The effect of acute alcohol exposure on hepatic oxidative stress and function: prevention by micronutrients

Alcohol binge drinking, especially in teenagers and young adults is a major public health issue in the UK, with the number of alcohol related liver disorders steadily increasing. Understanding the mechanisms behind liver disease arising from binge-drinking and finding ways to prevent such damage are currently important areas of research. In the present investigation the effect of acute ethanol administration on hepatic oxidative damage and apoptosis was examined using both an in vivo and in vitro approach; the effect of micronutrient supplementation prior and during ethanol exposure was also studied. The following studies were performed: (1) ethanol administration (75 mmol/kg body weight) and cyanamide pre-treatment followed by ethanol to study elevated acetaldehyde levels with liver tissue analysed 2.5, 6 and 24 hours post-alcohol; (2). Using juvenile animals, 2% betaine supplementation followed by acute ethanol with tissue analysed 24 hrs post ethanol; and (3). Micronutrient supplementation during concomitant ethanol exposure to hepG2 cells. It was found that a single dose of alcohol caused oxidative damage to the liver of rats at 2.5 hr post-alcohol as evidenced by decreased glutathione levels and increased malondialdehyde levels in both the cytosol and mitochondria. Liver function was also depressed but there were no findings of apoptosis as cytochrome c levels and caspase 3 activity was unchanged. At 6 hours, the effect of ethanol was reduced suggesting some degree of recovery, however, by 24 hours, increased mitochondrial oxidative stress was apparent. The effect of elevated acetaldehyde on hepatic damage was particularly evident at 24 hours, with some oxidative changes at earlier time points. At 24 hours, acetaldehyde caused a profound drop in glutathione levels in the cytosol and hepatic function was still deteriorating. Studies examining ethanol exposure to juvenile livers showed that glutathione levels were increased, suggesting an overtly protective response not seen in with older animals. It also showed that despite cytochrome c release into the cytosol, caspase-3 levels were not increased. This suggests that ATP depletion is preventing apoptosis initiation. Betaine supplementation prevented almost all of the alcohol-mediated changes, suggesting that the main mechanism behind alcohol-mediated liver damage is oxidative stress. Results using the hepG2 cell line model showed that micronutrients involved in glutathione synthesis can protect against hepatocyte damage caused by alcohol metabolism, with reduced reactive oxygen species and increased/maintained glutathione levels. In summary, these results demonstrate that both acute alcohol and acetaldehyde can have damaging effects to the liver, but that dietary intervention may be able to protect against ethanol induced oxidative stress.

Promoter rearrangements cause species-specific hepatic regulation of the glyoxylate reductase/hydroxypyruvate reductase gene by the peroxisome proliferator-activated receptor alpha.

In liver, the glyoxylate cycle contributes to two metabolic functions, urea and glucose synthesis. One of the key enzymes in this pathway is glyoxylate reductase/hydroxypyruvate reductase (GRHPR) whose dysfunction in human causes primary hyperoxaluria type 2, a disease resulting in oxalate accumulation and formation of kidney stones. In this study, we provide evidence for a transcriptional regulation by the peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha) of the mouse GRHPR gene in liver. Mice fed with a PPARalpha ligand or in which PPARalpha activity is enhanced by fasting increase their GRHPR gene expression via a peroxisome proliferator response element located in the promoter region of the gene. Consistent with these observations, mice deficient in PPARalpha present higher plasma levels of oxalate in comparison with their wild type counterparts. As expected, the administration of a PPARalpha ligand (Wy-14,643) reduces the plasma oxalate levels. Surprisingly, this effect is also observed in null mice, suggesting a PPARalpha-independent action of the compound. Despite a high degree of similarity between the transcribed region of the human and mouse GRHPR gene, the human promoter has been dramatically reorganized, which has resulted in a loss of PPARalpha regulation. Overall, these data indicate a species-specific regulation by PPARalpha of GRHPR, a key gene of the glyoxylate cycle.

