Low doses of monocrotaline in rats cause diminished bone marrow cellularity and compromised nitric oxide production by peritoneal macrophages

Monocrotaline (MCT) is a pyrrolizidine alkaloid found in a variety of plants. The main symptoms of MCT toxicosis in livestock are related to hepato- and nephrotoxicity; in rodents and humans, the induction of a pulmonary hypertensive state that progresses to cor pulmonale has received much attention. Although studies have shown that MCT can cause effects on cellular functions that would be critical to those of lymphocytes/macrophages during a normal immune response, no immunotoxicological study on MCT have yet to ever be performed. Thus, the aim of the present study was to evaluate the effect of MCT on different branches of the immune system using the rat - which is known to be sensitive to the effects of MCT - as the model. Rats were treated once a day by gavage with 0.0, 0.3, 1.0, 3.0, or 5.0 mg MCT/kg for 14 days, and then any effects of the alkaloid on lymphoid organs, acquired immune responses, and macrophage activity were evaluated. No alterations in the relative weight of lymphoid organs were observed; however, diminished bone marrow cellularity in rats treated with the alkaloid was observed. MCT did not affect humoral or cellular immune responses. When macrophages were evaluated, treatments with MCT caused no significant alterations in phagocytic function or in hydrogen peroxide (H(2)O(2)) production; however, the MCT did cause compromised nitric oxide (NO) release by these cells.

Differential morphofunctional characteristics and gene expression in fast and slow muscle of rats with monocrotaline-induced heart failure

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dehydromonocrotaline inhibits mitochondrial complex 1. A potential mechanism accounting for hepatotoxicity of monocrotaline

Monocrotaline is a pyrrolizidine alkaloid present in plants of the Crotalaria species, which causes cytotoxicity and genotoxicity, including hepatotoxicity in animals and humans. It is metabolized by cytochrome P-450 in the liver to the alkylating agent dehydromonocrotaline. We evaluated the effects of monocrotaline and its metabolite on respiration, membrane potential and ATP levels in isolated rat liver mitochondria, and on respiratory chain complex I NADH oxidase activity in submitochondrial particles. Dehydromonocrotaline, but not the parent compound, showed a concentration-dependent inhibition of glutamate/malate-supported state 3 respiration (respiratory chain complex 1), but did not affect succinate-supported respiration (complex II). Only dehydromonocrotaline dissipated mitochondrial membrane potential, depleted ATP, and inhibited complex I NADH oxidase activity (IC50 = 62.06 mu M) through a non-competitive type of inhibition (K-I = 8.1 mu M). Therefore, dehydromonocrotaline is an inhibitor of the activity of respiratory chain complex I NADH oxidase, an action potentially accounting for the well-documented monocrotaline's hepatotoxicity to animals and humans. The mechanism probably involves change of the complex I conformation resulting from modification of cysteine thiol groups by the metabolite. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effects of monocrotaline on energy metabolism in the rat liver

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Cytotoxicity of monocrotaline in isolated rat hepatocytes: Effects of dithiothreitol and fructose

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dehydromonocrotaline induces cyclosporine A-insensitive mitochondrial permeability transition/cytochrome c release

Monocrotaline (MCT) is a pyrrolizidine alkaloid present in plants of the genus Crotalaria that causes cytotoxicity and genotoxicity in animals and humans. It is well established that the toxicity of MCT results from its hepatic bioactivation to dehydromonocrotaline (DHM), an alkylating agent, but the exact mechanism of action remains unknown. In a previous study, we demonstrated DHM`s inhibition of mitochondrial NADH-dehydrogenase activity at micromolar concentrations, which is an effect associated with a significant reduction in ATP synthesis. As a follow-up study, we have evaluated the ability of DHM to induce mitochondrial permeability transition (MPT) and its associated processes in isolated rat liver mitochondria. In the presence of 10 mu M Ca(2+), DHM (50-250 mu M) elicited MPT in a concentration-dependent, but cyclosporine A-independent manner, as assessed by mitochondrial swelling, which is associated with mitochondrial Ca(2+) efflux and cytochrome c release. DHM (50-250 mu M) did not cause hydrogen peroxide accumulation but did deplete endogenous glutathione and NAD(P)H, while oxidizing protein thiol groups. These results potentially indicate the involvement of mitochondria, via apoptosis, in the well-documented cytotoxicity of monocrotaline. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Dehydromonocrotaline generates sequence-selective N-7 guanine alkylation and heat and alkali stable multiple fragment DNA crosslinks

Monocrotaline is a pyrrolizidine alkaloid known to cause toxicity in humans and animals. Its mechanism of biological action is still unclear although DNA crosslinking has been suggested to a play a role in its activity. In this study we found that an active metabolite of monocrotaline, dehydromonocrotaline (DHM), alkylates guanines at the N7 position of DNA with a preference for 5'-GG and 5'-GA sequences; In addition, it generates piperidine- and heat-resistant multiple DNA crosslinks, as confirmed by electrophoresis and electron microscopy. On the basis of these findings, we propose that DHM undergoes rapid polymerization to a structure which is able to crosslink several fragments of DNA.

Haematological and immunological effects of repeated dose exposure of rats to integerrimine N-oxide from Senecio brasiliensis

This study is the first in the literature to focus attention on the possible immunotoxic effect of integerrimine N-oxide content in the butanolic residue (BR) of Senecio brasiliensis, a poisonous hepatotoxic plant that contains pyrrolizidine alkaloids (PAs). PAs have been reported as a pasture and food contaminant and as herbal medicine used worldwide and are responsible for poisoning events in livestock and human beings. After the plant extraction, BR extracted from Senecio brasiliensis was found to contain approximately 70% integerrimine N-oxide by elemental and spectral analyses ((1)H and (13)C NMR), which was administered to adult male Wistar Hannover rats at doses of 3, 6 and 9 mg/kg for 28 days. Body weight gain, food consumption, lymphoid organs, neutrophil analysis, humoural immune response, cellular immune response and lymphocyte analysis were evaluated. Our study showed that integerrimine N-oxide could promote an impairment in the body weight gain, interference with blood cell counts and a reducing T cell proliferative activity in rats; however, no differences in the neutrophil activities, lymphocytes phenotyping and humoural and cellular immune responses were observed. It is concluded that doses of integerrimine N-oxide here employed did not produce marked immunotoxic effects. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fractal Dimension in Quantifying Experimental-Pulmonary-Hypertension-Induced Cardiac Dysfunction in Rats

Abstract Background: Right-sided heart failure has high morbidity and mortality, and may be caused by pulmonary arterial hypertension. Fractal dimension is a differentiated and innovative method used in histological evaluations that allows the characterization of irregular and complex structures and the quantification of structural tissue changes. Objective: To assess the use of fractal dimension in cardiomyocytes of rats with monocrotaline-induced pulmonary arterial hypertension, in addition to providing histological and functional analysis. Methods: Male Wistar rats were divided into 2 groups: control (C; n = 8) and monocrotaline-induced pulmonary arterial hypertension (M; n = 8). Five weeks after pulmonary arterial hypertension induction with monocrotaline, echocardiography was performed and the animals were euthanized. The heart was dissected, the ventricles weighed to assess anatomical parameters, and histological slides were prepared and stained with hematoxylin/eosin for fractal dimension analysis, performed using box-counting method. Data normality was tested (Shapiro-Wilk test), and the groups were compared with non-paired Student t test or Mann Whitney test (p < 0.05). Results: Higher fractal dimension values were observed in group M as compared to group C (1.39 ± 0.05 vs. 1.37 ± 0.04; p < 0.05). Echocardiography showed lower pulmonary artery flow velocity, pulmonary acceleration time and ejection time values in group M, suggesting function worsening in those animals. Conclusion: The changes observed confirm pulmonary-arterial-hypertension-induced cardiac dysfunction, and point to fractal dimension as an effective method to evaluate cardiac morphological changes induced by ventricular dysfunction.

Implication des endothélines et de leurs récepteurs vasculaires dans la circulation pulmonaire en condition contrôle et pathophysiologique

Le système endothéline (ET) est activé en condition d’hypertension pulmonaire (HTP). L’efficacité des antagonistes des récepteurs à l’ET a clairement été démontrée et a menée à l’approbation clinique de tels antagonistes dans le traitement de l’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP). Toutefois, il existe présentement un important débat opposant l’utilisation d’un antagoniste sélectif des récepteur ETA à l’utilisation d’un antagoniste double ETA/ETB dans le traitement de cette pathologie. Bien que nous sachions que le système ET est activé et contribue à l’HTAP, les modifications locales de ce système induites par la pathologie, particulièrement au niveau des artères de résistance pulmonaires, demeurent inconnues. De plus, l’impact de ces modifications sur la réponse pharmacologique aux divers antagonistes des récepteurs à l’ET (sélectifs versus double) est d’une importance capitale. Ainsi, le but de la première étude de cette thèse était d’évaluer les modifications potentielles de la pharmacologie du système ET au niveau des artères de résistance pulmonaires induites par l’HTAP. Dans cette étude, nous avons démontré qu’en condition contrôle l’antagoniste sélectif ETA et l’antagoniste double n’ont eu aucun effet sur la réponse vasoconstrictrice à l’ET-1. Toutefois, en condition d’HTAP, les antagonistes sélectif et double ont tous deux été en mesure de réduire la vasoconstriction pulmonaire induite par l’ET-1. Une diminution importante de l’expression génique du récepteur ETB pourrait être à l’origine de cette modification du profil pharmacologique des antagonistes. Une meilleure compréhension des rôles joués par les récepteurs ETA et ETB au niveau des artères de résistance pulmonaires pourrait permettre l’optimisation des traitements de l’HTAP. Ainsi, le but de la deuxième étude était d’évaluer les effets d’un traitement antisens ex vivo dirigé contre l’ARNm des récepteurs ETA et ETB dans la vasoconstriction des artères de résistance pulmonaires induite par l’ET-1. Dans cette étude, nous avons démontré dans un premier temps que les récepteurs ETA et ETB pouvaient former des dimères au niveau des artères de résistance pulmonaires. De plus, nous avons observé qu’une réduction de l’expression protéique du R-ETA entraînait une potentialisation de la vasoconstriction ETB dépendante suggérant ainsi qu’en condition contrôle, le récepteur ETA aurait un effet inhibiteur sur la vasoconstriction pulmonaire induite par la stimulation du récepteur ETB. Les effets délétères de l’ET-1 sur la circulation pulmonaire sont bien connus, toutefois seules quelques études ont porté leur attention sur l’implication de l’ET-3 dans l’HTAP. Ainsi, le but de la troisième étude était d’évaluer l’implication potentielle de l’ET-3 dans l’HTAP. Dans cette étude, nous avons démontré qu’il était nécessaire en condition contrôle de bloquer simultanément les récepteurs ETA et ETB afin de réduire la réponse vasoconstrictrice pulmonaire à l’ET-3. En condition d’HTAP, nous avons observé une augmentation non-significative des concentrations plasmatiques d’ET-3 ainsi qu’une modification du profil pharmacologique des antagonistes des récepteurs à l’ET. En effet, l’utilisation de l’antagoniste sélectif ETA ou de l’antagoniste double était dans les deux cas en mesure de réduire la vasoconstriction pulmonaire à l’ET-3. Les résultats de ces trois études suggèrent qu’il est préférable d’utiliser un antagoniste double dans le traitement de l’HTAP. En effet, (1) en condition d’HTAP, l’utilisation d’un antagoniste double est aussi efficace que l’utilisation d’un antagoniste sélectif ETA; (2) les récepteurs ETA et ETB peuvent former des dimères au niveau des artères de résistance pulmonaires et (3) le récepteur ETB joue un rôle prédominant dans la vasoconstriction pulmonaire, il semble donc essentiel de bloquer simultanément les récepteurs ETA et ETB afin d’inhiber la réponse vasoconstrictrice induite par l’ET. Mots-clés: endothéline-1, endothéline-3, artère de résistance pulmonaire, récepteur vasculaire, antagoniste des récepteurs à l’ET, dimérisation, phosphorothioate, hypertension artérielle pulmonaire

