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Mobilization of low-molecular-weight iron and peroxidative damage during ischemia and reoxygenation of the rat liver.

Third Department of Surgery, Tokyo Women's Medical College, Japan.
Transplantation Proceedings (Impact Factor: 0.95). 05/1994; 26(2):918-21.
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    ABSTRACT: Abstract Ischemia-reperfusion injury by free radicals and lipid peroxides is observed in various organs. Ascorbic acid (AsA) or glutathione (GSH) in various doses (AsA:2,0.5, 0.1 mmol/kg, GSH:2 mmol/kg) was intraperitoneally administered to male Wistar rats. The entire small intestines were resected just before ischemia, after ischemia, and after 20 min of reperfusion (n= 7–10 at each time point). At each time point, the specimens were subjected to assays of lipid peroxides, GSH, and glutaminase activity of the tissues; they were also examined histologically. In the AsA group, the production of lipid peroxides after reperfusion was significantly suppressed in a dose-dependent manner, and the ratio of oxidized GSH to total GSH was also significantly low. Tissue glutaminase activity decreased to a lesser extent, and the degree of injury was apparently less marked in the AsA group. This study indicates that AsA acts as an antioxidant against peroxidative tissue injury, possibly by scavenging radicals, preserving reduced GSH, and reducing the peroxidative reaction.
    Transplant International 02/1997; 10(2):89 - 95. · 3.16 Impact Factor
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    ABSTRACT: To evaluate whether desferrioxamine decreases ischemia and perfusion injury aggravated by cold storage (CS) in a rat liver perfusion model. Isolated rat livers were kept in CS in University of Wisconsin Solution for 20 h at 4 °C, then exposed to 25 min of warm ischemia (WI) at 37 °C followed by 2 h of warm perfusion (WP) at 37 °C with oxygenated (95% oxygen and 5% carbon dioxide) Krebs-Henseleit buffer. Desferrioxamine (DFO), an iron chelator, was added at different stages of storage, ischemia and perfusion: in CS only, in WI only, in WP only, in WI and perfusion, or in all stages. Effluent samples were collected after CS and after WI. Perfusate samples and bile were collected every 30 min (0, 0.5, 1, 1.5 and 2 h) during liver perfusion. Cellular injury was assessed by the determination of lactate dehydrogenase (LDH) and aspartate aminotransferase (AST) in the effluent and perfusate samples. Total iron was analysed in the perfusate samples. After WP, the liver was collected for the determination of liver swelling (wet to dry ratio) and liver morphological examination (hematoxylin and eosin staining). Increased CS time caused increased liver dysfunction during WP. After 2 h of WP, liver injury was indicated by increased release of AST (0.5 h CS: 9.4 ± 2.2 U/g liver vs 20 h CS: 45.9 ± 10.8 U/g liver, P < 0.05) and LDH (0.5 h CS: 59 ± 14 U/g liver vs 20 h CS: 297 ± 71 U/g liver, P < 0.05). There was an associated increase in iron release into the perfusate (0.5 h CS: 0.11 ± 0.03 μmoL/g liver vs 20 h CS: 0.58 ± 0.10 μmoL/g liver, P < 0.05) and reduction in bile flow (0.5 h CS: 194 ± 12 μL/g vs 20 h CS: 71 ± 8 μL/g liver, P < 0.05). When DFO was added during WI and WP following 20 h of CS, release of iron into the perfusate was decreased (DFO absent 0.58 ± 0.10 μmoL/g liver vs DFO present 0.31 ± 0.06 μmoL/g liver, P < 0.05), and liver function substantially improved with decreased release of AST (DFO absent 45.9 ± 10.8 U/g liver vs DFO present 8.1 ± 0.9 U/g liver, P < 0.05) and LDH (DFO absent 297 ± 71 U/g liver vs DFO present 56 ± 7 U/g liver, P < 0.05), and increased bile flow (DFO absent 71 ± 8 μL/g liver vs DFO present 237 ± 36 μL/g liver, P < 0.05). DFO was also shown to improve liver morphology after WP. Cellular injury (the release of LDH and AST) was significantly reduced with the addition of DFO in CS medium but to a lesser extent compared to the addition of DFO in WP or WI and perfusion. There was no effect on liver swelling or bile flow when DFO was only added to the CS medium. DFO added during WI and perfusion decreased liver perfusion injury aggravated by extended CS.
