Multidrug-resistant tuberculosis (MDR-TB) is caused by an organism that is resistant to both rifampicin and isoniazid. Extensively drug-resistant TB, a rare type of MDR-TB, is caused by an organism that is resistant to quinolone and one of group A TB drugs (i.e., linezolid and bedaquiline). In 2018, the World Health Organization revised the groupings of TB medicines and reclassified linezolid as a group A drug for the treatment of MDR-TB. Linezolid is a synthetic antimicrobial agent in the oxazolidinone class. Although linezolid has a good efficacy, it can cause substantial adverse events, especially hematologic toxicity. In both TB infection and linezolid mechanism of action, mitochondrial dysfunction plays an important role. In this concise review, characteristics of linezolid as an anti-TB drug are summarized, including its efficacy, pathogenesis of hematologic toxicity highlighting mitochondrial dysfunction, and the monitoring and management of hematologic toxicity.
Cancer cells are known to drastically alter cellular energy metabolism. The Warburg effect has been known for over 80 years as pertaining cancer-specific aerobic glycolysis. As underlying molecular mechanisms are elucidated so that cancer cells alter the cellular energy metabolism for their advantage, the significance of the modulation of metabolic profiles is gaining attention. Now, metabolic reprogramming is becoming an emerging hallmark of cancer. Therapeutic agents that target cancer energy metabolism are under intensive investigation, but these investigations are mostly focused on the cytosolic glycolytic processes. Although mitochondrial oxidative phosphorylation is an integral part of cellular energy metabolism, until recently, it has been regarded as an auxiliary to cytosolic glycolytic processes in cancer energy metabolism. In this review, we will discuss the importance of mitochondrial respiration in the metabolic reprogramming of cancer, in addition to discussing the justification for using mitochondrial DNA somatic mutation as metabolic determinants for cancer sensitivity in glucose limitation.
With wide use of nano-materials, it is increasingly important to address their potential toxicity to mammalian cells. However, toxic effects of these materials have been mainly assessed by the cell survival assays. Considering that mitochondrial morphology and quality are highly sensitive to the condition of the cells, and the impairment of mitochondrial function greatly affect the survival of cells, here we tested the impact of multi-walled carbon nanotubes (MWNT) on the survival, mitochondrial morphology, and their membrane potential in HeLa cells. Interestingly, although MWNT did not induce cell death until 24 hours as assessed by pyknotic cell assay, mitochondrial length was elongated and the mitochondrial membrane potential was significantly reduced by exposure of HeLa cells to MWNT. These results suggest that MWNT exposure is potentially harmful to the cell, and the mechanism how MWNT alters mitochondrial quality should be further explored to assess the safety of MWNT use.
Mitophagy, the selective degradation of damaged or surplus mitochondria using core autophagy machinery, plays an essential role in maintaining cellular mitochondrial function. Impaired mitophagy is closely linked to various human diseases, including neurodegenerative diseases, cardiovascular diseases, cancers and kidney disease. Defective mitophagy induces the accumulation of damaged mitochondria and thereby results in a decline in cellular survival and tissue function. Accordingly, enhancement of mitophagy has been proposed as a novel strategy for the treatment of human diseases closely linked to mitochondrial dysfunction. Recent studies showing that the stimulation of mitophagy has a therapeutic effect on several disease models highlight the possibility of disease treatment using mitophagy. The development of mitophagy inducers with toxicity and the identification of molecular mechanisms will enable the clinical application of mitophagy-based treatments.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.108-109
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2013
Mitochondria play key roles in the production of cell's energy. Their dominant function is the synthesis of adenosine 5'-triphosphate (ATP) from adenosine diphosphate (ADP) and phosphate (Pi) through the oxidative phosphorylation. Evaluation of drug-induced mitochondrial toxicity has become increasingly important since mitochondrial dysfunction has recently been implicated in numerous diseases including cancer and diabetes mellitus. Mitochondrial functions have been monitored via oxygen consumption, mitochondrial membrane potential, and more importantly via ATP synthesis since ATP synthesis is the most essential function of mitochondria. Various analytical methods have been employed to investigate ATP synthesis in mitochondria, including high performance liquid chromatography (HPLC), bioluminescence technique, and pH measurement. However, most of these methods are based on destructive analysis or indirect monitoring through the enzymatic reaction. Infrared absorption spectroscopy (IRAS) is one of the useful techniques for real-time, label-free, and direct monitoring of biological reactions [1,2]. However, the strong water absorption requires very short path length in the order of several micrometers. Transmission measurements with thin path length are not suitable for mitochondrial assays because solution handlings necessary for evaluating mitochondrial toxicity, such as rapid mixing of drugs and oxygen supply, are difficult in such a narrow space. On the other hand, IRAS in the multiple internal reflection (MIR) geometry provides an ideal optical configuration to combine solution handling and aqueous-phase measurement. We have recently reportedon a real-time monitoring of drug-induced necrotic and apoptotic cell death using MIR-IRAS [3,4]. Clear discrimination between viable and damaged cells has been demonstrated, showing a promise as a label-free and real-time detection for cell-based assays. In the present study, we have applied our MIR-IRAS system to mitochondria-based assays by monitoring ATP synthesis in isolated mitochondria from rat livers. Mitochondrial ATP synthesis and hydrolysis were in situ monitored with MIR-IRAS, while dissolved oxygen level and solution pH were simultaneously monitored with O2 and pH electrodes, respectively. It is demonstrated that ATP synthesis and hydrolysis can be monitored by the IR spectral changes in phosphate groups in adenine nucleotides and MIR-IRAS is useful for evaluating time-dependent drug effects of mitochondrial toxicants.
It has been found that a number of diseases are associated with mutations in the mitochondrial DNA. Therapeutic gene delivery to mitochondria has been suggested as a clinical option for these diseases. In this study, we developed a gene carrier to mitochondria by the conjugation of mitochondrial leader peptide (LP) to polyethylenimine (PEI). Mitochondrial LP conjugated PEI (PEI-LP) was synthesized with low molecular weight PEI (2,000 Da, PEI2K). Gel retardation assay showed that PEI2K-LP formed complexes at a 1.0/1 weight ratio. In addition, PEI2K-LP protected DNA from the enzymatic degradation for at least 60 min, while naked DNA was completely degraded within 20 min. PEI2K-LP was compared with LP conjugated high molecular weight PEI (25,000 Da, PEI25K) in terms of toxicity and delivery efficiency. MTT assay showed that PEI2K-LP had much lower cytotoxicity than PEI25K-LP to 293 cells. In addition, cell-free DNA delivery assay showed that PEI2K-LP delivered more DNA to mitochondria at a 1.8/1 weight ratio than naked DNA or PEI. This result suggests that PEI2K-LP may be useful for the development of mitochondrial gene therapy system with lower cytotoxicity.
Mitochondria, fundamental cellular organelles that govern energy metabolism, hold a pivotal role in cellular vitality. While consuming dioxygen to produce adenosine triphosphate (ATP), the electron transfer process within mitochondria can engender the formation of reactive oxygen species that exert dual roles in endothelial homeostatic signaling and oxidative stress. In the context of the intricate electron transfer process, several metal ions that include copper, iron, zinc, and manganese serve as crucial cofactors in mitochondrial metalloenzymes to mediate the synthesis of ATP and antioxidant defense. In this mini review, we provide a comprehensive understanding of the coordination chemistry of mitochondrial cuproenzymes. In detail, cytochrome c oxidase (CcO) reduces dioxygen to water coupled with proton pumping to generate an electrochemical gradient, while superoxide dismutase 1 (SOD1) functions in detoxifying superoxide into hydrogen peroxide. With an emphasis on the catalytic reactions of the copper metalloenzymes and insights into their ligand environment, we also outline the metalation process of these enzymes throughout the copper trafficking system. The impairment of copper homeostasis can trigger mitochondrial dysfunction, and potentially lead to the development of copper-related disorders. We describe the current knowledge regarding copper-mediated toxicity mechanisms, thereby shedding light on prospective therapeutic strategies for pathologies intertwined with copper dyshomeostasis.
