Relationships between running economy and mechanics in middle-distance runners

Running economy (RE), i.e. the oxygen consumption at a given submaximal speed, is an important determinant of endurance running performance. So far, investigators have widely attempted to individuate the factors affecting RE in competitive athletes, focusing mainly on the relationships between RE and running biomechanics. However, the current results are inconsistent and a clear mechanical profile of an economic runner has not been yet established. The present work aimed to better understand how the running technique influences RE in sub-elite middle-distance runners by investigating the biomechanical parameters acting on RE and the underlying mechanisms. Special emphasis was given to accounting for intra-individual variability in RE at different speeds and to assessing track running rather than treadmill running. In Study One, a factor analysis was used to reduce the 30 considered mechanical parameters to few global descriptors of the running mechanics. Then, a biomechanical comparison between economic and non economic runners and a multiple regression analysis (with RE as criterion variable and mechanical indices as independent variables) were performed. It was found that a better RE was associated to higher knee and ankle flexion in the support phase, and that the combination of seven individuated mechanical measures explains ∼72% of the variability in RE. In Study Two, a mathematical model predicting RE a priori from the rate of force production, originally developed and used in the field of comparative biology, was adapted and tested in competitive athletes. The model showed a very good fit (R2=0.86). In conclusion, the results of this dissertation suggest that the very complex interrelationships among the mechanical parameters affecting RE may be successfully dealt with through multivariate statistical analyses and the application of theoretical mathematical models. Thanks to these results, coaches are provided with useful tools to assess the biomechanical profile of their athletes. Thus, individual weaknesses in the running technique may be identified and removed, with the ultimate goal to improve RE.

Untersuchungen zur Expression und Funktion intrazellulärer Globine

Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die intrazelluläre Lokalisation des Hämoglobin von Drosophila melanogaster, sowie von Neuroglobin und Cytoglobin der Vertebraten. Obwohl alle drei Globine erst kürzlich entdeckt wurden, liegen bereits Daten über ihre Struktur, ihre biochemischen Eigenschaften und die Lokalisation der mRNA vor. Ihre Funktionen konnten bisher jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Das Globin von Drosophila melanogaster konnte mittels Westernblot sowohl in Larven als auch adulten Fliegen nachgewiesen werden. Ebenso war es mir möglich, mittels Immunperoxidaseuntersuchungen die Tracheen, die Terminalzellen der Tracheolen sowie die Fettkörperzellen als Ort der Globinexpression in Drosophila zu identifizieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass dieses Globin eine Funktion als Sauerstoffpuffer, der sowohl Sauerstoff speichert als auch transportiert, hin. Damit würde das Drosophila Globin eine zu anderen Insektenglobinen vergleichbare Funktion übernehmen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Neuroglobin auch in der neuronalen Netzhaut von Säugern und Fischen vorkommt. Des Weiteren konnte Neuroglobin in der Retina zellulär sowie subzellulär lokalisiert werden. In der avaskulären Mäuseretina wurde Neuroglobin neben den Innensegmenten der Photorezeptorzellen, auch noch in den beiden plexiformen Schichten sowie in der Ganglienzellschicht gefunden. Die gezeigte Kolokalisation dieses intrazellulären Globins mit Mitochondrien und somit auch mit den Orten des höchsten Sauerstoffbedarfs in der Retina deutet auf eine Funktion im Sauerstofftransport zu den Mitochondrien hin. Des Weiteren könnte Neuroglobin auch als Sauerstoffspeicher dienen, der es Neuronen ermöglicht, kurzfristige hypoxische Bedingungen unbeschadet zu überstehen. Andere mögliche Funktionen wie z.B. die als Detoxifizierer von reaktiven Sauerstoff- bzw. Sickstoffverbindungen, als Sauerstoffsensor, sowie als terminale Oxidase erscheinen durch die gezeigten Daten eher unwahrscheinlich. Die bisherige Annahme, dass Cytoglobin ein ubiquitär exprimiertes Protein ist, konnte von mir nicht bestätigt werden. Für nichtneuronale Gewebe konnte gezeigt werden, dass Cytoglobin lediglich auf das Cytoplasma von Fibroblasten und ontogenetisch verwandte Zelltypen wie Osteoblasten, Chondroblasten und Sternzellen beschränkt ist. Möglicherweise hat Cytoglobin dort eine Funktion in der Kollagensynthese. Ferner wird Cygb cytoplasmatisch und nukleär in einigen Neuronen der Retina und des Gehirns exprimiert. Dort könnte Cygb z.B. nukleäre Enzyme wie die NO-Synthase mit Sauerstoff versorgen. Andere Funktionen scheinen aufgrund meiner Daten im Moment unwahrscheinlich.

