Towards a polymeric binding mimic for cytochrome CYP2D6

A series of fluorescent molecularly imprinted polymers has been prepared with a view to generating material capable of mimicking the binding characteristics of the metabolically important cytochrome isoform CYP2D6. Such polymers would have the possibility to form the sensing element in a high-throughput assay for the prediction of CYP2D6 affinity. The imprinted polymers possessed binding-dependent fluorescence. They re-bound their templates and various cross-reactivities were encountered for test compound/drug recognition. One polymer in particular exhibited a rational discrimination amongst the related synthetic templates and was reasonably successful in recognising CYP2D6 substrates from a drug panel. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis of sulforaphane and inhibition of cytochrome P450 enzymes as a basis for antigenotoxicity

Many dietary factors have been associated with a decreased risk of developing cancer. One potential mechanism by which these factors, chemopreventors, protect against cancer may be via alteration of carcinogen metabolism. The broccoli constituent sulforaphane (1-isothiocyanate-4-methylsulinylbutane) (CH3-S0-(CH2)4-NCS) has been isolated as a potential inducer of phase II detoxification enzymes and also protects rodents against 9,10-dimethyl-1,2-benz[aJanthracene-induced mammary tumours. The ability of sulforaphane to also modulate phase I activation enzymes (cytochrome P450) (CYP450) was studied here. Sulforaphane was synthesised with an overall yield of 15%, essentially via 1-methylsulfinylphthalimidobutane, which was oxidised to the sulfoxide moiety. Deprotective removal of phthalimide yielded the amine, which was converted into sulforaphane by reaction with N,N'-thionocarbonyldiimidazole. Purity (95 %) was checked by 1H-NMR,13C-NMR and infrared and mass spectrometry.Sulforaphane was a competitive inhibitor of CYP2E1 in acetone-induced Sprague-Dawley rat microsomes (Ki 37.9 ± 4.5μM), as measured by the p-nitrophenol hydroxylase assay. Ethoxyresorufin deethylase activity (EROD), a measurement of CYP1A activity, was also inhibited by sulforaphane (100μM) but was not competitive, and a preincubation time-dependence was observed. In view of these results, the capacity of sulforaphane to inhibit N-nitrosodimethylamine (NDMA)-induced genotoxicity (CYP2E1-mediated) was studied using mouse liver activation systems. Sulforaphane (>0.8μM) inhibited the mutagenicity of NDMA (4.4 mg/plate) in Salmonella typhimurium strain TA100 after pre-incubation for 45 min with acetone-induced liver 9000 g supernatants from Balb/c mice. Unscheduled DNA synthesis induced by NDMA (33μ5 M) in mouse hepatocytes was also reduced by sulforaphane in a concentration-dependent manner (0.064-20μM). Sulforaphane was not genotoxic itself in any of these systems and cytotoxic only at high concentrations (>0.5 mM and > 40μM respectively). The ability of sulforaphane to modulate the orthologous human enzymes was studied using a human epithelial liver cell line (THLE) expressing individual human CYP450 isoenzymes. Using the Comet assay (a measurement of DNA strand breakage under alkaline conditions), NDMA (0.01-1μg/ml) and IQ (0.1-10μg/ml) were used to produce strand breaks in T5-2E1 cells (expressing human CYP2E1) and T5-1A2 cells (expressing human CYP1A2) respectively, however no response was observed in T5-neo cells (without CYP450 cDNA transfection). Sulforaphane inhibited both NDMA and IQ-induced DNA strand breakage in a concentration-dependent manner (0.1-10μM).The inhibition of metabolic activation as a basis for the antigenotoxic action of sulforaphane in these systems (bacteria, rodent hepatocytes and human cells) is further supported by the lack of this chemopreventor to influence NaN3 mutagenicity in S. typhimurium and H202-induced DNA strand breakage in T5-neo cells. These findings suggest that inhibition of CYP2E1 and CYP1A by sulforaphane may contribute to its chemoprotective potential.