Blocking VLDL secretion causes hepatic steatosis but does not affect peripheral lipid stores or insulin sensitivity in mice

The liver secretes triglyceride-rich VLDLs, and the triglycerides in these particles are taken up by peripheral tissues, mainly heart, skeletal muscle, and adipose tissue. Blocking hepatic VLDL secretion interferes with the delivery of liver-derived triglycerides to peripheral tissues and results in an accumulation of triglycerides in the liver. However, it is unclear how interfering with hepatic triglyceride secretion affects adiposity, muscle triglyceride stores, and insulin sensitivity. To explore these issues, we examined mice that cannot secrete VLDL [due to the absence of microsomal triglyceride transfer protein (Mttp) in the liver]. These mice exhibit markedly reduced levels of apolipoprotein B-100 in the plasma, along with reduced levels of triglycerides in the plasma. Despite the low plasma triglyceride levels, triglyceride levels in skeletal muscle were unaffected. Adiposity and adipose tissue triglyceride synthesis rates were also normal, and body weight curves were unaffected. Even though the blockade of VLDL secretion caused hepatic steatosis accompanied by increased ceramides and diacylglycerols in the liver, the mice exhibited normal glucose tolerance and were sensitive to insulin at the whole-body level, as judged by hyperinsulinemic euglycemic clamp studies. Normal hepatic glucose production and insulin signaling were also maintained in the fatty liver induced by Mttp deletion. Thus, blocking VLDL secretion causes hepatic steatosis without insulin resistance, and there is little effect on muscle triglyceride stores or adiposity

A peptide inhibitor of C-jun N-terminal kinase modulates hepatic damage and the inflammatory response after hemorrhagic shock and resuscitation

Hemorrhage and resuscitation (H/R) leads to phosphorylation of mitogen-activated stress kinases, an event that is associated with organ damage. Recently, a specific, cell-penetrating, protease-resistant inhibitory peptide of the mitogen-activated protein kinase c-JUN N-terminal kinase (JNK) was developed (D-JNKI-1). Here, using this peptide, we tested if inhibition of JNK protects against organ damage after H/R. Male Sprague-Dawley rats were treated with D-JNKI-1 (11 mg/kg, i.p.) or vehicle. Thirty minutes later, rats were hemorrhaged for 1 h to a MAP of 30 to 35 mmHg and then resuscitated with 60% of the shed blood and twice the shed blood volume as Ringer lactate. Tissues were harvested 2 h later. ANOVA with Tukey post hoc analysis or Kruskal-Wallis ANOVA on ranks, P < 0.05, was considered significant. c-JUN N-terminal kinase inhibition decreased serum alanine aminotransferase activity as a marker of liver injury by 70%, serum creatine kinase activity by 67%, and serum lactate dehydrogenase activity by 60% as compared with vehicle treatment. The histological tissue damage observed was blunted after D-JNKI-1 pretreatment both for necrotic and apoptotic cell death. Hepatic leukocyte infiltration and serum IL-6 levels were largely diminished after D-JNKI-1 pretreatment. The extent of oxidative stress as evaluated by immunohistochemical detection of 4-hydroxynonenal was largely abrogated after JNK inhibition. After JNK inhibition, activation of cJUN after H/R was also reduced. Hemorrhage and resuscitation induces a systemic inflammatory response and leads to end-organ damage. These changes are mediated, at least in part, by JNK. Therefore, JNK inhibition deserves further evaluation as a potential treatment option in patients after resuscitated blood loss.

Mitochondrial reactive oxygen species generation triggers inflammatory response and tissue injury associated with hepatic ischemia-reperfusion: Therapeutic potential of mitochondrially targeted antioxidants.

Mitochondrial reactive oxygen species generation has been implicated in the pathophysiology of ischemia-reperfusion (I/R) injury; however, its exact role and its spatial-temporal relationship with inflammation are elusive. Herein we explore the spatial-temporal relationship of oxidative/nitrative stress and inflammatory response during the course of hepatic I/R and the possible therapeutic potential of mitochondrial-targeted antioxidants, using a mouse model of segmental hepatic ischemia-reperfusion injury. Hepatic I/R was characterized by early (at 2h of reperfusion) mitochondrial injury, decreased complex I activity, increased oxidant generation in the liver or liver mitochondria, and profound hepatocellular injury/dysfunction with acute proinflammatory response (TNF-α, MIP-1α/CCL3, MIP-2/CXCL2) without inflammatory cell infiltration, followed by marked neutrophil infiltration and a more pronounced secondary wave of oxidative/nitrative stress in the liver (starting from 6h of reperfusion and peaking at 24h). Mitochondrially targeted antioxidants, MitoQ or Mito-CP, dose-dependently attenuated I/R-induced liver dysfunction, the early and delayed oxidative and nitrative stress response (HNE/carbonyl adducts, malondialdehyde, 8-OHdG, and 3-nitrotyrosine formation), and mitochondrial and histopathological injury/dysfunction, as well as delayed inflammatory cell infiltration and cell death. Mitochondrially generated oxidants play a central role in triggering the deleterious cascade of events associated with hepatic I/R, which may be targeted by novel antioxidants for therapeutic advantage.

Cerebral edema and acute liver failure : pathophysiological mechanisms and new therapeutic approaches

L’encéphalopathie hépatique (EH) se développe chez les patients atteints d’une maladie du foie et se caractérise par de nombreuses anomalies neuropsychiatriques. L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par une perte progressive de l’état de conscience, par une augmentation rapide de l’œdème cérébral et une augmentation de la pression intracrânienne entraînant une herniation cérébrale et la mort. Plusieurs facteurs sont responsables du développement de l’EH mais depuis une centaine d’années, l’hyperammonémie qui peut atteindre des concentrations de l’ordre de plusieurs millimolaires chez les patients atteints d’IHA aux stades de coma est considérée comme un facteur crucial dans la pathogenèse de l’EH. La présente thèse comprend 4 articles suggérant l’implication de nouveaux mécanismes pathogéniques dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA et tente d’expliquer l’effet thérapeutique de l’hypothermie et de la minocycline dans la prévention de l’EH et de l’œdème cérébral: 1. L’IHA induite par dévascularisation hépatique chez le rat se caractérise par une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (IL-6, IL-1, TNF-). Cette observation constitue la première évidence directe que des mécanismes neuro-inflammatoires jouent une rôle dans la pathogenèse de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA (Chapitre 2.1, articles 1 et 2). 2. L’activation de la microglie telle que mesurée par l’expression de marqueurs spécifiques (OX42, OX-6) coïncide avec le développement de l’encéphalopathie (stade coma) et de l’œdème cérébral et s’accompagne d’une production accrue de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (Chapitre 2.1, article 1 et 2). 3. Un stress oxydatif/nitrosatif causé par une augmentation de l’expression de l’oxyde nitrique synthétase et une augmentation de la synthèse d’oxyde nitrique cérébral participe à la pathogénèse des complications neurologiques de l’IHA (Chapitre 2.3, articles 3 et 4). 4. Des traitements anti-inflammatoires tels que l’hypothermie et la minocycline peuvent constituer de nouvelles approches thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA (Chapitre 2.1, article 1; Chapitre 2.2, article 2). 5. Les effets bénéfiques de l’hypothermie et de la minocycline sur les complications neurologiques de l’IHA expérimentale s’expliquent, en partie, par une diminution du stress oxydatif/nitrosatif (Chapitre 2.3, article 3; Chapitre 2.4, article 4).