Untersuchung zur Temperaturabhängigkeit der O2-Bindungseigenschaft von Hämocyanin aus Arthropoden verschiedener Biotope

Die Evolution hat nur wenige O2-Transportproteine im Tierreich hervorgebracht. Sie alle nutzen entweder die Metallionen Fe2+ oder Cu2+ zur reversiblen Sauerstoffbindung in vier verschiedenen Typen von aktiven Zentren. Die Metallatome werden dabei über eine prosthetische Gruppe (Porphyrin-Ring) oder direkt (koordinativ) durch Histidine an die Proteinmatrix gebunden. Die Atmungsproteine sorgen für den Transport des Sauerstoffs von den respiratorischen Epithelien (Lunge, Kiemen), hin zu den O2 verbrauchenden Gewebszellen (oxidativer Stoffwechsel). Die Beladung mit Sauerstoff in den Lungen, bzw. den Kiemen sollte leicht und schnell, d.h. mit einer möglichst hohen O2-Affinität erfolgen. Die Arthropoden sind ein sehr artenreicher und erfolgreicher Tierstamm. Ihnen ist es im Laufe der Evolution gelungen, fast alle Lebensräume zu Wasser, auf dem Land und in der Luft zu besiedeln. Die Erschließung so unterschiedlicher Biotope setzt eine sehr gute physiologische Anpassungsfähigkeit voraus. Das physiologisch wichtigste Problem, welches für jeden Lebensraum während der Evolution gelöst werden mußte, ist eine optimale Sauerstoffversorgung der Körperzellen bei allen Umweltbedingungen zu gewährleisten. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, inwieweit verschiedene Arthropoden-Hämocyanine eine biotopabhängige (temperaturabhängige) Adaptation der O2-Versorgung (Proteinfunktion) auf Ebene des Hämocyaninmoleküls zeigen. Bei den hier untersuchten Hämocyaninen ließ sich eine signifikante Biotopabhängigkeit für den „Proteinfunktions-Parameter“ Kooperativität nachweisen.

L’inibizione della lattico deidrogenasi: una possibile strategia per migliorare il trattamento farmacologico del carcinoma epatocellulare

Il lavoro svolto nel corso del mio dottorato ha avuto per oggetto lo studio dell’ inibizione della glicolisi aerobia (il principale processo metabolico utilizzato dalle cellule neoplastiche per produrre energia) ottenuta mediante il blocco dell’enzima lattato deidrogenasi (LDH). La mia attività si è concentrata sulla possibilità di utilizzare questo approccio allo scopo di migliorare l’efficacia della terapia antitumorale, valutandone gli effetti su colture di carcinoma epatocellulare umano Inizialmente, per valutare gli effetti della inibizione della LDH, è stato usato l’acido ossamico ( OXA). Questo composto è l’unico inibitore noto specifico per LDH ; è una molecola non tossica in vivo, ma attiva a concentrazioni troppo elevate per consentirne un uso terapeutico. Un importante risultato ottenuto è stata la dimostrazione che l’ inibizione della LDH ottenuta con OXA non è solo in grado di innescare una risposta di morte nelle cellule trattate, ma, associata alla somministrazione di sorafenib, aumenta fortemente l’efficacia di questo farmaco, determinando un effetto di sinergismo. Questo forte effetto di potenziamento dell’azione del farmaco è stato spiegato con la dimostrazione che il sorafenib ha la capacità di inibire il consumo di ossigeno delle cellule trattate, rendendole più dipendenti dalla glicolisi. Grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche il nostro gruppo di ricerca è arrivato alla identificazione di un composto (galloflavina) che inibisce la LDH con una efficienza molto maggiore di OXA. I risultati preliminari ottenuti sulle cellule di epatocarcinoma suggeriscono che la galloflavina potrebbe essere un composto promettente nel campo degli inibitori metabolici tumorali e inducono a una sua valutazione più approfondita come potenziale farmaco antineoplastico.

Assessment of vibratory stimulation on neuromuscular system

The thesis analyze a subject of renewed interest in bioengineering, the research and analysis of exercise parameters that maximize the neuromuscular and cardiovascular involvement in vibration treatment. The research activity was inspired by the increasing use of device able to provide localized or whole body vibration (WBV). In particular, the focus was placed on the vibrating platform and the effect that the vibrations have on the neuromuscular system and cardiovascular system. The aim of the thesis is to evaluate the effectiveness and efficiency of vibration applied to the entire body, in particular, it was investigated the effect of WBV on: 1) Oxygen consumption during static and dynamic squat; 2) Resonant frequency of the muscle groups of the lower limbs; 3) Oxygen consumption and electromyographic signals during static and dynamic squat. In the first three chapters are explained the state of the art concerning vibration treatments, the effects of vibration applied to the entire body, with the explanation of the basic mechanisms (Tonic Vibration Reflex, TVR) and the neuromuscular system, with particular attention to the skeletal muscles and the stretch reflex. In the fourth chapter is illustrated the set-up used for the experiments and the software, implemented in LabWindows in order to control the platform and acquire the electromyographic signal. In the fifth chapter were exposed experiments undertaken during the PhD years. In particular, the analysis of Whole Body Vibration effect on neurological and cardiovascular systems showed interesting results. The results indicate that the static squat with WBV produced higher neuromuscular and cardiorespiratory system activation for exercise duration <60 sec. Otherwise, if the single bout duration was higher than 60 sec, the greater cardiorespiratory system activation was achieved during the dynamic squat with WBV while higher neuromuscular activation was still obtained with the static exercise.

Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper catumaxomab und ertumaxomab in humanen Tumorsphäroid-Kokulturen

Ein neuer Ansatz der immunologischen Krebstherapie ist die Verwendung der bispezifischen, trifunktionalen Antikörper catumaxomab (anti-EpCAM x anti-CD3) und ertumaxomab (anti-Her2/neu x anti-CD3). Die Bispezifität besteht in der Bindung eines Tumor-assoziierten Antigens (EpCAM bzw. Her2/neu) und des CD3 Moleküls auf der Oberfläche von T-Zellen. Darüber hinaus stellt die Interaktion des Fc-Teils mit FcγRI/IIa/III positiven akzessorischen Immunzellen die dritte Funktion der Antikörper dar. Diese einzigartige Kombination ermöglicht theoretisch die Ausbildung eines Tri-Zell-Komplexes. In klinischen Studien konnte bereits die Wirksamkeit beider Antikörper nachgewiesen werden. Die eigentlichen Wirkmechanismen der trifunktionalen Antikörper jedoch sind noch nicht ausreichend bekannt. Um die Wechselwirkung zwischen den stark EpCAM- und schwach Her2/neu-positive FaDu- sowie den stabil mit humanem Her2/neu transfizierten FaDu E593-Tumorzellen, peripheren Blutmonozyten (PBMC) und trifunktionalen Antikörpern systematisch zu untersuchen wurde ein 3D-Tumormodell, die so genannten multizellulären Tumorsphäroide (MCTS), angewandt. Als Endpunkte zur Beurteilung der Therapieeffizienz dienten das Volumenwachstum der Sphäroide, sowie die Klonogenität und die Zellvitalität. Zur Beurteilung der PBMC-Penetration in die Sphäroide erfolgten immunhistochemische Färbungen und molekularbiologische Nachweise der Abwehrzellantigene. Entsprechend wurden in den Sphäroiden die Proliferationsrate über eine Ki67-Färbung sowie die Apoptoserate über eine FragEL-Markierung identifiziert. Die Aktivität der PBMC wurde durch die Bestimmung ausgewählter Zytokine (ELISA) und der Zellzahl aus den Medienüberständen charakterisiert. Die an den FaDu- und E593-Sphäroiden erzielten Ergebnisse zeigten, dass catumaxomab und ertumaxomab eine konzentrations- und zeitabhängige Abnahme des Sphäroidvolumens bewirkten. Die Schrumpfung der Tumorsphäroide ging mit einer Reduktion des proliferativen und mit einer Steigerung des apoptotischen Tumorzellanteils einher. Die histologischen Befunde weisen darauf hin, dass die Volumenreduktion durch eine gesteigerte Anzahl infiltrierender Leukozyten bedingt ist. Auf verschiedenen Methoden basierende Analysen der Immunzellsubtypen zeigten eine dominierende Infiltration von zytotoxischen T-Zellen in die Tumorsphäroide. Der Aktivitätsnachweis der T-Zellen wurde über die Detektion der IL-2 mRNA und des sekretierten Zytokins erbracht. Einen zusätzlichen Hinweis auf eine zelluläre Immunantwort liefert das Zytokinmuster mit hohen Konzentrationen an IFN-γ. Der direkte Vergleich beider Antikörper zeigte, dass der anti-tumorale Effekt abhängig von der Antigenexpression auf den Tumorzellen war. Die Analyse von Medienüberständen wies auf eine mehrheitlich höhere Zytokinausschüttung in Gegenwart des Tumorantigens hin. Sphäroid-Kokulturen, die mit dem parentalen anti-EpCAM Antikörper behandelt wurden, zeigten keine Volumenreduktion. Im Gegensatz dazu führte der parentale CD3-Antikörper, das CD3- und Tumorzell-bindende catumaxomab F(ab')2 Fragment oder eine Kombination beider parentaler Antikörper zu einer anti-tumoralen Wirkung, die jedoch nicht so stark war wie die des trifunktionalen Antikörpers catumaxomab. Demnach ist für catumaxomab gezeigt, dass für die Effektivität des Antikörpers die Trifunktionalität unabdingbar ist. Daraus leitet sich ab, dass die Aktivierung der Abwehrzellen durch kostimulatorische Signale notwendig ist und über die Tumorantigenbindung Mechanismen wie ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity) zum Tragen kommen. Die Experimente mit gleichzeitiger Gabe von trifunktionalen Antikörpern und Immunsuppressiva haben gezeigt, dass eine Kombination beider Agenzien möglich ist. Die Konzentrationen sind jedoch sorgfältig derart zu wählen, dass die Zytokinausschüttung und die damit verbundenen Nebenwirkungen reduziert sind, ohne dass die anti-tumorale Wirkung der Antikörper maßgeblich beeinflusst wird. T-Zellen bedienen sich nach Aktivierung für die rasche Proliferation einer gesteigerten aeroben Glykolyse. Unter Behandlung der Kokulturen mit catumaxomab konnte im Vergleich zu anderen immunstimulatorischen Agenzien die größte Steigerung der Laktatproduktion bzw. der Azidifizierungs- und Sauerstoffverbrauchsrate detektiert werden. Diese Effekte weisen auf eine metabolische Aktivierung der PBMC durch catumaxomab hin. Das von den Tumorzellen abgegebene Laktat kann die Immunzellen jedoch inhibieren. Daher wäre die Kombination mit Glykolyseinhibitoren ein möglicher Ansatz, um die Therapieeffizienz weiter zu steigern. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Komedikation der trifunktionalen Antikörper mit Chemotherapeutika zu einer gesteigerter Wirkung führte. Insgesamt liegt die Zukunft der Immuntherapien wohl in der Kombination mit anderen Wirkstoffklassen, die anti-tumorale Effekte verstärken oder immunsupprimierende Mechanismen inhibieren.

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.

Perioperative metabolic changes in patients undergoing cardiac surgery

Perioperative metabolic changes in cardiac surgical patients are not only induced by tissue injury and extracorporeal circulation per se: the systemic inflammatory response to surgical trauma and extracorporeal circulation, perioperative hypothermia, cardiovascular and neuroendocrine responses, and drugs and blood products used to maintain cardiovascular function and anesthesia contribute to varying degrees. The pathophysiologic changes include increased oxygen consumption and energy expenditure; increased secretion of adrenocorticotrophic hormone, cortisol, epinephrine, norepinephrine, insulin, and growth hormone; and decreased total tri-iodothyronine levels. Easily measurable metabolic consequences of these changes include hyperglycemia, hyperlactatemia, increased aspartate, glutamate and free fatty acid concentrations, hypokalemia, increased production of inflammatory cytokines, and increased consumption of complement and adhesion molecules. Nutritional risk before elective cardiac surgery-defined as preoperative unintended pathologic weight loss/low amount of food intake in the preceding week or low body mass index-is related to adverse postoperative outcome. Improvements in surgical techniques, anesthesia, and perioperative management have been designed to minimize the stressful stimulus to catabolism, thereby slowing the wasting process to the point where much less nutrition is required to meet metabolic requirements. Early nutrition in cardiac surgery is safe and well tolerated.

Is hypoxia training good for muscles and exercise performance?

Altitude training has become very popular among athletes as a means to further increase exercise performance at sea level or to acclimatize to competition at altitude. Several approaches have evolved during the last few decades, with "live high-train low" and "live low-train high" being the most popular. This review focuses on functional, muscular, and practical aspects derived from extensive research on the "live low-train high" approach. According to this, subjects train in hypoxia but remain under normoxia for the rest of the time. It has been reasoned that exercising in hypoxia could increase the training stimulus. Hypoxia training studies published in the past have varied considerably in altitude (2300-5700 m) and training duration (10 days to 8 weeks) and the fitness of the subjects. The evidence from muscle structural, biochemical, and molecular findings point to a specific role of hypoxia in endurance training. However, based on the available performance capacity data such as maximal oxygen uptake (Vo(2)max) and (maximal) power output, hypoxia as a supplement to training is not consistently found to be advantageous for performance at sea level. Stronger evidence exists for benefits of hypoxic training on performance at altitude. "Live low-train high" may thus be considered when altitude acclimatization is not an option. In addition, the complex pattern of gene expression adaptations induced by supplemental training in hypoxia, but not normoxia, suggest that muscle tissue specifically responds to hypoxia. Whether and to what degree these gene expression changes translate into significant changes in protein concentrations that are ultimately responsible for observable structural or functional phenotypes remains open. It is conceivable that the global functional markers such as Vo(2)max and (maximal) power output are too coarse to detect more subtle changes that might still be functionally relevant, at least to high-level athletes.

Fast kinase domain-containing protein 3 is a mitochondrial protein essential for cellular respiration

Fas-activated serine/threonine phosphoprotein (FAST) is the founding member of the FAST kinase domain-containing protein (FASTKD) family that includes FASTKD1-5. FAST is a sensor of mitochondrial stress that modulates protein translation to promote the survival of cells exposed to adverse conditions. Mutations in FASTKD2 have been linked to a mitochondrial encephalomyopathy that is associated with reduced cytochrome c oxidase activity, an essential component of the mitochondrial electron transport chain. We have confirmed the mitochondrial localization of FASTKD2 and shown that all FASTKD family members are found in mitochondria. Although human and mouse FASTKD1-5 genes are expressed ubiquitously, some of them are most abundantly expressed in mitochondria-enriched tissues. We have found that RNA interference-mediated knockdown of FASTKD3 severely blunts basal and stress-induced mitochondrial oxygen consumption without disrupting the assembly of respiratory chain complexes. Tandem affinity purification reveals that FASTKD3 interacts with components of mitochondrial respiratory and translation machineries. Our results introduce FASTKD3 as an essential component of mitochondrial respiration that may modulate energy balance in cells exposed to adverse conditions by functionally coupling mitochondrial protein synthesis to respiration.

