Molecular and ultrastructural studies of non-crystalline calcium phosphates

Five non-crystalline calcium phosphate precipitates prepared from solutions varying in pH, degree of supersaturation and carbonate content were examined by physicochemical and morphological methods. X-ray diffraction, infrared spectrophotometry and electron diffraction measurements confirmed the amorphous nature of each precipitate. Both transmission and scanning electron microscopy demonstrated that the native elemental particles of all 5 synthetic products were spherical in shape and independent of the preparative procedures employed. Four of the precipitates contained spherules of similar sizes (200–1200 Å in diameter) while the one relatively rich in carbonate exhibited much larger particles (700–2000 Å in diameter). The spherules were uniformly dense to the electron beam when viewed with the current density at its lowest useful level. Exposure to higher electron currents immediately resulted in the development of numerous electron-lucent centers in each particle. Heating in vacuum to temperatures up to 600° did not change the amorphous nature of the precipitates or the morphology and size of their elemental particles even though almost all of the water contained in the original precipitates was removed by this process. Heat treatment did not induce formation of electron-lucent centers. On the contrary it, made the spherules increasingly resistant to beam damage. These findings suggest that the beam electrons interact with the oxygen or hydrogen atoms of the aqueous constituent of the amorphous calcium phosphate and that this initial reaction is followed by displacement and/or loss of other atoms.

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Zusammenfassung Fünf nicht-kristalline Calciumphosphat-Niederschläge, welche aus Lösungen mit variierendem pH, Übersättigungsgrad und Karbonatgehalt gewonnen wurden, wurden mit physikochemischen und morphologischen Methoden untersucht. Röntgendiffraktion, Infrarot-Spektrophotometrie und Elektronendiffraktionsmessungen bestätigten die amorphe Natur jedes Niederschlages. Sowohl Durchstrahlungs-, als auch Raster-Elektronenmikroskopie zeigten, daß die nativen Elementarpartikel aller 5 synthetischen Produkte von kugeliger Form und unabhängig von den angewandten Präparativ-Techniken waren. Vier der Niederschläge enthielten Kügelchen von der gleichen Größe (200–1200 Å Durchmesser), während jener mit relativ hohem Karbonatgehalt viel größere Partikel aufwies (700–2000 Å Durchmesser). Die Kügelchen waren für den Elektronenstrahl von einheitlicher Dichte, wenn mit der Stromdichte bei niedrigster brauchbarer Stufe betrachtet. Wurden die Proben stärkeren Elektronenströmen ausgesetzt, so entwickelten sich sogleich in jedem Teilchen zahlreiche elektronendurchlässige Zentren. Erhitzen in Vakuum bis zu Temperaturen von 600° veränderte weder die amorphe Beschaffenheit der Niederschläge noch die Morphologie und Größe ihrer elementaren Partikel, obwohl beinahe alles Wasser, welches in den ursprünglich vorliegenden Proben enthalten war, durch dieses Vorgehen entfernt wurde. Die Hitzebehandlung verursachte keine Bildung von elektronendurchlässigen Zentren sondern machte die Kügelchen im Gegenteil in zunehmendem Maße widerstandsfähig gegenüber Strahlenschädigungen. Diese Befunde lassen vermuten, daß sich die ausgestrahlten Elektronen und die Sauerstoff- oder Wasserstoffatome der wäßrigen Komponente des amorphen Calciumphosphates gegenseitig beeinflussen und daß diese anfängliche Reaktion von einer Verdrängung und/oder einem Verlust anderer Atome gefolgt wird.

