the Ethical Principles in Animal Experiments of the Brazilian College of Animals Experiments (COBEA).
At the end of the experiment, the animals from the U and E groups, at 13 months of age (considered to be "middle-aged"4,18), were anesthetized with Pentobarbital sodium (3 mg/100 g body weight, intraperitoneally) and then killed. The additional group of five animals (young control group, YC), was killed at 6 months of age. The hearts were arrested in diastole. The myocardium was perfused through the aorta at a constant pressure of 80 mmHg, using 0.1 M cacodylate buffer (3 min), followed by a 2.5% glutaraldehyde solution diluted in cacodylate buffer.
The animals were heparinized prior to fixation to optimize perfusion-fixation. The heart was then removed, the left ventricle was opened and the papillary muscle was dissected. Each papillary muscle was minced into approximately 3-mm wide and 5-mm long slices. These tissue slices were post-fixed in osmium tetroxide in sodium cacodylate buffer for 1 h. The tissue was dehydrated in graded alcohols, embedded in Epon resin and sectioned, so that the muscle cells of one half of the blocks were cut in cross-section and the other half in longitudinal section. Thin sections for transmission electron microscopy analysis were stained with uranyl acetate19 and lead citrate20. The longitudinal sections were used to evaluate the fixation state of the myocardium by measuring the sarcomere length in the 3 groups.
Two randomly chosen blocks from each papillary muscle, in which the myocytes were cut in cross-section were used for the quantitative analysis. The ultrathin sections were placed on a copper grid and 10 randomly chosen fields per block were selected for micrographs, which were taken with a Jeol transmission electron microscope. Low-power (x600) electron micrographs were used for a quantitative analysis of the tissue composition of the left ventricle papillary muscle. Each of the electron micrographs was analyzed using a digital image processing software for the biomedical area (Axio Vision, Zeiss). A total of 300 random electron micrographs were analyzed. A test-system with 72 sampling points was set upon the monitor screen and calibrated.
The myocardium was analyzed concerning the myocytes (my) and the cardiac interstitium (connective tissue [ct]). Volume density was estimated for myocyte (Vv[my]), and connective tissue (Vv[ct]): (VV[structure]: = PP[structure]/PT) (PP is the number of points that hit the structure; PT is the total test points). Length density was estimated for myocardial capillaries, LV[ca]: = 2
Myocyte mean cross-sectional area (Area[my]) was also determined for each animal and in each group. Results are presented as means ± SEM, computed from the average measurements obtained from each animal.
Statistical significance was evaluated by ANOVA and Bonferroni's test, and
General features of the three groups of rats and their left ventricles are shown in
The quantitative changes in the papillary muscle myocardium with age and the effects of exercise are shown in
The physical exercise significantly increased the Vv[my], in the aged rats and it was also efficient in decreasing the myocardial fibrosis: Vv[ct] was more than 25% lower in the exercise-trained animals (Table 2). However, it maintained the increase in the Area[my] caused by aging. There was no difference between the U vs. E groups regarding the Area[my]. Physical exercise also apparently improved myocardial vascularization in the E group: LV[ca] was higher in the aged E rats than in the U rats (
The description of the changes in the structure and function of the heart and the factors that may contribute to reverse the changes that occur with aging is taking on greater importance, as more than 50% of the mortality and the majority of the hospitalizations of the elderly result from cardiovascular diseases21. Therefore, that is the importance of the isolation and identification of the effects of aging alone, from those related to pathological changes.
It is a general belief that as the heart ages, it undergoes a certain degree of hypertrophy9,17,21. However, based on the current results, left ventricular weight did not consistently increase with age, a pattern also observed by others7,22,23, and the present results.
In the present study, it was observed that aging was accompanied by morphoquantitative alterations in the papillary muscle of the left ventricle, the majority of which were attenuated by physical exercise. The quantitative results demonstrate that a significant loss of myocytes occurred with age in the papillary muscle of the left ventricle in the U rats. In this group, it became apparent that a 20% reduction in the numerical density of myocytes was observed. These results are similar to the findings obtained by others, which have shown a reduction in the total number of myocytes in the ventricles of rats from 4 to 12 months7 and from 4 to 15 months9. According to Anversa et al24, a comparable phenomenon occurs in the human heart, as well12,25,26. It is possible that the myocyte hypertrophy that occurred in the aged heart was capable of compensating for the loss of these muscle cells.
Our findings confirm previous reports showing that the decrease in the number of myocytes with age is associated with an increase in interstitial tissue9,10. Collagen accumulation as a function of age was also observed in the human heart11,12. The mechanisms responsible for the loss of myocytes with areas of interstitial and replacement fibrosis in the myocardium are at present unknown7. Ischemia is a likely possibility7,26. However, in the present study, counts of capillary profiles did not show a decreased numerical density in the aged U rats. Under ischemia, the myocardial tissue responds by remodeling27, by myocyte loss due to both apoptosis and necrosis28-31 and/ by reparative fibrosis32,33. According to others34, myocyte loss resulted mainly from apoptosis - genetically programmed cell death. It is possible that these age-related changes in the papillary muscle were responsible for the impairment of both papillary muscle stiffness and LV compliance in advanced aging35.
Changes in the myocyte cross-sectional area17 have been previously used to characterize aging-induced hypertrophy at the cellular level of organization. However, Anversa et al7 demonstrate that myocyte cellular hyperplasia also participates in the hypertrophic response of the myocardium during senescence7. The continued loss of myocytes in the ventricles can be expected to generate a greater workload on the remaining myocytes, which may function as a chronic mechanical stimulus for cellular growth7,11,12,24,36.
The aerobic exercise during aging improved the myocardial vascularization and normalized the myocardial fibrosis. The higher concentration of capillary profiles can be expected to produce an elevation in endothelial luminal surface accessible for oxygen exchange in the tissue and a smaller maximum diffusion distance for oxygen transport to the myocytes7.
In conclusion, this study provided morphoquantitative information demonstrating that daily practice of moderate exercise during aging restrains some aging-related deleterious changes in the papillary muscle, such as loss of myocytes, increase in interstitial tissue, and a decreased numerical density of capillary profiles.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
There were no external funding sources for this study.
This article is part of the thesis of master submitted by Laura Beatriz Mesiano Maifrino; Rubens Correa Araújo; Cristiane Castro Faccini, Edson Aparecido Liberti, Eliane Florêncio Gama; Antonio Augusto Coppi Maciel Ribeiro e Romeu Rodrigues de Souza, from Universidade de São Judas Tadeu, Universidade de São Paulo e Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia.