Mitochondria dysfunction was first described in the 1960s. However, the extent and mechanisms of mitochondria dysfunction's role in cellular physiology and pathology has only recently begun to be appreciated. To adequately evaluate mitochondria-mediated toxicity, it is not only necessary to understand mitochondria biology, but discerning mitochondrial redox biology is also essential. The latter is intricately tied to mitochondrial bioenergetics. Mitochondrial free radicals, antioxidants, and antioxidant enzymes are players in mitochondrial redox biology. This review will provide an across-the-board, albeit not in-depth, overview of mitochondria biology and mitochondrial redox biology. With accumulating knowledge on mitochondria biology and mitochondrial redox biology, we may devise experimental methods with adequate sensitivity and specificity to evaluate mitochondrial toxicity, especially in vivo in living organisms, in the near future.
Degradation of glucose is aberrantly increased in hyperglycemia, which causes various harmful effects on the liver. Methylglyoxal is produced during glucose degradation and the levels of methylglyoxal are increased in diabetes patients. In this study we investigated whether methylglyoxal induces mitochondrial impairment and apoptosis in HepG2 cells and induces liver toxicity in vivo. Methylglyoxal caused apoptotic cell death in HepG2 cells. Moreover, methylglyoxal significantly promoted the production of reactive oxygen species (ROS) and depleted glutathione (GSH) content. Pretreatment with antioxidants caused a marked decrease in methylglyoxal-induced apoptosis, indicating that oxidant species are involved in the apoptotic process. Methylglyoxal treatment induced mitochondrial permeability transition, which represents mitochondrial impairment. However, pretreatment with cyclosporin A, an inhibitor of the formation of the permeability transition pore, partially inhibited methylglyoxal-induced cell death. Furthermore, acute treatment of mice with methylglyoxal increased the plasma levels of alanine aminotransferase (ALT) and aspartate aminotransferase (AST), indicating liver toxicity. Collectively, our results showed that methylglyoxal increases cell death and induces liver toxicity, which results from ROS-mediated mitochondrial dysfunction and oxidative stress.
Mitochondrial permeability transition has been shown to be involved in neuronal cell death. Mitochondrial monoamine oxidase (MAO)-B is considered to play a part in the progress of nigrostriatal cell death. The present study examined the effect of MAO inhibitors against the toxicity of 1-methyl-4-phenylpyridinium $(MPP^+)$ in relation to the mitochondrial permeability transition. Chlorgyline (a selective inhibitor of MAO-A), deprenyl (a selective inhibitor of MAO-B) and tranylcypromine (nonselective inhibitor of MAO) all prevented cell viability loss, cytochrome c release, caspase-3 activation, formation of reactive oxygen species and depletion of GSH in differentiated PC12 cells treated with $500\;{\mu}M$$MPP^+$. The MAO inhibitors at $10\;{\mu}M$ revealed a maximal inhibitory effect and beyond this concentration the inhibitory effect declined. On the basis of concentration, the inhibitory potency was tranylcypromine, deprenyl and chlorgyline order. The results suggest that chlorgyline, deprenyl and tranylcypromine attenuate the toxicity of $MPP^+$ against PC12 cells by suppressing the mitochondrial permeability transition that seems to be mediated by oxidative stress.
Background: Telbivudine is a nucleoside analogue used for the treatment of chronic hepatitis B, but it often develops mitochondrial toxicity leading to symptomatic myopathy. In this study, three patients with telbivudine induced myopathy were enrolled in order to investigate the nature and pathogenesis of mitochondrial toxicity caused by long-term use of telbivudine. Methods: Clinical features, laboratory findings, muscle pathology, and quantitation of mitochondrial DNA were studied in three patients. Results: Patients presented with progressive muscle weakness with high serum creatine kinase levels. Light microscopic findings of muscle pathology showed ragged red fibers that reacted strongly with succinate dehydrogenase stain, but negative for cytochrome c oxidase activities. Electron microscopy revealed abnormal mitochondrial accumulation with rod shaped inclusions. The quantitative peroxidase chain reaction showed a depletion of mitochondrial DNA in skeletal muscle of the patients. Conclusions: Nucleoside analogues including telbivudine are potent inhibitors of viral DNA polymerases. However, they are not specific for viral DNA and can disturb mitochondrial replication at the same time. All nucleotide analogues should be used with close clinical observation in order to avoid development of mitochondrial myopathy.