Estrogen withdrawal and liver fat accumulation : contribution of hepatic VLDL-TG production and effect of exercise training

L’accumulation de triglycérides (TG) dans les hépatocytes est caractéristique de la stéatose hépatique non-alcoolique (SHNA). Cette dernière se produit dans diverses conditions dont le facteur commun est le métabolisme anormal des lipides. Le processus conduisant à l'accumulation des lipides dans le foie n’a pas encore été totalement élucidé. Toutefois, des lipides s'accumulent dans le foie lorsque les mécanismes qui favorisent leur exportation (oxydation et sécrétion) sont insuffisants par rapport aux mécanismes qui favorisent leur importation ou leur biosynthèse. De nos jours il est admis que la carence en œstrogènes est associée au développement de la stéatose hépatique. Bien que les résultats des études récentes révèlent l'implication des hormones ovariennes dans l'accumulation de lipides dans le foie, les mécanismes qui sous-tendent ce phénomène doivent encore être étudiés. En conséquence, les trois études présentées dans cette thèse ont été menées sur des rates ovariectomizées (Ovx), comme modèle animal de femmes post-ménopausées, pour étudier les effets du retrait des œstrogènes sur le métabolisme des lipides dans le foie, en considérant l'entraînement physique comme étant un élément positif pouvant contrecarrer ces effets. Il a été démontré que l'entraînement physique peut réduire l'accumulation de graisses dans le foie chez les rates Ovx. Dans la première étude, nous avons montré que chez les rates Ovx nourries à la diète riche en lipides (HF), les contenus de TG hépatiques étaient élevées (P < 0.01) comparativement aux rates Sham, 5 semaines après la chirurgie. Le changement de la diète HF par la diète standard (SD) chez les rates Sham a diminué l’accumulation de lipides dans le foie. Toutefois, chez les rates Ovx, 8 semaines après le changement de la HF par la SD le niveau de TG dans le foie était maintenu aussi élevé que chez les rates nourries continuellement avec la diète HF. Lorsque les TG hépatiques mesurés à la 13e semaine ont été comparés aux valeurs correspondant au retrait initial de la diète HF effectué à la 5e semaine, les niveaux de TG hépatiques chez les animaux Ovx ont été maintenus, indépendamment du changement du régime alimentaire; tandis que chez les rats Sham le passage à la SD a réduit (P < 0.05) les TG dans le foie. Les mêmes comparaisons avec la concentration des TG plasmatiques ont révélé une relation inverse. Ces résultats suggèrent que la résorption des lipides au foie est contrée par l'absence des œstrogènes. Dans cette continuité, nous avons utilisé une approche physiologique dans notre seconde étude pour investiguer la façon dont la carence en œstrogènes entraîne l’accumulation de graisses dans le foie, en nous focalisant sur la voie de l'exportation des lipides du foie. Les résultats de cette étude ont révélé que le retrait des œstrogènes a entraîné une augmentation (P < 0.01) de l’accumulation de lipides dans le foie en concomitance avec la baisse (P < 0.01) de production de VLDL-TG et une réduction l'ARNm et de la teneur en protéines microsomales de transfert des triglycérides (MTP). Tous ces effets ont été corrigés par la supplémentation en œstrogènes chez les rates Ovx. En outre, l'entraînement physique chez les rates Ovx a entraîné une réduction (P < 0.01) de l’accumulation de lipides dans le foie ainsi qu’une diminution (P < 0.01) de production de VLDL-TG accompagnée de celle de l'expression des gènes MTP et DGAT-2 (diacylglycérol acyltransférase-2). Des études récentes suggèrent que le peptide natriurétique auriculaire (ANP) devrait être au centre des intérêts des recherches sur les métabolismes énergétiques et lipidiques. Le ANP est relâché dans le plasma par les cellules cardiaques lorsque stimulée par l’oxytocine et exerce ses fonctions en se liant à son récepteur, le guanylyl cyclase-A (GC-A). En conséquence, dans la troisième étude, nous avons étudié les effets du blocage du système ocytocine-peptide natriurétique auriculaire (OT-ANP) en utilisant un antagoniste de l’ocytocine (OTA), sur l'expression des gènes guanylyl cyclase-A et certains marqueurs de l’inflammation dans le foie de rates Ovx. Nous avons observé une diminution (P < 0.05) de l’ARNm de la GC-A chez les rates Ovx et Sham sédentaires traitées avec l’OTA, tandis qu’une augmentation (P < 0.05) de l'expression de l’ARNm de la protéine C-réactive (CRP) hépatique a été notée chez ces animaux. L’exercice physique n'a apporté aucun changement sur l'expression hépatique de ces gènes que ce soit chez les rates Ovx ou Sham traitées avec l’OTA. En résumé, pour expliquer l’observation selon laquelle l’accumulation et la résorption de lipides dans le foie dépendent des mécanismes associés à des niveaux d’œstrogènes, nos résultats suggèrent que la diminution de production de VLDL-TG induite par une déficience en œstrogènes, pourrait être un des mecanismes responsables de l’accumulation de lipides dans le foie. L’exercice physique quant à lui diminue l'infiltration de lipides dans le foie ainsi que la production de VLDL-TG indépendamment des niveaux d'œstrogènes. En outre, l'expression des récepteurs de l’ANP a diminué par l'OTA chez les rates Ovx et Sham suggérant une action indirecte de l’ocytocine (OT) au niveau du foie indépendamment de la présence ou non des estrogènes. L’axe ocytocine-peptide natriurétique auriculaire, dans des conditions physiologiques normales, protègerait le foie contre l'inflammation à travers la modulation de l’expression de la GC-A.