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Résumé Cinq précipités non-cristallins de phosphate de calcium, préparés à partir de solutions qui varient en pH, degré de saturation et contenu en carbonate, sont examinés par des méthodes physico-chimiques et morphologiques. Des mesures de diffractions électronique et en rayons X et de spectrophotométrie infra-rouge confirment la nature amorphe de chaque précipité. Le microscope électronique par transmission et par balayage démontre que les particules élémentaires des 5 produits synthétiques sont de forme sphérique, quelque soit la méthode de préparation. Quatre des précipités contiennent de petites sphères de taille identique (200 à 1200 Å de diamètre), alors que le dernier précipité, riche en carbonate, contient des particules plus grandes (700 à 2000 Å de diamètre). Ces sphères sont de densité électronique uniforme lorsqu'une intensité de courant, la moins élevée, est utilisée. Un faisceau d'électrons, d'intensité plus élevée, permet de mettre en évidence de nombreux centres, transparents aux électrons, dans chaque particule. In chauffage sous vide à 600° ne modifie pas la nature amorphe des précipités ou la morphologie et la taille des particules élémentaires, bien que la presque totalité de l'eau, contenu dans ces précipités, soit éliminée. L'échauffement ne provoque pas la formation de centres transparents aux électrons. Au contraire, les sphères deviennent résistantes à des dommages, causés par le faisceau. Il semble que le faisceau d'électrons agit sur les atomes d'oxygène et d'hydrogène de la phase aqueuse du phosphate de calcium amorphe et que cette réaction initiale est suivie par le déplacement et/ou la perte d'autres atomes.

     

Nerve endings in the pulmonary trunk, ductus arteriosus and aorta of intact and decapitated pig fetuses

Summary Nerve fibres reactive to acetyl-thiocholine, and tissues showing catecholamine fluorescence were examined in the pulmonary trunk, ductus arteriosus and aorta of 28 pig fetuses between 31 and 113 days of gestation (term=114±1 days). Eight additional fetuses, which had been decapitated in utero at 40–43 days, were also studied at ages between 51 and 114 days of gestation. Spherical micro-networks of nervous tissue reactive to acetyl-thiocholine are present in the adventitia on the cranial aspect of the pulmonary trunk and ductus arteriosus, between the aorta and pulmonary trunk, and on the caudal aspects of the pulmonary trunk and the pulmonary arteries. These fibres invest spherical clusters of catecholamine containing cells which are well supplied with blood vessels. Nerve fibres which fluoresce are also found in association with these cells. Decapitation in utero does not appear to affect the distribution or morphology of these structures. The observations show that structures are present in the major arteries of the fetal pig which may act as sensory receptors, and that these structures are unaffected by chronic vagotomy of the fetus produced by decapitation early in gestation.     

Electron microscopic study of metachromatic leucodystrophy

Summary In metachromatic leucodystrophy abnormal lipids are stored within the lysosomes of the glial cells and phagocytes. The lipid inclusions which are the less structured are the richest in acid phosphatases. Those of which the ultrastructure is prismatic show a very low enzymatic activity and are more similar to residual bodies than to active lysosomes. It appears that the lack in lysosomal arylsulfatase leads to an accumulation of the sulfatide moiety of the stored lipids while the other lipids originating from the myelin breakdown, would be normally catabolized. This leads to a progressive transformation of the ultrastructure of the lysosome contents.

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Résumé Dans la leucodystrophie métachromatique, les lipides anormaux s'accumulent dans les lysosomes des cellules gliales et des phagocytes. Les inclusions lipidiques les moins organisées sont les plus riches en phosphatases acides. Celles dont l'ultrastructure est prismatique ont une activité enzymatique très faible et semblent plus proches de corps résiduels que de lysosomes actifs. Il semble que l'absence d'arylsulfatase lysosomiale induise la persistance des sulfatides accumulés dans les lysosomes alors que les autres lipides provenant de la dégénérescence myélinique, seraient normalement catabolisés. Un remaniement progressif de l'ultrastructure du contenu des lysosomes en est la conséquence.

     

Effects of tri-ortho-cresyl-phosphate on spinal ganglia and peripheral nerves of chicken

Summary The spinal ganglia and peripheral nerves of normal and tri-ortho-cresyl phosphate (TOCP)-poisoned chickens were examined with the electron microscope. The normal ganglia contained two main neuron types, a large neuron with light cytoplasm and abundant neurofilaments, and a smaller, darker cell which contained few or no filaments. The light neurons reacted to TOCP with a very great increase in the number of filaments present in the cytoplasm, while the darker cells showed a hypertrophy of the endoplasmic reticulum. These changes were not definitely present until 15 days after TOCP ingestion, while the largediameter fibres of the peripheral nerves showed a proliferation of smooth membranes at 6 days. The possible mechanisms for these changes are discussed.