Among the toxicants in the environment dioxin-like compounds, including TCDD(2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-Dioxin), are well known as carcinogen and teratogen. TCDD the most toxic of these compounds, may result in a wide variety of adverse health effects in humans and environment, including carconogenesis, hepatotoxicity, teratogenesis, and immunotoxicity. Also TCDD increases superoxide, peroxide radicals and induces oxidative stress that leads to breakage of DNA single-strand and mitochondrial dysfunction. Recently, there have been reports that persistent organic pollutants(POPs) may be causing metabolic disease through mitochondrial toxicity. In order to examine if dioxin brings about toxicity on mitochondria directly, we measured the change of the mitochondrial membrane potential after exposure to TCDD using JC-1 dye. After short time exposure of dioxin, mitochondrial depolarization was observed but it recovered to the control level immediately. This TCDD effect on mitochondrial membrane potential was not correlated either to the production of reactive oxygen species(ROS) or extracellular $Ca^{2+}$ by TCDD. Less than 2 hours exposure of TCDD did not show any change in ROS production but 0.25 nM TCDD for 48 hours or 0.5 nM TCDD for 12 hours exposure did increase in ROS production. Under these conditions of ROS production by TCDD, no changes in the mitochondrial membrane potential by TCDD was observed.
Alzheimer's disease (AD) is neurodegenerative disease, characterized by the progressive decline of memory, cognitive functions, and changes in personality. The major pathological features in postmortem brains are neurofibrillary tangles and amyloid beta ($A{\beta}$) deposits. The majority of AD cases are sporadic and age-related. Although AD pathogenesis has not been established, aging and declining mitochondrial function has been associated. Mitochondrial dysfunction has been observed in AD patients' brains and AD mice models, and the mice with a genetic defect in mitochondrial complex I showed enhanced $A{\beta}$ level in vivo. To elucidate the role of mitochondrial complex I in AD, we used SH-SY5Y cells transfected with DNA constructs expressing human amyloid precursor protein (APP) or human Swedish APP mutant (APP-swe). The expression of APP-swe increased the level of $A{\beta}$ protein in comparison with control. When complex I was inhibited by rotenone, the increase of ROS level was remarkably higher in the cells overexpressing APP-swe compared to control. The number of dead cell was significantly increased in APP-swe-expressing cells by complex I inhibition. We suggest that complex I dysfunction accelerate amyloid toxicity and mitochondrial complex I dysfunction in aging may contribute to the pathogenesis of sporadic AD.
Adisa, Rahmat Adetutu;Kolawole, Naimat;Sulaimon, Lateef A.;Brai, Bathlomew;Ijaola, Abraham
Toxicological Research
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v.35
no.1
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pp.13-24
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2019
Numerous ethnomedicinal uses have been attributed to different parts of Annona senegalensis (ASE), including its uses as food and food additives. The present study investigated toxicological and antioxidant effects of 28 days administration of ethanol extracts of ASE stem bark to Wistar strain albino rats. Acute toxicity test was done to determine lethal dose in Wistar rats while sub-acute toxicity test was conducted on rats divided into four groups (A - control, B - 50 mg/kg, C - 100 mg/kg, D - 150 mg/kg, respectively and treated for 28 days. Oxidative stress markers in liver and kidney as well as hepatic succinate dehydrogenase activity in the mitochondrial and post mitochondrial fractions (PMF) were evaluated. The $LD_{50}$ value of ASE was > 2,000 mg/kg. White blood cell counts gradually increased, but red blood cell counts and haematocrits level decreased significantly (p < 0.05) by about 50%. Liver enzymes in the serum and mitochondrial succinate dehydrogenase activity increased significantly (p < 0.05). Superoxide dismutase and catalase activities also increased in liver mitochondria and PMF while malondialdehyde (MDA) and reduced glutathione levels increased only in the PMF. Furthermore, only MDA levels increased significantly in the kidney after 28 days extract administration. Histopathological examination showed hepatic necrosis and no obvious signs of nephrotoxicity. Anona senegalensis is relatively safe, but prolonged ingestion could induce oxidative stress and impair ATP synthesis through the modulation of the activity of mitochondrial succinate dehydrogenase.