Effects of catecholamines on hepatic and skeletal muscle mitochondrial respiration after prolonged exposure to faecal peritonitis in pigs

Use of norepinephrine to increase blood pressure in septic animals has been associated with increased efficiency of hepatic mitochondrial respiration. The aim of this study was to evaluate whether the same effect could be reproduced in isolated hepatic mitochondria after prolonged in vivo exposure to faecal peritonitis. Eighteen pigs were randomized to 27 h of faecal peritonitis and to a control condition (n = 9 each group). At the end, hepatic mitochondria were isolated and incubated for one hour with either norepinephrine or placebo, with and without pretreatment with the specific receptor antagonists prazosin and yohimbine. Mitochondrial state 3 and state 4 respiration were measured for respiratory chain complexes I and II, and state 3 for complex IV using high-resolution respirometry, and respiratory control ratios were calculated. Additionally, skeletal muscle mitochondrial respiration was evaluated after incubation with norepinephrine and dobutamine with and without the respective antagonists (atenolol, propranolol and phentolamine for dobutamine). Faecal peritonitis was characterized by decreasing blood pressure and stroke volume, and maintained systemic oxygen consumption. Neither faecal peritonitis nor any of the drugs or drug combinations had measurable effects on hepatic or skeletal muscle mitochondrial respiration. Norepinephrine did not improve the efficiency of complex I- and complex II-dependent isolated hepatic mitochondrial respiration [respiratory control ratio (RCR) complex I: 5.6 ± 5.3 (placebo) vs. 5.4 ± 4.6 (norepinephrine) in controls and 2.7 ± 2.1 (placebo) vs. 2.9 ± 1.5 (norepinephrine) in septic animals; RCR complex II: 3.5 ± 2.0 (placebo) vs. 3.5 ± 1.8 (norepinephrine) in controls; 2.3 ± 1.6 (placebo) vs. 2.2 ± 1.1 (norepinephrine) in septic animals]. Prolonged faecal peritonitis did not affect either hepatic or skeletal muscle mitochondrial respiration. Subsequent incubation of isolated mitochondria with norepinephrine and dobutamine did not significantly influence their respiration.

Acclimatization improves submaximal exercise economy at 5533m

We tested whether the better subjective exercise tolerance perceived by mountaineers after altitude acclimatization relates to enhanced exercise economy. Thirty-two mountaineers performed progressive bicycle exercise to exhaustion at 490 m and twice at 5533 m (days 6–7 and day 11), respectively, during an expedition to Mt. Muztagh Ata. Maximal work rate (Wmax) decreased from mean ± SD 356 ± 73 watts at 490 m to 191 ± 49 watts and 193 ± 45 watts at 5533 m, days 6–7 and day 11, respectively; corresponding maximal oxygen uptakes (VO2max) were 50.7 ± 9.5, 26.3 ± 5.6, 24.7 ± 7.0 mL/min/kg (P = 0.0001 5533 m vs 490 m). On days 6–7 (5533 m), VO2 at 75% Wmax (152 ± 37 watts) was 1.75 ± 0.45 L/min, oxygen saturation 68 ± 8%. On day 11 (5533 m), at the same submaximal work rate, VO2 was lower (1.61 ± 0.47 L/min, P < 0.027) indicating improved net efficiency; oxygen saturation was higher (74 ± 7%, P < 0.0004) but ratios of VO2 to work rate increments remained unchanged. On day 11, mountaineers climbed faster from 4497 m to 5533 m than on days 5–6 but perceived less effort (visual analog scale 50 ± 15 vs 57 ± 20, P = 0.006) and reduced symptoms of acute mountain sickness. We conclude that the better performance and subjective exercise tolerance after acclimatization were related to regression of acute mountain sickness and improved submaximal exercise economy because of lower metabolic demands for non-external work-performing functions.