Experiment: Elevated temperature and PCO2 affect enzyme activities in differentially oxidative tissues of Notothenia rossii

Mitochondrial plasticity plays a central role in setting the capacity for acclimation of aerobic metabolism in ectotherms in response to environmental changes. We still lack a clear picture if and to what extent the energy metabolism and mitochondrial enzymes of Antarctic fish can compensate for changing temperatures or PCO2 and whether capacities for compensation differ between tissues. We therefore measured activities of key mitochondrial enzymes (citrate synthase (CS), cytochrome c oxidase (COX)) from heart, red muscle, white muscle and liver in the Antarctic fish Notothenia rossii after warm- (7 °C) and hypercapnia- (0.2 kPa CO2) acclimation vs. control conditions (1 °C, 0.04 kPa CO2). In heart, enzymes showed elevated activities after cold-hypercapnia acclimation, and a warm-acclimation-induced upward shift in thermal optima. The strongest increase in enzyme activities in response to hypercapnia occurred in red muscle. In white muscle, enzyme activities were temperature-compensated. CS activity in liver decreased after warm-normocapnia acclimation (temperature-compensation), while COX activities were lower after cold- and warm-hypercapnia exposure, but increased after warm-normocapnia acclimation. In conclusion, warm-acclimated N. rossii display low thermal compensation in response to rising energy demand in highly aerobic tissues, such as heart and red muscle. Chronic environmental hypercapnia elicits increased enzyme activities in these tissues, possibly to compensate for an elevated energy demand for acid-base regulation or a compromised mitochondrial metabolism, that is predicted to occur in response to hypercapnia exposure. This might be supported by enhanced metabolisation of liver energy stores. These patterns reflect a limited capacity of N. rossii to reorganise energy metabolism in response to rising temperature and PCO2.

MitoVitE limits paclitaxel-induced oxidative stress and mitochondrial damage in vitro, and paclitaxel-induced mechanical hypersensitivity in vivo

The study was funded by the Association of Anaesthetists of Great Britain and Ireland, the British Journal of Anaesthesia/Royal College of Anaesthetists (PhD studentship award to BM) and the Melville Trust.

Mitochondrial DNA damage induced autophagy, cell death, and disease.

Mammalian mitochondria contain multiple small genomes. While these organelles have efficient base excision removal of oxidative DNA lesions and alkylation damage, many DNA repair systems that work on nuclear DNA damage are not active in mitochondria. What is the fate of DNA damage in the mitochondria that cannot be repaired or that overwhelms the repair system? Some forms of mitochondrial DNA damage can apparently trigger mitochondrial DNA destruction, either via direct degradation or through specific forms of autophagy, such as mitophagy. However, accumulation of certain types of mitochondrial damage, in the absence of DNA ligase III (Lig3) or exonuclease G (EXOG), can directly trigger cell death. This review examines the cellular effects of persistent damage to mitochondrial genomes and discusses the very different cell fates that occur in response to different kinds of damage.

Resolving taxonomic uncertainty in vulnerable elasmobranchs: are the Madeira skate (Raja maderensis) and the thornback ray (Raja clavata) distinct species?

Skates and rays constitute the most speciose group of chondrichthyan fishes, yet are characterised by remarkable levels of morphological and ecological conservatism. They can be challenging to identify, which makes monitoring species compositions for fisheries management purposes problematic. Owing to their slow growth and low fecundity, skates are vulnerable to exploitation and species exhibiting endemism or limited ranges are considered to be the most at risk. The Madeira skate Raja maderensis is endemic and classified as ‘Data Deficient’ by the IUCN, yet its taxonomic distinctiveness from the morphologically similar and more wide-ranging thornback ray Raja clavata is unresolved. This study evaluated the sequence divergence of both the variable control region and cytochrome oxidase I ‘DNA barcode’ gene of the mitochondrial genome to elucidate the genetic differentiation of specimens identified as R. maderensis and R. clavata collected across much of their geographic ranges. Genetic evidence was insufficient to support the different species designations. However regardless of putative species identification, individuals occupying waters around the Azores and North African Seamounts represent an evolutionarily significant unit worthy of special consideration for conservation management.

Resolving taxonomic uncertainty in vulnerable elasmobranchs: are the Madeira skate (Raja maderensis) and the thornback ray (Raja clavata) distinct species?