Disulfiram is a drug used to treat alcohol dependence. Recent studies have shown that disulfiram also has anti-cancer effects. Considering that many anti-cancer agents have side effects, including immunosuppression, it is important to check if disulfiram has some cytotoxicity to immune cells. In this study, mouse spleen cells were treated with disulfiram and the metabolic activity was measured. Disulfiram increased the cell death of spleen cells according to annexin V-FITC/PI staining analysis. In addition, disulfiram decreased the mitochondrial membrane potential of spleen cells. The toxicity of disulfiram was concentration dependent. Interestingly, disulfiram affected the population of lymphocytes and the subset of spleen cells was altered. This study provides clinicians and researchers with valuable information regarding the toxicity of disulfiram to mouse spleen cells, particularly lymphocytes.
Min Ju Kim;Se‑Been Jeon;Hyo‑Gu Kang;Bong‑Seok Song;Bo‑Woong Sim;Sun‑Uk Kim;Pil‑Soo Jeong;Seong‑Keun Cho
Journal of Animal Reproduction and Biotechnology
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v.39
no.1
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pp.48-57
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2024
Background: Cadmium (Cd) is toxic heavy metal that accumulates in organisms after passing through their respiratory and digestive tracts. Although several studies have reported the toxic effects of Cd exposure on human health, its role in embryonic development during preimplantation stage remains unclear. We investigated the effects of Cd on porcine embryonic development and elucidated the mechanism. Methods: We cultured parthenogenetic embryos in media treated with 0, 20, 40, or 60 µM Cd for 6 days and evaluated the rates of cleavage and blastocyst formation. To investigate the mechanism of Cd toxicity, we examined intracellular reactive oxygen species (ROS) and glutathione (GSH) levels. Moreover, we examined mitochondrial content, membrane potential, and ROS. Results: Cleavage and blastocyst formation rates began to decrease significantly in the 40 µM Cd group compared with the control. During post-blastulation, development was significantly delayed in the Cd group. Cd exposure significantly decreased cell number and increased apoptosis rate compared with the control. Embryos exposed to Cd had significantly higher ROS and lower GSH levels, as well as lower expression of antioxidant enzymes, compared with the control. Moreover, embryos exposed to Cd exhibited a significant decrease in mitochondrial content, mitochondrial membrane potential, and expression of mitochondrial genes and an increase in mitochondrial ROS compared to the control. Conclusions: We demonstrated that Cd exposure impairs porcine embryonic development by inducing oxidative stress and mitochondrial dysfunction. Our findings provide insights into the toxicity of Cd exposure on mammalian embryonic development and highlight the importance of preventing Cd pollution.
Glutamate toxicity-mediated mitochondrial dysfunction and neuronal cell death are involved in the pathogenesis of several neurodegenerative diseases as well as acute brain ischemia/stroke. In this study, we investigated the neuroprotective mechanism of dieckol (DEK), one of the phlorotannins isolated from the marine brown alga Ecklonia cava, against glutamate toxicity. Primary cortical neurons ($100{\mu}M$, 24 h) and HT22 neurons (5 mM, 12 h) were stimulated with glutamate to induce glutamate toxic condition. The results demonstrated that DEK treatment significantly increased cell viability in a dose-dependent manner ($1-50{\mu}M$) and recovered morphological deterioration in glutamate-stimulated neurons. In addition, DEK strongly attenuated intracellular reactive oxygen species (ROS) levels, mitochondrial overload of $Ca^{2+}$ and ROS, mitochondrial membrane potential (${\Delta}{\Psi}_m$) disruption, adenine triphosphate depletion. DEK showed free radical scavenging activity in the cell-free system. Furthermore, DEK enhanced protein expression of heme oxygenase-1 (HO-1), an important anti-oxidant enzyme, via the nuclear translocation of nuclear factor-like 2 (Nrf2). Taken together, we conclude that DEK exerts neuroprotective activities against glutamate toxicity through its direct free radical scavenging property and the Nrf-2/HO-1 pathway activation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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