Survenue de délirium et/ou coma iatrogénique aux soins intensifs : évaluation de facteurs pouvant influencer le devenir et la toxicité du fentanyl et/ou du midazolam

Dans le milieu clinique des soins intensifs, l’induction du coma médicamenteux (i.e. iatrogénique) par les sédatifs et les analgésiques est souvent associée à une augmentation significative du délirium. De plus, l’utilisation de sédatifs et d’analgésiques comme le fentanyl et le midazolam sans interruption et sans ajustement aux besoins du patient augmentent la durée de séjour, les coûts et la mortalité. Le but de cette étude était d’explorer les facteurs de variabilité pouvant influencer la survenue du coma iatrogénique et du délirium tel que : les facteurs génétiques/sociodémographiques et la co-administration de médicaments substrats ou inhibiteurs de CYP3A4/3A5 ou de la glycoproteine P. L’étude prospective à visée observationnelle a été effectuée à l’unité de soins intensifs de l’hôpital Maisonneuve-Rosemont avec 53 patients perfusés avec fentanyl ou midazolam. La faisabilité du modèle pharmacocinétique du fentanyl a été mise en évidence à partir des échantillons sanguins des patients et était compatible avec les données cliniques. Cette étude montre donc que contrairement au profil génomique de CYP3A5 (p value = 0,521) et MDR1 (p value = 0,828), les effets des interactions médicamenteuses entre les inhibiteurs CYP3A4/CYP3A5 et fentanyl/midazolam représentent un facteur de risque pour le coma iatrogénique (p value = 0,014). Ces effets peuvent être facilement identifiés et sont prévisibles; résultats qui seront utiles aux praticiens – intensivistes dans le choix d’une thérapie pharmacologique appropriée pour prévenir les complications morbides comme le coma iatrogénique et le délirium.

Impact of a neonatal parenteral nutrition on the hepatic activity of methionine adenosyltransferase, a limiting step for glutathione synthesis