Modulation of Oxytocin Receptors in Right Ventricular Hypertrophy

L’hypertension pulmonaire (HP) est une maladie dont l’étiologie est inconnue et qui entraîne ultimement une défaillance du ventricule droit (VD) et le décès. L’HP peut être induite chez le rat par la la monocrotaline (MCT), un alcaloïde pyrrolizidique extrait de la plante Crotalaria Spectabilis, causant des lésions à l’endothélium des artères pulmonaires, menant à un épaississement de ces dernières et à une augmentation de la résistance vasculaire. Ceci à pour conséquence de causer une hypertrophie du VD, de l’inflammation, une dysfonction endothéliale NO-dépendante des artères coronariennes et une augmentation des peptides natriurétiques circulants. Objectif: Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle l’étiopathologie de l’HP impliquerait le récepteur à ocytocine (OTR) dû à son implication fonctionnelle avec les cytokines inflammatoires et la libération du peptide natriurétique atrial (ANP) et du NO. Méthodes: Des rats mâles Sprague-Dawley pesant 220-250g reçurent une seule injection sous-cutanée de MCT (60 mg/kg). 6 à 7 semaines (46±1 jours) suivant l’injection, les rats furent sacrifiés et l’expression génique et protéique fut déterminée par PCR en temps réel et par western blot, respectivement, dans le VD et le ventricule gauche (VG) Résultats: Les rats traités au MCT démontrèrent une augmentation significative du VD. Une hypertrophie du VD était évidente puisque le ratio du VD sur le VG ainsi que le poids du septum étaient près de 77% plus élevés chez les rats traités au MCT que chez les rats contrôles. Le traitement au MCT augmenta l’expression génique d’ANP (3.7-fois dans le VG et 8-fois dans le VD) ainisi que le NP du cerveau (2.7-fois dans le VG et 10-fois dans le VD). Les transcrits de trois récepteurs de NP augmentèrent significativement (0.3-2 fois) seulement dans le VD. L’expression protéique de la NO synthase (iNOS) fut également augmentée de façon sélective dans le VD. Par contre, les transcripts de NOS endothéliale et de NOS neuronale étaient plus élevés (0.5-2 fold) dans le VG. L’ARNm et l’expression protéique d’OTR furent diminués de 50% dans le VD, tandis qu’une augmentation de l’expression des cytokines IL-1β and IL-6 fut observée. L’ARNm de Nab1, un marqueur d’hypertrophie pathologique, fut augmentée de deux-fois dans le VD. Conclusion: L’augmentation d’expression génique de NP dans le VD des rats traités au MCT est associée à une augmentation des transcripts du récepteur NP, suggérant une action locale de NP dans le VD durant l’HP. L’expression d’OTR est atténuée dans le VD, possiblement par des cytokines inflammatoires puisque le promoteur du gène de l’OTR contient de multiples éléments de réponse aux interleukines. Diminuer l’expression d’OTR dans le VD durant l’hypertension pulmonaire pourrait influencer de manière positive la fonction cardiaque car l’OTR régule la contractilité et le rythme cardiaque. Mots clés: hypertension pulmonaire, hypertrophie du ventricule droit monocrotaline, récepteur à ocytocine, inflammation, peptides natriurétiques.

Heart failure alters matrix metalloproteinase gene expression and activity in rat skeletal muscle

Heart failure is associated with a skeletal muscle myopathy with cellular and extracellular alterations. The hypothesis of this investigation is that extracellular changes may be associated with enhanced mRNA expression and activity of matrix metalloproteinases (MMP). We examined MMP mRNA expression and MMP activity in Soleus (SOL), extensor digitorum longus (EDL), and diaphragm (DIA) muscles of young Wistar rat with monocrotaline-induced heart failure. Rats injected with saline served as age-matched controls. MMP2 and MMP9 mRNA contents were determined by RT-PCR and MMP activity by electrophoresis in gelatin-containing polyacrylamide gels in the presence of SDS under non-reducing conditions. Heart failure increased MMP9 mRNA expression and activity in SOL, EDL and DIA and MMP2 mRNA expression in DIA. These results suggest that MMP changes may contribute to the skeletal muscle myopathy during heart failure.

Heart failure increases atrogin-1 and MuRF1 gene expression in skeletal muscle with fiber type-specific atrophy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Down-regulation of MyoD gene expression in rat diaphragm muscle with heart failure

Diaphragm myopathy has been described in patients with heart failure (HF), with alterations in myosin heavy chains (MHC) expression. The pathways that regulate MHC expression during HF have not been described, and myogenic regulatory factors (MRFs) may be involved. The purpose of this investigation was to determine MRF mRNA expression levels in the diaphragm. Diaphragm muscle from both HF and control Wistar rats was studied when overt HF had developed, 22 days after monocrotaline administration. MyoD, myogenin and MRF4 gene expression were determined by RT-PCR and MHC isoforms by polyacrylamide gel electrophoresis. Heart failure animals presented decreased MHC IIa/IIx protein isoform and MyoD gene expression, without altering MHC I, IIb, myogenin and MRF4. Our results show that in HF, MyoD is selectively down-regulated, which might be associated with alterations in MHC IIa/IIx content. These changes are likely to contribute to the diaphragm myopathy caused by HF.

Morphological aspects of neuromuscular junctions and gene expression of nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) in skeletal muscle of rats with heart failure

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)