Inflammation and atrial remodeling after a mountain marathon

Endurance athletes have an increased risk of atrial fibrillation. We performed a longitudinal study on elite runners of the 2010 Jungfrau Marathon, a Swiss mountain marathon, to determine acute effects of long-distance running on the atrial myocardium. Ten healthy male athletes were included and examined 9 to 1 week prior to the race, immediately after, and 1, 5, and 8 days after the race. Mean age was 34.9 ± 4.2 years, and maximum oxygen consumption was 66.8 ± 5.8 mL/kg*min. Mean race time was 243.9 ± 17.7 min. Electrocardiographic-determined signal-averaged P-wave duration (SAPWD) increased significantly after the race and returned to baseline levels during follow-up (128.7 ± 10.9 vs. 137.6 ± 9.8 vs. 131.5 ± 8.6 ms; P < 0.001). Left and right atrial volumes showed no significant differences over time, and there were no correlations of atrial volumes and SAPWD. Prolongation of the SAPWD was accompanied by a transient increase in levels of high-sensitivity C-reactive protein, proinflammatory cytokines, total leucocytes, neutrophil granulocytes, pro atrial natriuretic peptide and high-sensitivity troponin. In conclusion, marathon running was associated with a transient conduction delay in the atria, acute inflammation and increased atrial wall tension. This may reflect exercise-induced atrial myocardial edema and may contribute to atrial remodeling over time, generating a substrate for atrial arrhythmias.

Cardiac transplantation with hearts from donors after circulatory declaration of death: haemodynamic and biochemical parameters at procurement predict recovery following cardioplegic storage in a rat model

OBJECTIVES: Donation after circulatory declaration of death (DCDD) could significantly improve the number of cardiac grafts for transplantation. Graft evaluation is particularly important in the setting of DCDD given that conditions of cardio-circulatory arrest and warm ischaemia differ, leading to variable tissue injury. The aim of this study was to identify, at the time of heart procurement, means to predict contractile recovery following cardioplegic storage and reperfusion using an isolated rat heart model. Identification of reliable approaches to evaluate cardiac grafts is key in the development of protocols for heart transplantation with DCDD. METHODS: Hearts isolated from anaesthetized male Wistar rats (n = 34) were exposed to various perfusion protocols. To simulate DCDD conditions, rats were exsanguinated and maintained at 37°C for 15-25 min (warm ischaemia). Isolated hearts were perfused with modified Krebs-Henseleit buffer for 10 min (unloaded), arrested with cardioplegia, stored for 3 h at 4°C and then reperfused for 120 min (unloaded for 60 min, then loaded for 60 min). Left ventricular (LV) function was assessed using an intraventricular micro-tip pressure catheter. Statistical significance was determined using the non-parametric Spearman rho correlation analysis. RESULTS: After 120 min of reperfusion, recovery of LV work measured as developed pressure (DP)-heart rate (HR) product ranged from 0 to 15 ± 6.1 mmHg beats min(-1) 10(-3) following warm ischaemia of 15-25 min. Several haemodynamic parameters measured during early, unloaded perfusion at the time of heart procurement, including HR and the peak systolic pressure-HR product, correlated significantly with contractile recovery after cardioplegic storage and 120 min of reperfusion (P < 0.001). Coronary flow, oxygen consumption and lactate dehydrogenase release also correlated significantly with contractile recovery following cardioplegic storage and 120 min of reperfusion (P < 0.05). CONCLUSIONS: Haemodynamic and biochemical parameters measured at the time of organ procurement could serve as predictive indicators of contractile recovery. We believe that evaluation of graft suitability is feasible prior to transplantation with DCDD, and may, consequently, increase donor heart availability.

Differential modulation of ROS signals and other mitochondrial parameters by the antioxidants MitoQ, resveratrol and curcumin in human adipocytes

Abstract Mitochondrial reactive oxygen species (ROS) have been demonstrated to play an important role as signaling and regulating molecules in human adipocytes. In order to evaluate the differential modulating roles of antioxidants, we treated human adipocytes differentiated from human bone marrow-derived mesenchymal stem cells with MitoQ, resveratrol and curcumin. The effects on ROS, viability, mitochondrial respiration and intracellular ATP levels were examined. MitoQ lowered both oxidizing and reducing ROS. Resveratrol decreased reducing and curcumin oxidizing radicals only. All three substances slightly decreased state III respiration immediately after addition. After 24 h of treatment, MitoQ inhibited both basal and uncoupled oxygen consumption, whereas curcumin and resveratrol had no effect. Intracellular ATP levels were not altered. This demonstrates that MitoQ, resveratrol and curcumin exert potent modulating effects on ROS signaling in human adipocyte with marginal effects on metabolic parameters.