Problématique : Le glutathion est une molécule clé de la défense antioxydante. Chez les enfants sous nutrition parentérale (NP), particulièrement les nouveau-nés, sa concentration tissulaire est anormalement basse. Puisque la capacité de synthèse de glutathion est adéquate, un déficit en cystéine, le substrat limitant, est soupçonnée. À cause de son instabilité en solution, la cystéine est peu présente en NP; la méthionine étant le précurseur endogène de cet acide aminé. L’activité de la méthionine adénosyltransférase (MAT), une enzyme essentielle à la transformation de la méthionine en cystéine, est facilement inhibée par l’oxydation. L’hypothèse : Le faible taux de glutathion chez les enfants sous NP est causé par l’inhibition de la MAT par les peroxydes contaminant ces solutions nutritives. Objectif: Mesurer l’impact d’une infusion de NP et de H2O2 sur l’activité hépatique de MAT en relation avec le niveau de glutathion. Méthode : Un cathéter est placé dans la jugulaire droite de cobayes de trois jours de vie. Quatre groupes sont comparés:1- Témoin (animaux aucune manipulation, sans cathéter) 2)-(animaux nourris normalement et le cathéter (noué)); 3) NP (animaux nourris exclusivement par voie intraveineuse (acides aminés + dextrose + lipides + vitamines + électrolytes), cette solution génère environ 400 µM de peroxyde. 4) H2O2 (animaux nourris normalement et recevant via le cathéter 400 µM de H2O2). Après quatre jours, le foie et le sang sont prélevés pour la détermination du glutathion, potentiel redox et l’activité de MAT, glutathion peroxydase et glutathion reductase. Résultats : L’activité de MAT est plus faible dans les groupes NP et H2O2. Le potentiel redox du foie et dans le sang est plus oxydé dans le groupe NP. Tandis que la concentration de GSSG du foie est plus élevée dans le groupe NP. Ainsi la concentration de GSH dans le sang et foie est plus faible dans les NP et H2O2 Discussion: La relation entre l’inhibition de MAT et le stress oxydant observée dans le groupe NP pourrait bien expliquer la perturbation du système glutathion observée chez les nouveau-nés prématurés.

Le rôle de l’inflammation dans le développement des complications neurologiques associées à l’insuffisance hépatique aiguë chez la souris

L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par la perte soudaine de la fonction hépatique résultant de la nécrose massive des hépatocytes en l’absence de pathologie hépatique préexistante. L’IHA s’accompagne de perturbations métaboliques et immunologiques qui peuvent entraîner l’apparition de complications périphériques et cérébrales telles qu’un syndrome de réponse inflammatoire systémique (SIRS), une encéphalopathie hépatique (EH), un œdème cérébral, une augmentation de la pression intracrânienne, et la mort par herniation du tronc cérébral. Les infections sont une complication fréquente de l’IHA et elles sont associées à un risque accru de développer un SIRS et une aggravation subséquente de l’EH avec un taux de mortalité augmenté. L’ammoniaque joue un rôle majeur dans les mécanismes physiopathologiques qui mènent au développement de l’EH et de l’œdème cérébral, et des études récentes suggèrent que les cytokines pro-inflammatoires sont également impliquées. Le but de cette thèse est d’étudier le rôle des cytokines pro-inflammatoires circulantes et cérébrales dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral lors d’IHA. Dans l’article 1, nous démontrons que l’inhibition périphérique du facteur de nécrose tumorale-α (TNF-α) par l’etanercept retarde la progression de l’EH en diminuant le dommage hépatocellulaire, réduisant l’inflammation périphérique et centrale ainsi que le stress oxydatif/nitrosatif hépatique et cérébral associé chez la souris avec une IHA induite par l’azoxyméthane (AOM). Ces résultats démontrent un rôle important du TNF-α dans la physiopathologie de l’EH lors d’IHA d’origine toxique et suggèrent que l’etanercept pourrait constituer une approche thérapeutique dans la prise en charge des patients en attente de transplantation hépatique. Dans l’article 2, nous simulons la présence d’une infection chez la souris avec une IHA induite par l’AOM pour mettre en évidence une éventuelle augmentation de la réponse inflammatoire. Nous démontrons que l’endotoxémie induite par le lipopolysaccharide (LPS) précipite la survenue du coma et aggrave la pathologie hépatique. Les cytokines pro-inflammatoires systémiques et cérébrales sont augmentées de façon synergique par le LPS lors d’IHA et résultent en une activation accrue de la métalloprotéinase matricielle-9 cérébrale qui s’accompagne d’une extravasation d’immunoglobulines G (IgG) dans le parenchyme cérébral. Ces résultats démontrent une augmentation majeure de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) qui contribue à la pathogenèse de l’EH lors d’IHA en condition infectieuse. Les résultats de l’article 3 démontrent que l’augmentation de la perméabilité de la BHE lors d’IHA induite par l’AOM en condition non infectieuse ne résulte pas de l’altération de l’expression des protéines constitutives de la BHE. Dans l’article 4, nous démontrons que l’exposition d’astrocytes en culture à des concentrations physiopathologiques d’ammoniaque ou d’interleukine-1β résulte en l’altération de gènes astrocytaires impliqués dans la régulation du volume cellulaire et dans le stress oxydatif/nitrosatif. Un effet additif est observé dans le cas d’un traitement combiné au niveau des gènes astrocytaires impliqués dans le stress oxydatif/nitrosatif. L’ensemble des résultats de cette thèse démontre un rôle important de l’inflammation périphérique et cérébrale dans la survenue des complications neurologiques lors d’IHA et une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques impliqués pourrait contribuer à la mise en place de stratégies thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA en attente de transplantation.

