Efficacy and mechanism of hypoxic postconditioning in salvage of ex vivo human rectus abdominis muscle from hypoxia/reoxygenation injury

In reconstructive surgery, skeletal muscle may endure protracted ischemia before reperfusion, which can lead to significant ischemia/reperfusion injury. Ischemic postconditioning induced by brief cycles of reperfusion/reocclusion at the end of ischemia has been shown to salvage skeletal muscle from ischemia/reperfusion injury in several animal models. However, ischemic postconditioning has not been confirmed in human skeletal muscle. Using an established in vitro human skeletal muscle hypoxic conditioning model, we tested our hypothesis that hypoxic postconditioning salvages ex vivo human skeletal muscle from hypoxia/reoxygenation injury and the mechanism involves inhibition of opening of the mitochondrial permeability transition pore (mPTP) and preservation of ATP synthesis. Muscle strips (~0.5×0.5×15mm) from human rectus abdominis muscle biopsies were cultured in Krebs-Henseleit-HEPES buffer, bubbled with 95%N(2)/5%CO(2) (hypoxia) or 95%O(2)/5%CO(2) (reoxygenation). Samples were subjected to 3h hypoxia/2h reoxygenation. Hypoxic postconditioning was induced by one or two cycles of 5min reoxygenation/5min hypoxia after 3h hypoxia. Muscle injury, viability and ATP synthesis after 2h of reoxygenation were assessed by measuring lactate dehydrogenase (LDH) release, 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide (MTT) reduction and ATP content, respectively. Hypoxic postconditioning or treatment with the mPTP-opening inhibitors Cyclosporine A (CsA, 5×10(-6)M) or N-Methyl-4-isoleucine Cyclosporine (NIM811, 5×10(-6)M) 10min before reoxygenation decreased LDH release, increased MTT reduction and increased muscle ATP content (n=7 patients; P

Vulnérabilité cardiaque au stress au cours du remodelage ventriculaire pathologique : rôle de la mitochondrie et du pore de perméabilité transitionnelle (PTP)

L’objectif central de cette thèse de Doctorat était d’investiguer les dysfonctions mitochondriales qui surviennent précocement au cours de la phase compensée du remodelage ventriculaire pathologique et qui pourraient jouer un rôle causal dans la progression vers l’insuffisance cardiaque. Nos travaux antérieurs, réalisés à l’aide d’un modèle de surcharge volumique chronique induite par une fistule aorto-cavale (ACF) chez le Rat WKHA, ont montré qu’au cours du remodelage ventriculaire, les mitochondries développaient une vulnérabilité à l’ouverture du pore de perméabilité transitionnelle (PTP : un élément clé de la signalisation de la mort cellulaire) [1]. Ceci était observable au stade compensé du remodelage en absence des dysfonctions mitochondriales majeures typiquement observées dans le cœur insuffisant. Ces résultats nous ont amenés à suggérer que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP pourrait constituer un mécanisme précoce favorisant la progression de la cardiopathie. Dans l’étude 1 de cette thèse, nous avons tenté de tester cette hypothèse en induisant une ACF chez deux souches de rats affichant de très nettes différences au niveau de la propension à développer l’insuffisance cardiaque : les souches WKHA et Sprague Dawley (SD). Nos études in vitro sur organelles isolées et in situ sur l’organe entier ont permis de confirmer que, dans le cœur ACF, les mitochondries développent une vulnérabilité à l’ouverture du PTP et à l’activation de la voie mitochondriale de la mort cellulaire lorsqu’exposées à des stress pertinents à la pathologie (surcharge calcique, ischémie-reperfusion [I-R]). Cependant, bien que comparativement aux animaux WKHA, les animaux SD démontraient un remodelage ventriculaire plus rapide et prononcé et une progression précoce vers l’insuffisance cardiaque, aucune différence n’était observable entre les deux groupes au niveau des dysfonctions mitochondriales, suggérant quelles ne sont pas à l’origine de la progression plus rapide de la pathologie chez la souche SD, à tout le moins en réponse à la surcharge volumique. Nous avons par la suite déterminé, à l’aide des mêmes approches expérimentales, si cette vulnérabilité mitochondriale était observable dans une cardiopathie d’étiologie différente, plus spécifiquement celle qui est associée à la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), une maladie génétique causée par une mutation de la protéine dystrophine. Nos études menées (études 2-4) sur de jeunes souris mdx (le modèle murin de la DMD) exemptes de tout signe clinique de cardiopathie n’ont révélé aucune différence au niveau des fonctions mitochondriales de base. Cependant, tout comme dans le modèle d’ACF, les mitochondries dans le cœur de souris mdx étaient significativement plus vulnérables à l’ouverture du PTP lorsque soumises à une I-R (étude 2). Par ailleurs, nous avons démontré que l’administration aiguë de sildénafil aux souris mdx induisait une abolition de l’ouverture du PTP et de ses conséquences signalétiques, une diminution marquée du dommage tissulaire et une meilleure récupération fonctionnelle à la suite de l’I-R (étude 3). Nous avons ensuite testé chez la souris mdx l’administration aiguë de SS31, un peptide anti-oxydant ciblé aux mitochondries, cependant aucun effet protecteur n’a été observé, suggérant que le tamponnement des radicaux libres est d’une utilité limitée si les perturbations de l’homéostasie calcique typiques à cette pathologie ne sont pas traitées simultanément (étude 4). Globalement, les travaux effectués au cours de cette thèse démontrent que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP constitue une dysfonction précoce et commune qui survient au cours de remodelages ventriculaires pathologiques d’étiologies différentes. Par ailleurs, ces travaux suggèrent des stratégies d’intervention pharmacologiques ciblant ce processus, dont l’efficacité pour la prévention de l’insuffisance cardiaque demande à être établie.