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Zusammenfassung Es wurden Spinalganglien und periphere Nerven von normalen und mit Tri-Ortho-Cresyl-Phosphat (TOCP) vergifteten Hühnern elektronenmikroskopisch untersucht. In den normalen Ganglien fanden sich zwei unterschiedliche Neuronentypen, große Zellen mit hellem Cytoplasma, in dem sich reichlich Neurofilamente fande, und kleinere Neurone, welche wenig oder keine Filamente enthielten. Die hellen Zellen reagierten auf TOCP mit einer starken Vermehrung der Neurofilamente, während die dunklen, kleineren Neurone eine Hypertrophie des endoplasmatischen Reticulums zeigten. Diese Veränderungen waren eindeutig nach 15 tägiger TOCP-Applikation sichtbar. An den peripheren Nerven traten bereits nach 6 tägiger Vergiftung deutlichen Reaktionen im Sinne einer Proliferation der glatten Membranen auf. Die möglichen Zusammenhänge dieser Veränderungen werden diskutiert.

     

Neurotoxic effects of 6-aminonicotinamide on cultures of central nervous tissue

Summary Well myelinated cultures of chick embryo spinal cord were exposed to medium containing 6-aminonicotinamide in a concentration of 0.5 mmol for up to 48 h. By 24–48 h of exposure to the antivitamin, neurons showed a granulovacuolar degeneration which later led to the formation of large vacuoles in the neuronal perikarya. Myelin degeneration was also observed in this period in the form of swelling, beading and ballooning. Electron microscopy revealed moderately swollen mitochondria and dilated endoplasmic reticulum as the earliest neuronal change. Later, neurons became pyknotic and the cytoplasmic organelles disintegrated. Presynaptic endings and glial cells, however, was spared any degenerative change. Intermittent and irregular splitting of myelin lamellae were also observed along the intraperiod lines. Biochemical assay of the glucose-6-phosphate dehydrogenase activity in the experimental cultures showed that 45% of the enzyme activity was lost during the 30-h period. It is concluded that the formation of 6-aminonicotinamide analogues of NAD and NADP coenzymes leads to the impairment of the pentose phosphate pathway and the glucose turnover, and thus produces neurotoxic effects in the central nervous system.     

Electron microscopic visualization of proteoglycans and collagen in bovine costal cartilage

Removal of the soluble proteoglycans from slices of bovine costal cartilage by extraction in 4 M guanidinium hydrochloride permitted the visualization of abundant amounts of dispersed and disaggregated collagen in the matrix. Proteoglycans which are resistant to extraction are seen as small granules which are concentrated in the perilacunar regions. Large proteoglycan granules appear to originate in the chondrocyte. As they come to occupy positions in the matrix distant from the chondrocyte, the granules become smaller. A non-granular, amorphous component masks the collagen fibers so that they cannot be readily seen in the intact cartilage.

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Zusammenfassung Die löslichen Proteoglycane wurden mittels Extraktion in 4 M Guanidinhydrochlorid aus Rippenknorpelschnitten des Rindes entfernt. Dies erlaubte die Sichtbarmachung von großen Mengen von verstreuten und auseinandergerissenen Collagen in der Matrix. Die Protoglycane, welche sich nicht extrahieren lassen, erscheinen als kleine, in den perilacunären Regionen konzentrierte Körnchen. Die großen Proteoglycan-Körner scheinen in den Chondrocyten zu entstehen. Sobald sie sich in die Matrix, außerhalb der Chondrocyten, verlagern, werden die Körner kleiner. Ein nicht-granulärer, amorpher Bestandteil verhüllt die Collagenfasern, so daß diese im intakten Knorpel nicht deutlich gesehen werden können.

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Résumé L'élimination de protéoglycans solubles de coupes de cartilage costal de boeuf, par extraction dans une solution de 4M d'hydrochlorure de guanidinium, permet de mettre en évidence des quantités abondantes de collagène dispersé et désagrégé dans la matrice. Les protéoglycanes, résistants à l'extraction, sont visibles sous forme de granules concentrés dans les régions périlacunaires. Les granulations plus importants des protéoglycanes semblent venir du chondrocyte. Dans la matrice, éloignée des chondrocytes, ces granules deviennent plus étroites. Un composant non granulaire amorphe masque les fibres de collagène, de telle sorte qu'elles sont difficilement visibles dans le cartilage intact.