Selective alterations of brain osmolytes in acute liver failure: protective effect of mild hypothermia.

The principal cause of mortality in patients with acute liver failure (ALF) is brain herniation resulting from intracranial hypertension caused by a progressive increase of brain water. In the present study, ex vivo high-resolution 1H-NMR spectroscopy was used to investigate the effects of ALF, with or without superimposed hypothermia, on brain organic osmolyte concentrations in relation to the severity of encephalopathy and brain edema in rats with ALF due to hepatic devascularization. In normothermic ALF rats, glutamine concentrations in frontal cortex increased more than fourfold at precoma stages, i.e. prior to the onset of severe encephalopathy, but showed no further increase at coma stages. In parallel with glutamine accumulation, the brain organic osmolytes myo-inositol and taurine were significantly decreased in frontal cortex to 63\% and 67\% of control values, respectively, at precoma stages (p<0.01), and to 58\% and 67\%, respectively, at coma stages of encephalopathy (p<0.01). Hypothermia, which prevented brain edema and encephalopathy in ALF rats, significantly attenuated the depletion of myo-inositol and taurine. Brain glutamine concentrations, on the other hand, did not respond to hypothermia. These findings demonstrate that experimental ALF results in selective changes in brain organic osmolytes as a function of the degree of encephalopathy which are associated with brain edema, and provides a further rationale for the continued use of hypothermia in the management of this condition.

Increase brain lactate in hepatic encephalopathy: Cause or consequence?

Hepatic encephalopathy (HE) is a complex neuropsychiatric syndrome which develops as a result of liver failure or disease. Increased concentrations of brain lactate (microdialysate, cerebrospinal fluid, tissue) are commonly measured in patients with HE induced by either acute or chronic liver failure. Whether an increase in brain lactate is a cause or a consequence of HE remains undetermined. A rise in cerebral lactate may occur due to (1) blood-borne lactate (hyperlactataemia) crossing the blood-brain barrier, (2) increased glycolysis due to energy failure or impairment and (3) increased lactate production/release or decreased lactate utilization/uptake. This review explores the different reasons for lactate accumulation in the brain during liver failure and describes the possible roles of lactate in the pathogenesis of HE.

L-ornithine-L-aspartate in experimental portal-systemic encephalopathy: therapeutic efficacy and mechanism of action.