Effet de l'hypertrophie cardiaque physiologique et pathologique sur la régulation du pore de perméabilité transitionnelle

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Implication de la cyclophiline-D et du pore de perméabilité transitionnelle dans la vulnérabilité mitochondriale du coeur hypertrophié

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

A mitochondrial perspective on striated muscle physiopathology: insights from sepsis, denervation, and dystrophinopathies.

La mitochondrie est de plus en plus reconnue pour sa contribution à la dégénerescence musculaire. Les dysfonctions mitochondriales, en plus de causer une défaillance énergétique, contribuent à la signalisation apoptotique, stimule la production de ROS et peuvent induire une surcharge calcique. Ces caractéristiques sont tous reliées à certains types de myopathies. Cette thèse met en lumières comment certaines dysfonctions mitochondriales peuvent intervenir dans la pathogenèse de diverses myopathies. Nous démontrons que les dysfonctions mitochondriales sont impliqués dans l’atrophie dû à la perte d’innervation. Par contre, la désensabilisation de l’ouverture du pore mitochondrial de transition de perméabilité, via ablation génétique de cyclophiline-D, ne prévient ni la signalisation apoptotique mitochondrial ni l’atrophie. Nous avons aussi observé des dysfonctions mitochondriales dans le muscle atteint de dystrophie musculaire de Duchenne qui furent améliorés suite à une transfection de PGC1-α, laquelle résulta aussi en une amélioration de la pathologie. Finalement, nous démontrons que le recyclage de mitochondrie par les voies de mitophagies et de contrôles de la qualité impliquant Parkin et possiblement d’autres voies de signalisation inconnues sont cruciales au recouvrement cardiaqe lors d’un choc septique.

Role of E3-ligase parkin in mitochondrial quality control in a cardiotoxicity model to anthracyclines

