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)

Serotonin 5-HT2B receptors are required for bone-marrow contribution to pulmonary arterial hypertension

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a progressive disease characterized by lung endothelial dysfunction and vascular remodeling. Recently, bone marrow progenitor cells have been localized to PAH lungs, raising the question of their role in disease progression. Independently, serotonin (5-HT) and its receptors have been identified as contributors to the PAH pathogenesis. We hypothesized that 1 of these receptors, 5-HT(2B), is involved in bone marrow stem cell mobilization that participates in the development of PAH and pulmonary vascular remodeling. A first study revealed expression of 5-HT(2B) receptors by circulating c-kit(+) precursor cells, whereas mice lacking 5-HT(2B) receptors showed alterations in platelets and monocyte-macrophage numbers, and in myeloid lineages of bone marrow. Strikingly, mice with restricted expression of 5-HT(2B) receptors in bone marrow cells developed hypoxia or monocrotaline-induced increase in pulmonary pressure and vascular remodeling, whereas restricted elimination of 5-HT(2B) receptors on bone marrow cells confers a complete resistance. Moreover, ex vivo culture of human CD34(+) or mice c-kit(+) progenitor cells in the presence of a 5-HT(2B) receptor antagonist resulted in altered myeloid differentiation potential. Thus, we demonstrate that activation of 5-HT(2B) receptors on bone marrow lineage progenitors is critical for the development of PAH.

Isolation, characterization, and functional assessment of novel smooth muscle like stem progenitors

Vascular smooth muscle cells (VSMC) are one of the key players in the pathogenesis of cardiovascular diseases. The origin of neointimal VSMC has thus become a prime focus of research. VSMC originate from multiple progenitors cell types. In embryo the well-defined sources of VSMC include; neural crest cells, proepicardial cells and EPC. In adults, though progenitor cells from bone marrow (BM), circulation and tissues giving rise to SMC have been identified, no progress has been made in terms of isolating highly proliferative clonal population of adult stem cells with potential to differentiate into SMC. Smooth muscle like stem progenitor cells (SMSPC) were isolated from cardiopulmonary bypass filters of adult patients undergoing CABG. Rat SMSPC have previously been isolated by our group from the bone marrow of Fischer rats and also from the peripheral blood of monocrotaline induced pulmonary hypertension (MCT-PHTN) animal model. Characterization of novel SMSPC exhibited stem cell characteristics and machinery for differentiation into SMC. The expression of Isl-1 on SMSPC provided unique molecular identity to these circulating stem progenitor cells. The functional potential of SMSPC was determined by monitoring adoptive transfer of GFP+ SMSPC in rodent models of vascular injury; carotid injury and MCT-PHTN. The participation of SMSPC in vascular pathology was confirmed by quantifying the peripheral blood, and engrafted levels of SMSPC using RT-PCR. In terms of translating into clinical practice, SMSPC could be a good tool for detecting the atherosclerotic plaque burden. The current study demonstrates the existence of novel adult stem progenitor cells in circulation, with the potential role in vascular pathology.

Development and validation of a rapid multiplex ELISA for pyrrolizidine alkaloids and their N-oxides in honey and feed Rapid Detection in Food and Feed

Pyrrolizidine alkaloids (PAs) are a group of plant secondary metabolites with carcinogenic and hepatotoxic properties. When PA-producing plants contaminate crops, toxins can be transferred through the food chain and cause illness in humans and animals, most notably hepatic veno-occlusive disease. Honey has been identified as a direct risk of human exposure. The European Food Safety Authority has recently identified four groups of PAs that are of particular importance for food and feed: senecionine-type, lycopsamine-type, heliotrine-type and monocrotaline-type. Liquid or gas chromatography methods are currently used to detect PAs but there are no rapid screening assays available commercially. Therefore, the aim of this study was to develop a rapid multiplex ELISA test for the representatives of three groups of alkaloids (senecionine, lycopsamine and heliotrine types) that would be used as a risk-management tool for the screening of these toxic compounds in food and feed. The method was validated for honey and feed matrices and was demonstrated to have a detection capability less than 25 µg/kg for jacobine, lycopsamine, heliotrine and senecionine. The zinc reduction step introduced to the extraction procedure allows for the additional detection of the presence of N-oxides of PAs. This first multiplex immunoassay for PA detection with N-oxide reduction can be used for the simultaneous screening of 21 samples for >12 PA analytes. Honey samples (n?=?146) from various origins were analysed for PA determination. Six samples were determined to contain measurable PAs >25 µg/kg by ELISA which correlated to >10 µg/kg by LC-MS/MS.

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)

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

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

Heart failure alters MyoD and MRF4 expressions in rat skeletal muscle

Heart failure (HF) is characterized by a skeletal muscle myopathy with increased expression of fast myosin heavy chains (MHCs). The skeletal muscle-specific molecular regulatory mechanisms controlling MHC expression during HF have not been described. Myogenic regulatory factors (MRFs), a family of transcriptional factors that control the expression of several skeletal muscle-specific genes, may be related to these alterations. This investigation was undertaken in order to examine potential relationships between MRF mRNA expression and MHC protein isoforms in Wistar rat skeletal muscle with monocrotaline-induced HF. We studied soleus (Sol) and extensor digitorum longus (EDL) muscles from both HF and control Wistar rats. MyoD, myogenin and MRF4 contents were determined using reverse transcription-polymerase chain reaction while MHC isoforms were separated using polyacrylamide gel electrophoresis. Despite no change in MHC composition of Wistar rat skeletal muscles with HF, the mRNA relative expression of MyoD in Sol and EDL muscles and that of MRF4 in Sol muscle were significantly reduced, whereas myogenin was not changed in both muscles. This down-regulation in the mRNA relative expression of MRF4 in Sol was associated with atrophy in response to HF while these alterations were not present in EDL muscle. Taken together, our results show a potential role for MRFs in skeletal muscle myopathy during HF. © 2006 Blackwell Science Ltd.