Bis heute stellen die kardiovaskulären Erkrankungen eine der häufigsten Morbiditäts- und Mortalitätsfaktoren in unserer Gesellschaft dar und sind mit der Dysfunktion und Schädigung von Mitochondrien assoziiert. Das Herz benötigt für seine enorme Pumpleistung viel Energie in Form von ATP, das durch zahlreiche Mitochondrien in den Kardiomyozyten produziert wird. Neben dieser Hauptfunktion spielen Mitochondrien aber auch eine wichtige Rolle beim Zelluntergang. So beruht z.B. beim akuten Myokardinfarkt die Gewebsschädigung nicht allein auf der Ischämie, sondern auch auf der lebensnotwendigen Reperfusion des Gewebes, dem sogenannten I/R-Schaden, bei dem die Mitochondrien durch Porenbildung (MOMP oder mPTP) unter Beteiligung der BCL-2 Proteine BNIP3 und BAX geschädigt werden und den apoptotischen und nekrotischen Zelluntergang der Kardiomyozyten determinieren. Auch Veränderungen der Mitochondrienmorphologie, einschließlich ihrer Größe, Volumen, Form, Anzahl, Verteilung und Cristae-Struktur wurden in unterschiedlichen kardiovaskulären Erkrankungen beobachtet und beschrieben. Unter physiologischen Bedingungen bleibt die strukturelle und funktionelle Integrität der Mitochondrien durch Fissions-/Fusionsprozesse und Mitophagie erhalten. Auch hier wird eine Beteiligung von BNIP3 diskutiert. Studien zur mitochondrialen Dynamik zeigten, dass eine Beeinflussung im Fissions-/Fusionsprozess eine massive mitochondriale Akkumulation in Kardiomyozyten hervorruft, die mit einer Verzerrung der Sarkomerstruktur einhergeht. Zur eindeutigen qualitativen und quantitativen Charakterisierung der morphologischen Alterationen von Mitochondrien ist eine präzise und reproduzierbare Bildaufnahme und Analyse im Nanobereich unabdingbar. Die meisten Studien verwenden routinemäßig eine 2D-Transmissionselektronenmikroskopie, die jedoch aufgrund der fehlenden Z-Achse eine räumliche Beschreibung der Strukturen und eine Analyse von Fissions-/Fusionsprozessen nur bedingt zulässt.

In dieser Arbeit wurde an einem Mausmodell gezeigt, dass für die Erhebung physiopathologischer Veränderungen von Mitochondrien und die korrekte Beurteilung pathologischer Zustände die 3D-EM-Analysetechnik unerlässlich ist. Durch Entwicklung einer Analysestrategie konnten Ansätze definiert werden, die 2D-Ergebnisse mit den Daten aus 3D-Analysen in Beziehung setzen und morphometrische Parameter wie die Anzahl, die Formkomplexität, die Verteilung, die Belegung und die Größe von Mitochondrien miteinander vergleichen und korrelieren. Hier zeigten sich bei den Analyseverfahren deutliche Abweichungen in den mitochondrialen Morphologie-Parametern. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine 2D-Auswertung die Eigenschaften kardiomyozytärer Mitochondrien in Bezug auf die Anzahl, das Belegungsvolumen, die Größe, die Form sowie die Distribution von Mitochondrien nicht widerspiegelt und 2D-Aufnahmen zu Fehlinterpretationen führen können. Mit Hilfe der 3D-FIB-SEM-Methode konnte zudem gezeigt werden, dass eine genetische BNIP3-Deletion in C57BL/6J Mäusen zu mitochondrialen Agglomerationen mit höherer Volumenbelegung führt und eine Stauchung der Myofibrillenbündel induziert. Das Vorliegen einer erhöhten Anzahl von Mitochondrien, welche im Vergleich zu Wildtyp-Mitochondrien kleiner und weniger komplex sind, deutet auf eine physiologische Rolle von BNIP3 in der Fissions-/Fusions-Regulation.

Zur Identifizierung und Visualisierung der postulierten BNIP3- und BAX-abhängigen Porenbildung in der äußeren Mitochondrienmembran wurden molekular-biochemische Strukturanalysen mittels CLEM und Tokuyasu-Immunogoldmarkierung mit anschließenden TEM-Tomographien durchgeführt, die eine erste räumliche 3D-Beschreibung von BNIP3-/BAX-Immunogold-Markierungen an den Mitochondrien ermöglichten. Die eindeutige Identifikation der Pore und dessen Strukturanalyse bleibt bislang jedoch mit den EM-Methoden ungeklärt.

Des Weiteren wurde an I/R-Mausproben sowie an humanen Proben (Myokarditis- vs. Kontroll-Probe) gezeigt, dass die elektronenmikroskopische Analyse eine Beurteilung pathologischer Veränderungen zulässt. Da die EM sehr kleine Bereiche visualisiert und Herzgewebe eine heterogene Verteilung mitochondrialer Schäden aufweisen kann, ist die Auswahl der zu analysierenden Biopsiebereiche von großer Bedeutung. Zu diesem Zweck wurde das Mapping etabliert, das große Übersichtsaufnahmen ermöglicht und eine repräsentative Auswahl der zu analysierenden Bereiche erlaubt. Auch die Translation der 3D-Techniken auf humanes Herzgewebe durch schnellere und optimierte Arbeitsabläufe konnte gezeigt werden, was für die Routinediagnostik eine sinnvolle Ergänzung darstellt.