Dues à leur importance croissante dans la dégénérescence musculaire, les mitochondries sont de plus en plus étudiées en relation à diverses myopathies. Leurs mécanismes de contrôle de qualité sont reconnus pour leur rôle important dans la santé mitochondrial. Dans cette étude, nous tentons de déterminer si le déficit de mitophagie chez les souris déficiente du gène Parkin causera une exacerbation des dysfonctions mitochondriales normalement induite par la doxorubicine. Nous avons analysé l’impact de l’ablation de Parkin en réponse à un traitement à la doxorubicine au niveau du fonctionnement cardiaque, des fonctions mitochondriales et de l’enzymologie mitochondriale. Nos résultats démontrent qu’à l’état basal, l’absence de Parkin n’induit pas de pathologie cardiaque mais est associé à des dysfonctions mitochondriales multiples. La doxorubicine induit des dysfonctions respiratoires, du stress oxydant mitochondrial et une susceptibilité à l’ouverture du pore de transition de perméabilité (PTP). Finalement, contrairement à notre hypothèse, l’absence de Parkin n’accentue pas les dysfonctions mitochondriales induites par la doxorubicine et semble même exercer un effet protecteur.

Effet des acides gras polyinsaturés EPA et DHA dans un modèle d’infarctus du myocarde

Plusieurs études montrent que les acides gras (AG) oméga-3 sont bénéfiques pour la santé cardiovasculaire. Une étude antérieure dans notre laboratoire a montré que l’administration des acides gras oméga-3 réduit la taille de l'infarctus du myocarde (IM). Cependant, la question demeure de savoir si les deux principaux acides gras oméga-3 à longue chaîne, l'acide eicosapentaénoïque (EPA) et l'acide docosahexaénoïque (DHA) possèdent la même efficacité à réduire la taille de l'infarctus. Le but de ce projet sera de déterminer l’efficacité relative de chacun de ces acides gras oméga-3 à protéger le cœur dans un modèle d’ischémie/reperfusion et d’étudier certaines voies de cardioprotection. Des rats mâles adultes Sprague-Dawley ont été nourris pendant 14 jours avec une diète comprenant l'un: 1- aucun AG oméga-3; 2- 5 g d'EPA / kg de nourriture; 3- 5 g de DHA / kg de nourriture; 4- 2,5 g de chaque oméga-3 AG / kg de nourriture; 5- 5 g chaque AG oméga-3 / kg de nourriture. Par la suite, les animaux ont été soumis à une ischémie pendant 40 minutes, causée par l'occlusion de l'artère coronaire gauche descendante. Au bout de 24 heures de reperfusion, la taille de l'infarctus est déterminée. Dans un sous-groupe d'animaux, l'activité d’Akt et des caspase-3 sont mesurées dans la région ischémique après 30 minutes de reperfusion. Finalement, à 15 minutes de reperfusion, l'ouverture du pore de transition de perméabilité mitochondriale mPTP est déterminée dans un autre sous-groupe. Les résultats indiquent que les diètes EPA ou DHA réduisent de manière significative la taille de l'infarctus par rapport à la diète sans AG oméga-3, tandis que la combinaison de deux acides gras oméga-3 n'a pas montré de diminution de la taille de l'infarctus. L'activité de la caspase-3 est réduite pour le groupe DHA puis, l'activité d'Akt est augmentée avec les diètes EPA et DHA seules. Finalement, en présence d’une diète enrichie uniquement de DHA, l'ouverture des mPTP est retardée comparativement aux autres diètes.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

c-Jun N-terminal kinase (JNK)-mediated modulation of brain mitochondria function: new target proteins for JNK signalling in mitochondrion-dependent apoptosis

The molecular mechanisms underlying the initiation and control of the release of cytochrome c during mitochondrion-dependent apoptosis are thought to involve the phosphorylation of mitochondrial Bcl-2 and Bcl-x(L). Although the c-Jun N-terminal kinase (JNK) has been proposed to mediate the phosphorylation of Bcl-2/Bcl-x(L) the mechanisms linking the modification of these proteins and the release of cytochrome c remain to be elucidated. This study was aimed at establishing interdependency between JNK signalling and mitochondrial apoptosis. Using an experimental model consisting of isolated, bioenergetically competent rat brain mitochondria, these studies show that (i) JNK catalysed the phosphorylation of Bcl-2 and Bcl-x(L) as well as other mitochondrial proteins, as shown by two-dimensional isoelectric focusing/SDS/PAGE; (ii) JNK-induced cytochrome c release, in a process independent of the permeability transition of the inner mitochondrial membrane (imPT) and insensitive to cyclosporin A; (iii) JNK mediated a partial collapse of the mitochondrial inner-membrane potential (Deltapsim) in an imPT- and cyclosporin A-independent manner; and (iv) JNK was unable to induce imPT/swelling and did not act as a co-inducer, but as an inhibitor of Ca-induced imPT. The results are discussed with regard to the functional link between the Deltapsim and factors influencing the permeability transition of the inner and outer mitochondrial membranes. Taken together, JNK-dependent phosphorylation of mitochondrial proteins including, but not limited to, Bcl-2/Bcl-x(L) may represent a potential of the modulation of mitochondrial function during apoptosis.