    World Journal of Gastroenterology 02/2013; 19(5):673-81. · 2.55 Impact Factor
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    ABSTRACT: Das zytotoxische Potential redox-aktiver, chelatisierbarer Eisenionen hängt entscheidend davon ab, wie schnell diese durch intrazelluläre Reduktionsmittel (re-)reduziert werden („Redox-Cycling”), da die eisenabhängige Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) vorwiegend durch zweiwertige Eisenionen (Fe(II)) vermittelt wird. Welche intrazellulären Reduktionsmittel das radikalgenerierende „Redox-Cycling” am effektivsten unterhalten, konnte jedoch bislang noch nicht geklärt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde vergleichend untersucht, wie effektiv isolierte Zellorganellen der Rattenleber, d.h. Mitochondrien, Mikrosomen, Zellkerne und das Cytosol, Fe(III)-ATP reduzieren können. Während die Fe(III)-Reduktionsrate durch das Cytosol und die Kernfraktion generell äußerst gering ausfiel, konnten die Mitochondrien und Mikrosomen (jeweils 0,01 mg Protein/ml) in Anwesenheit von NADH (200 µM) 50 µM Fe(III)-ATP innerhalb einer Stunde fast vollständig reduzieren. Eine Extrapolation auf die Proteinverhältnisse der Rattenleber ergab, dass die Mitochondrien die mit Abstand höchste (65%) NADH-abhängige Fe(III)-Reduktionskapazität aller Zellorganellen besitzen sollten, während auf die Mikrosomen 23% der NADH-abhängigen Fe(III)-Reduktionskapazität aller Organellen entfiel; die Fe(III)-Reduktionskapazität der cytosolischen Fraktion und der Zellkernfraktion betrug lediglich 9% bzw. 2,8%. Auf Grund seiner herausragenden Bedeutung wurde das NADH-abhängige Fe(III)-Reduktionssystem der Mitochondrien genauer untersucht. Eine Beteiligung von Ascorbinsäure und dem Superoxidanionradikal (O2.-) am mitochondrialen Fe(III)-Reduktionsprozess sowie ein direkter Elektronentransfer von NADH auf Fe(III) waren nicht nachweisbar. Neben dem Ausschluss dieser prominenten, niedermolekularen Reduktionsmittel für Eisen(III), wiesen auch der hemmende Effekt von 4,5-Dihydroxyanthrachinon (Rhein) und die ermittelten Michaelis-Menten-Kinetiken auf einen durch Enzyme vermittelten Fe(III)-Reduktionsprozess hin. Eine Beteiligung der Atmungskettenenzyme an der Reduktion von Fe(III)-Ionen konnte ausgeschlossen werden, da sowohl die Atmungsketteninhibitoren Antimycin A und Rotenon als auch die Substrate Glutamat und Malat keinen Einfluss auf die NADH-abhängige Ferrireduktaseaktivität der mitochondrialen Fraktion hatten. Durch Versuche mit submitochondrialen Fraktionen konnte schließlich gezeigt werden, dass die höchste spezifische Fe(III)-Reduktaseaktivität an oder in der äußeren Mitochondrienmembran lokalisiert ist. Aus den vorliegenden Ergebnissen wurde geschlussfolgert, dass ein NADH-abhängiges mitochondriales Enzymsystem, höchst-wahrscheinlich das Cytochrom-c-Reduktasesystem der äußeren Mitochondrienmembran, entscheidend zur effektiven Reduktion der chelatisierbaren Fe(III)-Ionen beiträgt. Aufgrund des hohen Km-Wertes für Fe(III)-ATP (ca. 0,95 mM) sollte dieser enzymatische Reduktionsprozess intrazellulär vor allem dann bedeutend werden, wenn die cytosolischen Konzentrationen von NADH und chelatisierbarer Fe(III)-Ionen unter pathologischen Bedingungen stark erhöht sind. In vergleichenden Versuchen wurde weiterhin demonstriert, dass die Mitochondrien der Skelettmuskulatur (Musculus gastrocnemius) chelatisierbares Fe(III) genauso effektiv wie die Lebermitochondrien NADH-abhängig reduzieren können. Das toxische Potential von extrazellulärem, chelatisierbarem Eisen im Rahmen des mechanischen Muskeltraumas wurde anhand eines in vitro-Traumamodells näher charakterisiert. Da bekannt ist, dass infolge einer mechanischen Zerstörung von Gewebestrukturen große Mengen intrazellulärer Metabolite freigesetzt werden, die zur Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies beitragen können, wurde zunächst die Freisetzung chelatisierbarer Eisenionen nach der Schädigung (Homogenisierung) des Skelettmuskels der Ratte untersucht. Im 1:10-Homogenat des Skelettmuskels Musculus gastrocnemius konnten mit dem Fluoreszenzindikator Phen Green SK (PG SK) 5 µM chelatisierbares Eisen nachgewiesen werden, das unmittelbar nach der Zerstörung des Muskelgewebes freigesetzt wurde und dessen Konzentration über einen Beobachtungszeitraum von 24 Stunden konstant blieb. Das freigesetzte, chelatisierbare Eisen entsprach 3% des muskulären Gesamteisens und war hauptsächlich mit Makromolekülen (≥ 30 kDa), höchstwahrscheinlich Proteinen, assoziiert. Vermutlich aus sterischen Gründen wurde das PG SK-detektierbare Eisen nur zu einem sehr geringen Teil durch Apo-Transferrin gebunden. Zudem war es hoch redox-aktiv und vermittelte eine erhebliche Bildung Thiobarbitursäure-reaktiver Substanzen (TBARS) als Maß für eine Lipidperoxidation im Muskelhomogenat. Eine Beteiligung von Protoporphyrin-Eisen des Myoglobins konnte hierbei ausgeschlossen werden. Im Hinblick auf die in vivo-Situation wurde aus den vorliegenden Daten postuliert, dass infolge eines mechanischen Muskeltraumas erhebliche Mengen redox-aktiver, chelatisierbarer Eisenionen in den Blutkreislauf freigesetzt werden könnten, die nicht durch Transferrin gebunden werden und somit potentiell eisenabhängige, oxidative Schädigungsprozesse vermitteln.