The cyclophilin inhibitor alisporivir prevents hepatitis C virus-mediated mitochondrial dysfunction.

Alisporivir (Debio-025) is an analogue of cyclosporine A and represents the prototype of a new class of non-immunosuppressive cyclophilin inhibitors. In vitro and in vivo studies have shown that alisporivir inhibits hepatitis C virus (HCV) replication, and ongoing clinical trials are exploring its therapeutic potential in patients with chronic hepatitis C. Recent data suggest that the antiviral effect is mediated by inhibition of cyclophilin A, which is an essential host factor in the HCV life cycle. However, alisporivir also inhibits mitochondrial permeability transition by binding to cyclophilin D. Because HCV is known to affect mitochondrial function, we explored the effect of alisporivir on HCV protein-mediated mitochondrial dysfunction. Through the use of inducible cell lines, which allow to investigate the effects of HCV polyprotein expression independent from viral RNA replication and which recapitulate the major alterations of mitochondrial bioenergetics observed in infectious cell systems, we show that alisporivir prevents HCV protein-mediated decrease of cell respiration, collapse of mitochondrial membrane potential, overproduction of reactive oxygen species and mitochondrial calcium overload. Strikingly, some of the HCV-mediated mitochondrial dysfunctions could even be rescued by alisporivir. Conclusion: These observations provide new insights into the pathogenesis of HCV-related liver disease and reveal an additional mechanism of action of alisporivir that is likely beneficial in the treatment of chronic hepatitis C. (HEPATOLOGY 2012).

Mitochondrial apoptosis is dispensable for NLRP3 inflammasome activation but non-apoptotic caspase-8 is required for inflammasome priming.

A current paradigm proposes that mitochondrial damage is a critical determinant of NLRP3 inflammasome activation. Here, we genetically assess whether mitochondrial signalling represents a unified mechanism to explain how NLRP3 is activated by divergent stimuli. Neither co-deletion of the essential executioners of mitochondrial apoptosis BAK and BAX, nor removal of the mitochondrial permeability transition pore component cyclophilin D, nor loss of the mitophagy regulator Parkin, nor deficiency in MAVS affects NLRP3 inflammasome function. In contrast, caspase-8, a caspase essential for death-receptor-mediated apoptosis, is required for efficient Toll-like-receptor-induced inflammasome priming and cytokine production. Collectively, these results demonstrate that mitochondrial apoptosis is not required for NLRP3 activation, and highlight an important non-apoptotic role for caspase-8 in regulating inflammasome activation and pro-inflammatory cytokine levels.

Pathophysiological mechanisms of catecholamine and cocaine-mediated cardiotoxicity.

Overactivation of the sympatho-adrenergic system is an essential mechanism providing short-term adaptation to the stressful conditions of critical illnesses. In the same way, the administration of exogenous catecholamines is mandatory to support the failing circulation in acutely ill patients. In contrast to these short-term benefits, prolonged adrenergic stress is detrimental to the cardiovascular system by initiating a series of adverse effects triggering significant cardiotoxicity, whose pathophysiological mechanisms are complex and only partially elucidated. In addition to the development of myocardial oxygen supply/demand imbalance induced by the sustained activation of adrenergic receptors, catecholamines can damage cardiomyocytes by fostering mitochondrial dysfunction, via two main mechanisms. The first one is calcium overload, consecutive to β-adrenergic receptor-mediated activation of protein kinase A and subsequent phosphorylation of multiple Ca(2+)-cycling proteins. The second one is oxidative stress, primarily related to the transformation of catecholamines into "aminochromes," which undergo redox cycling in mitochondria to generate copious amounts of oxygen-derived free radicals. In turn, calcium overload and oxidative stress promote mitochondrial permeability transition and cardiomyocyte cell death, both via the apoptotic and necrotic pathways. Comparable mechanisms of myocardial toxicity, including marked oxidative stress and mitochondrial dysfunction, have been reported with the use of cocaine, a common recreational drug with potent sympathomimetic activity. The aim of the current review is to present in detail the pathophysiological processes underlying the development of catecholamine and cocaine-induced cardiomyopathy, as such conditions may be frequently encountered in the clinical practice of cardiologists and ICU specialists.

Alternative mitochondrial functions in cell physiopathology: beyond ATP production

It is well known that mitochondria are the main site for ATP generation within most tissues. However, mitochondria also participate in a surprising number of alternative activities, including intracellular Ca2+ regulation, thermogenesis and the control of apoptosis. In addition, mitochondria are the main cellular generators of reactive oxygen species, and may trigger necrotic cell death under conditions of oxidative stress. This review concentrates on these alternative mitochondrial functions, and their role in cell physiopathology.

Mitochondria, calcium and pro-apoptotic proteins as mediators in cell death signaling

Cellular Ca2+ signals are crucial in the control of most physiological processes, cell injury and programmed cell death through the regulation of a number of Ca2+-dependent enzymes such as phospholipases, proteases, and nucleases. Mitochondria along with the endoplasmic reticulum play pivotal roles in regulating intracellular Ca2+ content. Mitochondria are endowed with multiple Ca2+ transport mechanisms by which they take up and release Ca2+ across their inner membrane. During cellular Ca2+ overload, mitochondria take up cytosolic Ca2+, which in turn induces opening of permeability transition pores and disrupts the mitochondrial membrane potential (Dym). The collapse of Dym along with the release of cytochrome c from mitochondria is followed by the activation of caspases, nuclear fragmentation and cell death. Members of the Bcl-2 family are a group of proteins that play important roles in apoptosis regulation. Members of this family appear to differentially regulate intracellular Ca2+ level. Translocation of Bax, an apoptotic signaling protein, from the cytosol to the mitochondrial membrane is another step in this apoptosis signaling pathway.