Cramoll 1,4 lectin increases ROS production, calcium levels, and cytokine expression in treated spleen cells of rats

This study reports the in vivo stimulatory effects of Cramoll 1,4 on rat spleen lymphocytes as evidenced by an increase in intracellular reactive oxygen species (ROS) production, Ca(2+) levels, and interleukin (IL)-1 beta expression. Cramoll 1,4 extracted from seeds of the Leguminosae Cratylia mollis Mart., is a lectin with antitumor and lymphocyte mitogenic activities. Animals (Nine-week-old male albino Wistar rats, Rattus norvegicus) were treated with intraperitoneal injection of Cramoll 1,4 (235 mu g ml(-1) single dose) and, 7 days later, spleen lymphocytes were isolated and analyzed for intracellular ROS, cytosolic Ca(2+), and IL-6, IL-10, and IL-1 mRNAs. Cell viability was investigated by annexin V-FITC and 7-amino-actinomycin D staining. The data showed that in lymphocytes activated by Cramoll 1,4 the increase in cytosolic and mitochondrial ROS was related to higher cytosolic Ca(2+) levels. Apoptosis and necrosis were not detected in statistically significant values and thus the lectin effector activities did not induce lymphocyte death. In vivo Cramoll 1,4 treatment led to a significant increase in IL-1 beta but IL-6 and -10 levels did not change. Cramoll 1,4 had modulator activities on spleen lymphocytes and stimulated the Th2 response.

Microcystins -LA, -YR, and -LR action on neutrophil migration

Microcystins (MCs) produced by some freshwater cyanobacterial species possess potent liver toxicity as evidenced by acute neutrophil infiltration. Here, we investigate the ability of three structurally distinct toxins (MC-LA, MC-LR, and MC-YR) to evoke neutrophil recruitment per se and their effects on migration pathways. Intravital Microscopic Studies showed that topical application of only MC-LR enhanced the numbers of rolling and adhered leukocytes in the endothelium of postcapillary mesenteric venules. The latter effects may be dependent upon induction of the synthesis and expression Of L-selectin and beta(2)-integrin in neutrophils, as assessed by flow cytometry and RT-PCR, respectively. Conversely, the three toxins promoted direct locomotion of neutrophils and enhanced their migration in response to NO, as measured by Boyden chamber assays, and increased intracellular calcium, a messenger in the chemotaxic process. In conclusion, our results show that MCs act on specific pathways of neutrophil recruitment, indicating their potential effect on neutrophils activation. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Biological effects of anionic meso-tetrakis (para-sulfonatophenyl) porphyrins modulated by the metal center. Studies in rat liver mitochondria

In this paper, we present a study about the influence of the porphyrin metal center and mesa ligands on the biological effects of meso-tetrakis porphyrins. Different from the cationic meso-tetrakis 4-N-methyl pyridinium (Mn(III)TMPyP), the anionic Mn(III) meso-tetrakis (para-sulfonatophenyl) porphyrin (Mn(III)TPPS4) exhibited no protector effect against Fe(citrate)-induced lipid oxidation. Mn(III)TPPS4 did not protect mitochondria against endogenous hydrogen peroxide and only delayed the swelling caused by tert-BuOOH and Ca(2+). Fe(III)TPPS4 exacerbated the effect of the tert-BuOOH, and both porphyrins did not significantly affect Fe(II)citrate-induced swelling. Consistently, Fe(III)TPPS4 predominantly promotes the homolytic cleavage of peroxides and exhibits catalytic efficiency ten-fold higher than Mn(III)TPPS4. For Mn(III)TPPS4, the microenvironment of rat liver mitochondria favors the heterolytic cleavage of peroxides and increases the catalytic efficiency of the manganese porphyrin due to the availability of axial ligands for the metal center and reducing agents such as glutathione (GSH) and proteins necessary for Compound II (oxomanganese IV) recycling to the initial Mn(III) form. The use of thiol reducing agents for the recycling of Mn(III)TPPS4 leads to GSH depletion and protein oxidation and consequent damages in the organelle. (C) 2009 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