Scatena, Roberto;Messana, Irene;Martorana, Giuseppe Ettore;Gozzo, Maria Luisa;Lippa, Silvio;Maccaglia, Alessandro;Bottoni, Patrizia;Vincenzoni, Federica;Nocca, Giuseppina;Castagnola, Massimo;Giardina, Bruno
BMB Reports
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v.37
no.4
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pp.454-459
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2004
Experimental hyperoxia represents a suitable in vitro model to study some pathogenic mechanisms related to oxidative stress. Moreover, it allows the investigation of the molecular pathophysiology underlying oxygen therapy and toxicity. In this study, a modified experimental set up was adopted to accomplish a model of moderate hyperoxia (50% $O_2$, 96 h culture) to induce oxidative stress in the human leukemia cell line, U-937. Spectrophotometric measurements of mitochondrial respiratory enzyme activities, NMR spectroscopy of culture media, determination of antioxidant enzyme activities, and cell proliferation and differentiation assays were performed. The data showed that moderate hyperoxia in this myeloid cell line causes: i) intriguing alterations in the mitochondrial activities at the levels of succinate dehydrogenase and succinate-cytochrome c reductase; ii) induction of metabolic compensatory adaptations, with significant shift to glycolysis; iii) induction of different antioxidant enzyme activities; iv) significant cell growth inhibition and v) no significant apoptosis. This work will permit better characterization the mitochondrial damage induced by hyperoxia. In particular, the data showed a large increase in the succinate cytochrome c reductase activity, which could be a fundamental pathogenic mechanism at the basis of oxygen toxicity.
Lee, Ji Hyung;Amarsanaa, Khulan;Wu, Jinji;Jeon, Sang-Chan;Cui, Yanji;Jung, Sung-Cherl;Park, Deok-Bae;Kim, Se-Jae;Han, Sang-Heon;Kim, Hyun-Wook;Rhyu, Im Joo;Eun, Su-Yong
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.22
no.3
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pp.311-319
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2018
Mitochondrial calcium overload is a crucial event in determining the fate of neuronal cell survival and death, implicated in pathogenesis of neurodegenerative diseases. One of the driving forces of calcium influx into mitochondria is mitochondria membrane potential (${\Delta}{\psi}_m$). Therefore, pharmacological manipulation of ${\Delta}{\psi}_m$ can be a promising strategy to prevent neuronal cell death against brain insults. Based on these issues, we investigated here whether nobiletin, a Citrus polymethoxylated flavone, prevents neurotoxic neuronal calcium overload and cell death via regulating basal ${\Delta}{\psi}_m$ against neuronal insult in primary cortical neurons and pure brain mitochondria isolated from rat cortices. Results demonstrated that nobiletin treatment significantly increased cell viability against glutamate toxicity ($100{\mu}M$, 20 min) in primary cortical neurons. Real-time imaging-based fluorometry data reveal that nobiletin evokes partial mitochondrial depolarization in these neurons. Nobiletin markedly attenuated mitochondrial calcium overload and reactive oxygen species (ROS) generation in glutamate ($100{\mu}M$)-stimulated cortical neurons and isolated pure mitochondria exposed to high concentration of $Ca^{2+}$ ($5{\mu}M$). Nobiletin-induced partial mitochondrial depolarization in intact neurons was confirmed in isolated brain mitochondria using a fluorescence microplate reader. Nobiletin effects on basal ${\Delta}{\psi}_m$ were completely abolished in $K^+-free$ medium on pure isolated mitochondria. Taken together, results demonstrate that $K^+$ influx into mitochondria is critically involved in partial mitochondrial depolarization-related neuroprotective effect of nobiletin. Nobiletin-induced mitochondrial $K^+$ influx is probably mediated, at least in part, by activation of mitochondrial $K^+$ channels. However, further detailed studies should be conducted to determine exact molecular targets of nobiletin in mitochondria.
The purpose of this study was to examine the effects of taurine and vitamin E on sperm characteristics damaged by bromopropane (BP) in pig. We evaluated toxicity of BP on viability, membrane integrity and mitochondrial activity of spermatozoa. 1-BP (0, 2.5, 5.0, 10, and $50{\mu}M$), 2-BP (0, 2.5, 5.0, 10, and $50{\mu}M$), taurine (0, 5.0, 10, and $25{\mu}M$) and vitamin E (0, 50, 100, and $200{\mu}M$) were treated in fresh boar semen for 6 h. 10 and $50{\mu}M$ of 1-BP and 2-BP inhibited sperm viability, membrane integrity and mitochondrial activity in fresh boar semen (P<0.05). $25{\mu}M$ of taurine increased sperm viability and membrane integrity (P<0.05), $100{\mu}M$ of vitamin E enhanced viability and mitochondrial activity of sperm (P<0.05). Finally, $10{\mu}M$ of 1-BP and 2-BP was co-treated with taurine ($25{\mu}M$) and vitamin E ($100{\mu}M$) in the fresh boar semen. The co-treated samples did affected viability, membrane integrity and mitochondrial activity of sperm. In conclusion, taurine and vitamin E can improve and maintain sperm quality in fresh boar semen.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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