     

Infantile neuroaxonal dystrophy: Cortical axonic and presynaptic changes

Summary A 21/2 year old girl who, since the age of 1 year presented, a progressive psychomotor retardation. A cortical biopsy appeared normal by light microscopy, but by electron microscopy an abundance of dilated spheroid-like axons were found. They contained either vesiculo-tubular material or densly packed filamentous material. Synapses were demonstrated between the spheroids and other neuronal bodies or dendrites. Crystalline like material was observed within mitochondria and the spheroids. It is suggested that Neuroaxonal dystrophy may be diagnosed by cortical brain biopsy.

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Zusammenfassung Ein 21/2 Jahre altes arabisches Mädchen (Eltern Cousins 2. Grades) bot seit dem 1. Lebensjahr progressive psychomotorische Retardierung. Eine Hirnrindenbiopsie ergab normale lichtoptische Verhältnisse, während elektronenoptisch reichlich schollenartige Axonauftreibungen gefunden wurden. Ihr Inhalt setzte sich aus vesico-tubulärem Material oder aus dicht gepacktem filamentösen Material zusammen. Synapsen waren zwischen den Sphäroiden und anderen neuronalen Somata sowie Dendriten nachweisbar. In den Mitochondrien und Sphäroiden fanden sich kristalline Strukturen. Es wird vermutet, daß die neuroaxonale Dystrophie durch Rindenbiopsie diagnostiziert werden kann.

     

Experimental organic mercury poisoning. Pathological changes in muscles

Summary Pathological changes were found in a part of M. gastrocnemius in rats experimentally poisoned by an organic mercury compound. The authors assume from this that organic mercury mainly affects the posterior nerve root fibres, but some of the anterior nerve root fibres may also be involved.

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Zusammenfassung In einem Teil des M. gastrocnemius von experimentell mit organischem Quecksilber vergifteten Ratten fanden sich pathologische Veränderungen. Aufgrund dieses Befundes wird vermutet, daß die Vergiftungsläsion zwar die hinteren Nervenwurzelfasern bevorzugt, aber auch Teile der vorderen Nervenwurzelfasern betreffen kann.

     

Scanning electron microscopic studies on the cytolytic effect of phallolysin on isolated rat hepatocytes and AS-30 D hepatoma cells

Summary Rat hepatocytes and AS-30 D hepatoma cells were treated in vitro with phallolysin, the toxic haemolysin from the death cap fungus Amanita phalloides. Scanning electron microscopy revealed dosedependent formation of bulky protrusions on the cell surface, which later on burst, expelling intracellular material into the surrounding medium, while the cells became stainable with trypan blue. After 1 haemolytic unit (HU)/ml the protrusions burst within 10 min; after 3 HU/ml all cells were destroyed within 3–5 min. Susceptibility of hepatoma cells did not differ from that of hepatocytes.Supported by a grant from the Deutsche Forschungsgemeinschaft     

Cell response of the olfactory bulb to ionizing radiation injury

Summary Effects of a single high dose of X-rays on the adult rat olfactory bulb have been studied by electron microscopy.Several features of the cell response were described (neuronal pyknosis; glial response and glycogen accumulation; edema; phagocytic activity). Approaches towards understanding the mechanisms underlying these effects and their possible functional significance are discussed.The damage of the internal granule cells gave rise to synaptic degeneration at the level of the reciprocal mitro-granular contacts in the stratum plexiforme.The importance that this work may have when applied to the study of short axon neuron connections is stressed.

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Résumé Les effets d'une seule haute dose de rayons X sur le bulbe olfactif du rat adulte ont été étudiés par la microscopie électronique.Plusieurs éléments caractéristiques de la réponse cellulaire ont été décrits (pyknose neuronale; réponse gliale et accumulation de glycogène; oedème; activité phagocytique). Des approches vers la compréhension des méchanismes sousjacent ces effets et leur signification fonctionelle possible sont dicutées.Le dommage des cellules granulaires internes a donné lieu à la dégénération synaptique au niveau des contacts mitro-granulaires réciproques dans le stratum plexiforme.L'accent est mis sur l'importance que ce travail peut avoir lorsqu'appliqué à l'étude des connections des neurones à cylindre-axe court.