pH-Sensitive Binding of Cytochrome c to the Inner Mitochondrial Membrane. Implications for the Participation of the Protein in Cell Respiration and Apoptosis

Cytochrome c exhibits two positively charged sites: site A containing lysine residues with high pK(a) values and site L containing ionizable groups with pK(aobs),values around 7.0. This protein feature implies that cytochrome c can participate in the fusion of mitochondria and have its detachment from the inner membrane regulated by cell acidosis and alkalosis. In this study, We demonstrated that both horse and tuna cytochrome c exhibited two types of binding to inner mitochondrial membranes that contributed to respiration: a high-affinity and low-efficiency pi-I-independent binding (microscopic dissociation constant K(sapp2), similar to 10 nM) and a low-affinity and high-efficiency pH-dependent binding that for horse cytochrome c had a pK(a) of similar to 6.7. For tuna cytochrome c (Lys22 and His33 replaced with Asn and Trp, respectively), the effect of pH on K(sapp1), was less striking than for the horse heme protein, and both tuna and horse cytochrome c had closed K(sapp1) values at pH 7.2 and 6.2, respectively. Recombinant mutated cytochrome c H26N and H33N also restored the respiration of the cytochrome c-depleted mitoplast in a pH-dependent manner. Consistently, the detachment of cytochrome c from nondepleted mitoplasts was favored by alkalinization, suggesting that site Lionization influences the participation of cytochrome c in the respiratory chain and apoptosis.

Mitochondrial bioenergetics and redox state are unaltered in Trypanosoma cruzi isolates with compromised mitochondrial complex I subunit genes

In trypanosomatids the involvement of mitochondrial complex I in NADH oxidation has long been debated. Here, we took advantage of natural Trypanosoma cruzi mutants which present conspicuous deletions in ND4, ND5 and ND7 genes coding for complex I subunits to further investigate its functionality. Mitochondrial bioenergetics of wild type and complex I mutants showed no significant differences in oxygen consumption or respiratory control ratios in the presence of NADH-linked substrates or FADH(2)-generating succinate. No correlation could be established between mitochondrial membrane potentials and ND deletions. Since release of reactive oxygen species occurs at complex I, we measured mitochondrial H(2)O(2) formation induced by different substrates. Significant differences not associated to ND deletions were observed among the parasite isolates, demonstrating that these mutations are not important for the control of oxidant production. Our data support the notion that complex I has a limited function in T. cruzi.

trans, trans-2,4-decadienal induces mitochondrial dysfunction and oxidative stress

Lipid peroxidation produces a large number of reactive aldehydes as secondary products. We have previously shown that the reaction of cytochrome c with trans,trans-2, 4-decadienal (DDE), an aldehyde generated as a product of lipid peroxidation in cell membranes, results in the formation of adducts. Mass spectrometry analysis indicated that His-33, Lys-39, Lys-72 and Lys-100 in cytochrome c were modified by DDE. In the present work, we investigated the effect of DDE on isolated rat liver mitochondria. DDE (162 mu M) treatment increases the rate of mitochondrial oxygen consumption. Extensive mitochondrial swelling upon treatment with DDE (900 nM-162 mu M) was observed by light scattering and transmission electron microscopy experiments. DDE-induced loss of inner mitochondrial membrane potentials, monitored by safranin O fluorescence, was also observed. Furthermore, DDE-treated mitochondria showed an increase in lipid peroxidation, as monitored by MDA formation. These results suggest that reactive aldehydes promote mitochondrial dysfunction.