Skates and rays constitute the most speciose group of chondrichthyan fishes, yet are characterised by remarkable levels of morphological and ecological conservatism. They can be challenging to identify, which makes monitoring species compositions for fisheries management purposes problematic. Owing to their slow growth and low fecundity, skates are vulnerable to exploitation and species exhibiting endemism or limited ranges are considered to be the most at risk. The Madeira skate Raja maderensis is endemic and classified as ‘Data Deficient’ by the IUCN, yet its taxonomic distinctiveness from the morphologically similar and more wide-ranging thornback ray Raja clavata is unresolved. This study evaluated the sequence divergence of both the variable control region and cytochrome oxidase I ‘DNA barcode’ gene of the mitochondrial genome to elucidate the genetic differentiation of specimens identified as R. maderensis and R. clavata collected across much of their geographic ranges. Genetic evidence was insufficient to support the different species designations. However regardless of putative species identification, individuals occupying waters around the Azores and North African Seamounts represent an evolutionarily significant unit worthy of special consideration for conservation management.

The enteropathogenic Escherichia coli effector NleH inhibits apoptosis induced by Clostridium difficile toxin B

Clostridium difficile is a leading cause of nosocomial infections, causing a spectrum of diseases ranging from diarrhoea to pseudomembranous colitis triggered by a range of virulence factors including C. difficile toxins A (TcdA) and B (TcdB). TcdA and TcdB are monoglucosyltransferases that irreversibly glycosylate small Rho GTPases, inhibiting their ability to interact with their effectors, guanine nucleotide exchange factors, and membrane partners, leading to disruption of downstream signalling pathways and cell death. In addition, TcdB targets the mitochondria, inducing the intrinsic apoptotic pathway resulting in TcdB-mediated apoptosis. Modulation of apoptosis is a common strategy used by infectious agents. Recently, we have shown that the enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) type III secretion system effector NleH has a broad-range anti-apoptotic activity. In this study we examined the effects of NleH on cells challenged with TcdB. During infection with wild-type EPEC, NleH inhibited TcdB-induced apoptosis at both low and high toxin concentrations. Transfected nleH1 alone was sufficient to block TcdB-induced cell rounding, nuclear condensation, mitochondrial swelling and lysis, and activation of caspase-3. These results show that NleH acts via a global anti-apoptotic pathway.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Soybean lunasin mediates colon carcinogenesis by inducing apoptosis and preventing outgrowth of metastasis

Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer worldwide. Various factors such as age, lifestyle and dietary patterns affect the risk of having CRC. Epidemiological studies showed a chemopreventive effect of soy consumption against CRC. However, which component(s) of soybean is associated with this reduced risk is not yet fully delineated. The objective of this research was to evaluate the anti-colon cancer potential of lunasin isolated from defatted soybean flour using in vitro and in vivo models of CRC. Lunasin was isolated from defatted soybean flour by a combination of different chromatographic and ultrafiltration techniques. The anti-colon cancer potential of lunasin was determined using different human colon cancer cell lines in vitro and a CRC liver metastasis model in vivo. Lunasin caused cytotoxicity to different human colon cancer cells with an IC50 value of 13.0, 21.6, 26.3 and 61.7 µM for KM12L4, RKO, HCT-116 and HT-29 human colon cancer cells, respectively. This cytotoxicity correlated with the expression of the α5 integrin on human colon cancer cells with a correlation coefficient of 0.78. The mechanism involved in the cytotoxic effect of lunasin was through cell cycle arrest and induction of the mitochondrial pathway of apoptosis. In KM12L4 human colon cancer cells, lunasin caused a G2/M phase arrest increasing the percentage of cells at G2/M phase from 12% (PBS-treated) to 24% (treated with 10 µM lunasin). This arrest was attributed to the capability of lunasin to increase the expression of cyclin dependent kinase inhibitors p21 and p27. At 10 µM, lunasin increased the expression of p21 and p27 in KM12L4 colon cancer cells by 2.2- and 2.3-fold, respectively. Flow cytometric analysis showed that lunasin at 10 µM increased the percentage of cells undergoing apoptosis from 13.6% to 24.7%. This is further supported by fluorescence microscopic analysis of KM12L4 cells treated with 10 µM lunasin showing chromatin condensation and DNA fragmentation. The mechanism involved is through modification of proteins involved in the mitochondrial pathway of apoptosis in KM12L4 cells as 10 µM lunasin reduced the expression of the anti-apoptotic Bcl-2 protein by 2-fold and increased the expression of the pro-apoptotic proteins Bax, cytochrome c and nuclear clusterin by 2.2-, 2.1- and 2.3- fold, respectively. This led to increased expression and activity of the executioner of apoptosis, caspase-3 by 1.8- and 2.3-fold, respectively. This pro-apoptotic property of lunasin can be attributed to its capability to internalize into the cytoplasm and nucleus of colon cancer cells 24 h and 72 h after treatment, respectively. In addition, lunasin mediated metastasis of colon cancer cells in vitro by inhibiting the focal adhesion kinase activation thereby reducing expression of extracellular regulated kinase and nuclear factor kappa B and finally inhibiting migration of colon cancer cells. In KM12L4 colon cancer cells, 10 µM lunasin resulted in the reduction of phosphorylation of focal adhesion kinase and extracellular regulated kinase by 2.5-fold, resulting in the reduced nuclear translocation of p50 and p65 NF-κB subunits by 3.8- and 1.4-fold, respectively. In an in vivo model of CRC liver metastasis, daily intraperitoneal administration of lunasin at 4 mg/kg body weight resulted in the inhibition of KM12L4 liver metastasis as shown by the reduction of the number of liver metastases from 28 (PBS-treated) to 14 (lunasin-treated, P = 0.047) and reduction in tumor burden as measured by liver weight/body weight from 0.13 (PBS-treated) to 0.10 (lunasin-treated, P = 0.039). Moreover, lunasin potentiated the anti-metastatic effect of the chemotherapeutic drug oxaliplatin given at 5 mg/kg body weight twice per week. Lunasin and oxaliplatin combination resulted in a more potent inhibition of outgrowth of KM12L4 cell metastases to the liver reducing the number of liver metastases by 6-fold and reducing the tumor burden in the liver by 3-fold when compared to PBS-treated group. This can be attributed by the capability of lunasin and oxaliplatin to reduce expression of proliferating cell nuclear antigen in liver-tumor tissue as measured by immunohistochemical staining. The results of this research for the first time demonstrated the anti-colon cancer potential of lunasin isolated from defatted soybean flour which might contribute to the chemopreventive effect of soybean in CRC as seen in different epidemiological studies. In conclusion, lunasin isolated from defatted soybean flour mediated colon carcinogenesis by inducing apoptosis and preventing outgrowth of metastasis. We suggest that the results of this research serve as a basis for further study on the chemopreventive effect of lunasin against CRC and a possible adjuvant role for lunasin in therapy of patients with metastatic CRC.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Ontogeny and nutritional programming of mitochondrial proteins in the ovine kidney, liver and lung

This study investigated the developmental and nutritional programming of two important mitochondrial proteins, namely voltage dependent anion channel (VDAC) and cytochrome c in the sheep kidney, liver and lung. The effect of maternal nutrient restriction between early to mid gestation (i.e. 28 to 80 days gestation, the period of maximal placental growth) on the abundance of these proteins was also examined in fetal and juvenile offspring. Fetuses were sampled at 80 and 140 days gestation (term ~147 days), and postnatal animals at 1 and 30 days and 6 months of age. The abundance of VDAC peaked at 140 days gestation in the lung, compared with 1 day after birth in the kidney and liver, whereas cytochrome c abundance was greatest at 140 days gestation in the liver, 1 day after birth in the kidney and 6 months of age in lungs. This differential ontogeny in mitochondrial protein abundance between tissues was accompanied with very different tissue specific responses to changes in maternal food intake. In the liver, maternal nutrient restriction only increased mitochondrial protein abundance at 80 days gestation, compared with no effect in the kidney. In contrast, in the lung mitochondrial protein abundance was raised near to term, whereas VDAC abundance was decreased by 6 months of age. These findings demonstrate the tissue specific nature of mitochondrial protein development that reflects differences in functional adaptation after birth. The divergence in mitochondrial response between tissues to maternal nutrient restriction early in pregnancy further reflects these differential ontogeny’s.

Protective effect of (-)-epigallocatechin gallate on ultraviolet b-induced skin damage in hairless mice

Purpose: To investigate the protective effect of green tea (-)-epigallocatechin gallate (EGCg) on ultraviolet B (UV-B)-induced skin damages in hairless mice in order to develop a natural sunscreen compound for use in skin care products and cosmetics. Methods: EGCg was dissolved in acetone at concentrations of 1.0, 10.0 and 50.0 mg/mL, and topically applied to the skin of hairless mice at doses of 0.2 mL/cm2, with acetone as control. The mice were then irradiatd m2 UV-B for 30 min daily. EGCg treatment and UV-B irradiation were carried out daily for 28 consecutive days. The mice were then sacrificed and their dorsal skin examined by transmission electron microscopy (TEM) on the 28th day. Results: UV-B irradiation induced severe macroscopic skin damage including chapping, cracking and abnormal desquamation in the treated hairless mice. EGCg showed dose-dependent protective effects against UV-B induced damage on the skin. Treatments with 10.0 and 50.0 mg/mL EGCg alleviated UVB-induced skin damage by suppressing both keratinocyte apoptosis and mitochondrial dysfunction, along with inhibiting the production of melanin pigment. Conclusion: Topical application of green tea EGCg shows dose-dependent protective effect against UV-B-induced damage on hairless mouse skin. Thus, the plant compound can potentially be used as an alternative agent for photoprotection against UV-B exposure.

Hypothermia protects brain mitochondrial function from hypoxemia in a murine model of sepsis

Sepsis is commonly associated with brain dysfunction, but the underlying mechanisms remain unclear, although mitochondrial dysfunction and microvascular abnormalities have been implicated. We therefore assessed whether cerebral mitochondrial dysfunction during systemic endotoxemia in mice increased mitochondrial sensitivity to a further bioenergetic insult (hyoxemia), and whether hypothermia could improve outcome. Mice (C57bl/6) were injected intraperitoneally with lipopolysaccharide (LPS) (5 mg/kg; n = 85) or saline (0.01 ml/g; n = 47). Six, 24 and 48 h later, we used confocal imaging in vivo to assess cerebral mitochondrial redox potential and cortical oxygenation in response to changes in inspired oxygen. The fraction of inspired oxygen (FiO2) at which the cortical redox potential changed was compared between groups. In a subset of animals, spontaneous hypothermia was maintained or controlled hypothermia induced during imaging. Decreasing FiO2 resulted in a more reduced cerebral redox state around veins, but preserved oxidation around arteries. This pattern appeared at a higher FiO2 in LPS-injected animals, suggesting an increased sensitivity of cortical mitochondria to hypoxemia. This increased sensitivity was accompanied by a decrease in cortical oxygenation, but was attenuated by hypothermia. These results suggest that systemic endotoxemia influences cortical oxygenation and mitochondrial function, and that therapeutic hypothermia can be protective.

Cellular ROS imaging with hydro-Cy3 dye is strongly influenced by mitochondrial membrane potential

Background: Hydrocyanines are widely used as fluorogenic probes to monitor reactive oxygen species (ROS) generation in cells. Their brightness, stability to autoxidation and photobleaching, large signal change upon oxidation, pH independence and red/near infrared emission are particularly attractive for imaging ROS in live tissue. Methods: Using confocal fluorescence microscopy we have examined an interference of mitochondrial membrane potential (ΔΨm) with fluorescence intensity and localisation of a commercial hydro-Cy3 probe in respiring and non-respiring colon carcinoma HCT116 cells. Results: We found that the oxidised (fluorescent) form of hydro-Cy3 is highly homologous to the common ΔΨm-sensitive probe JC-1, which accumulates and aggregates only in ‘energised’ negatively charged mitochondrial matrix. Therefore, hydro-Cy3 oxidised by hydroxyl and superoxide radicals tends to accumulate in mitochondrial matrix, but dissipates and loses brightness as soon as ΔΨm is compromised. Experiments with mitochondrial inhibitor oligomycin and uncoupler FCCP, as well as a common ROS producer paraquat demonstrated that signals of the oxidised hydro-Cy3 probe rapidly and strongly decrease upon mitochondrial depolarisation, regardless of the rate of cellular ROS production. Conclusions: While analysing ROS-derived fluorescence of commercial hydrocyanine probes, an accurate control of ΔΨm is required. General significance: If not accounted for, non-specific effect of mitochondrial polarisation state on the behaviour of oxidised hydrocyanines can cause artefacts and data misinterpretation in ROS studies.