Strategies aimed at the lowering of blood ammonia remain the treatment of choice in portal-systemic encephalopathy (PSE). L-ornithine-L-aspartate (OA) has recently been shown to be effective in the prevention of ammonia-precipitated coma in humans with PSE. These findings prompted the study of mechanisms of the protective effect of OA in portacaval-shunted rats in which reversible coma was precipitated by ammonium acetate administration (3.85 mmol/kg i.p.). OA infusions (300 mg/kg/h, i.v) offered complete protection in 12/12 animals compared to 0/12 saline-infused controls. This protective effect was accompanied by significant reductions of blood ammonia, concomitant increases of urea production and significant increases in blood and cerebrospinal fluid (CSF) glutamate and glutamine. Increased CSF concentrations of leucine and alanine also accompanied the protective effect of OA. These findings demonstrate the therapeutic efficacy of OA in the prevention of ammonia-precipitated coma in portacaval-shunted rats and suggest that this protective effect is both peripherally-mediated (increased urea and glutamine synthesis) and centrally-mediated (increased glutamine synthesis).

Decreased glutamate transporter (GLT-1) expression in frontal cortex of rats with acute liver failure.

It has been suggested that reduced astrocytic uptake of neuronally released glutamate contributes to the pathogenesis of hepatic encephalopathy in acute liver failure. In order to further address this issue, the recently cloned and sequenced astrocytic glutamate transporter GLT-1 was studied in brain preparations from rats with ischemic liver failure induced by portacaval anastomosis followed 24 h later by hepatic artery ligation and from appropriate sham-operated controls. GLT-1 expression was studied using reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR). Expression of GLT-1 transcript was significantly decreased in frontal cortex at coma stages of acute liver failure. Western blotting using a polyclonal antibody to GLT-1 revealed a concomitant decrease in expression of transporter protein in the brains of rats with acute liver failure. Reduced capacity of astrocytes to reuptake neuronally released glutamate, resulting from a GLT-1 transporter deficit and the consequently compromised neuron-astrocytic trafficking of glutamate could contribute to the pathogenesis of hepatic encephalopathy and brain edema, two major complications of acute liver failure.

Effects of hypothermia on brain glucose metabolism in acute liver failure: a H/C-nuclear magnetic resonance study.

Mild hypothermia has a protective effect on brain edema and encephalopathy in both experimental and human acute liver failure. The goals of the present study were to examine the effects of mild hypothermia (35°C) on brain metabolic pathways using combined 1H and 13C-Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, a technique which allows the study not only of metabolite concentrations but also their de novo synthesis via cell-specific pathways in the brain. :1H and 13C NMR spectroscopy using [1-13C] glucose was performed on extracts of frontal cortex obtained from groups of rats with acute liver failure induced by hepatic devascularization whose body temperature was maintained either at 37°C (normothermic) or 35°C (hypothermic), and appropriate sham-operated controls. At coma stages of encephalopathy in the normothermic acute liver failure animals, glutamine concentrations in frontal cortex increased 3.5-fold compared to sham-operated controls (P < 0.001). Comparable increases of brain glutamine were observed in hypothermic animals despite the absence of severe encephalopathy (coma). Brain glutamate and aspartate concentrations were respectively decreased to 60.9% ± 7.7% and 42.2% ± 5.9% (P < 0.01) in normothermic animals with acute liver failure compared to control and were restored to normal values by mild hypothermia. Concentrations of lactate and alanine in frontal cortex were increased to 169.2% ± 15.6% and 267.3% ± 34.0% (P < 0.01) respectively in normothermic rats compared to controls. Furthermore, de novo synthesis of lactate and alanine increased to 446.5% ± 48.7% and 707.9% ± 65.7% (P < 0.001), of control respectively, resulting in increased fractional 13C-enrichments in these cytosolic metabolites. Again, these changes of lactate and alanine concentrations were prevented by mild hypothermia. Mild hypothermia (35°C) prevents the encephalopathy and brain edema resulting from hepatic devascularization, selectively normalizes lactate and alanine synthesis from glucose, and prevents the impairment of oxidative metabolism associated with this model of ALF, but has no significant effect on brain glutamine. These findings suggest that a deficit in brain glucose metabolism rather than glutamine accumulation is the major cause of the cerebral complications of acute liver failure.