Mitochondrial K+ transport and cardiac protection during ischemia/reperfusion

Mitochondrial ion transport, oxidative phosphorylation, redox balance, and physical integrity are key factors in tissue survival following potentially damaging conditions such as ischemia/reperfusion. Recent research has demonstrated that pharmacologically activated inner mitochondrial membrane ATP-sensitive K+ channels (mitoK ATP) are strongly cardioprotective under these conditions. Furthermore, mitoK ATP are physiologically activated during ischemic preconditioning, a procedure which protects against ischemic damage. In this review, we discuss mechanisms by which mitoK ATP may be activated during preconditioning and the mitochondrial and cellular consequences of this activation, focusing on end-effects which may promote ischemic protection. These effects include decreased loss of tissue ATP through reverse activity of ATP synthase due to increased mitochondrial matrix volumes and lower transport of adenine nucleotides into the matrix. MitoK ATP also decreases the release of mitochondrial reactive oxygen species by promoting mild uncoupling in concert with K+/H+ exchange. Finally, mitoK ATP activity may inhibit mitochondrial Ca2+ uptake during ischemia, which, together with decreased reactive oxygen release, can prevent mitochondrial permeability transition, loss of organelle function, and loss of physical integrity. We discuss how mitochondrial redox status, K+ transport, Ca2+ transport, and permeability transitions are interrelated during ischemia/reperfusion and are determinant factors regarding the extent of tissue damage.

A mechanistic view of mitochondrial death decision pores

Mitochondria increase their outer and inner membrane permeability to solutes, protons and metabolites in response to a variety of extrinsic and intrinsic signaling events. The maintenance of cellular and intraorganelle ionic homeostasis, particularly for Ca2+, can determine cell survival or death. Mitochondrial death decision is centered on two processes: inner membrane permeabilization, such as that promoted by the mitochondrial permeability transition pore, formed across inner membranes when Ca2+ reaches a critical threshold, and mitochondrial outer membrane permeabilization, in which the pro-apoptotic proteins BID, BAX, and BAK play active roles. Membrane permeabilization leads to the release of apoptogenic proteins: cytochrome c, apoptosis-inducing factor, Smac/Diablo, HtrA2/Omi, and endonuclease G. Cytochrome c initiates the proteolytic activation of caspases, which in turn cleave hundreds of proteins to produce the morphological and biochemical changes of apoptosis. Voltage-dependent anion channel, cyclophilin D, adenine nucleotide translocase, and the pro-apoptotic proteins BID, BAX, and BAK may be part of the molecular composition of membrane pores leading to mitochondrial permeabilization, but this remains a central question to be resolved. Other transporting pores and channels, including the ceramide channel, the mitochondrial apoptosis-induced channel, as well as a non-specific outer membrane rupture may also be potential release pathways for these apoptogenic factors. In this review, we discuss the mechanistic models by which reactive oxygen species and caspases, via structural and conformational changes of membrane lipids and proteins, promote conditions for inner/outer membrane permeabilization, which may be followed by either opening of pores or a rupture of the outer mitochondrial membrane.

Propofol inhibits burn injury-induced hyperpermeability through an apoptotic signal pathway in microvascular endothelial cells

Recent studies have revealed that an intrinsic apoptotic signaling cascade is involved in vascular hyperpermeability and endothelial barrier dysfunction. Propofol (2,6-diisopropylphenol) has also been reported to inhibit apoptotic signaling by regulating mitochondrial permeability transition pore (mPTP) opening and caspase-3 activation. Here, we investigated whether propofol could alleviate burn serum-induced endothelial hyperpermeability through the inhibition of the intrinsic apoptotic signaling cascade. Rat lung microvascular endothelial cells (RLMVECs) were pretreated with propofol at various concentrations, followed by stimulation with burn serum, obtained from burn-injury rats. Monolayer permeability was determined by transendothelial electrical resistance. Mitochondrial release of cytochrome C was measured by ELISA. Bax and Bcl-2 expression and mitochondrial release of second mitochondrial-derived activator of caspases (smac) were detected by Western blotting. Caspase-3 activity was assessed by fluorometric assay; mitochondrial membrane potential (Δψm) was determined with JC-1 (a potential-sensitive fluorescent dye). Intracellular ATP content was assayed using a commercial kit, and reactive oxygen species (ROS) were measured by dichlorodihydrofluorescein diacetate (DCFH-DA). Burn serum significantly increased monolayer permeability (P<0.05), and this effect could be inhibited by propofol (P<0.05). Compared with a sham treatment group, intrinsic apoptotic signaling activation - indicated by Bax overexpression, Bcl-2 downregulation, Δψm reduction, decreased intracellular ATP level, increased cytosolic cytochrome C and smac, and caspase-3 activation - was observed in the vehicle group. Propofol not only attenuated these alterations (P<0.05 for all), but also significantly decreased burn-induced ROS production (P<0.05). Propofol attenuated burn-induced RLMVEC monolayer hyperpermeability by regulating the intrinsic apoptotic signaling pathway.

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.