Diabetic cardiomyopathy (DCM) is described as abnormalities of myocardial structure and function in diabetic patients without other well-established cardiovascular factors. Although multiple pathological mechanisms involving in this unique myocardial disorder, mitochondrial dysfunction may play an important role in its development of DCM. Recently, considerable progresses have suggested that mitochondrial biogenesis is a tightly controlled process initiating mitochondrial generation and maintaining mitochondrial function, appears to be associated with DCM. Nonetheless, an outlook on the mechanisms and clinical relevance of dysfunction in mitochondrial biogenesis among patients with DCM is not completely understood. In this review, hence, we will summarize the role of mitochondrial biogenesis dysfunction in the development of DCM, especially the molecular underlying mechanism concerning the signaling pathways beyond the stimulation and inhibition of mitochondrial biogenesis. Additionally, the evaluations and potential therapeutic strategies regarding mitochondrial biogenesis dysfunction in DCM is also presented.
Kim, Hae-Won;Lee, Hee-Ran;Jang-Yang, Yeon-Jin;Park, Hyoung-Sup;Park, So-Young
The Korean Journal of Pharmacology
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v.29
no.2
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pp.195-202
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1993
Oxidative modification of cellular proteins and lipids may play a role in the development of diabetic complications. Diabetic cardiomyopathy has been suggested to be caused by the intracellular $Ca^{2+}$ overload in the myocardium, which is partly due to the defect of calcium transport of the cardiac sarcoplasmic reticulum (SR). In the present study, the possible mechanism of the functional defect of cardiac SR in diabetic rats was studied. Both of the maximal $Ca^{2+}$ uptake and the affinity for $Ca^{2+}$ were decreased in the diabetic rat SR in comparison with the control. To investigate whether the functional defect of the cardiac SR in streptozotocin-induced diabetic rat is associated with the oxidative changes of cardiac SR proteins, the carbonyl group content and glycohemoglobin levels were determined. The increase in carbonyl group content of cardiac SR (2.30 nmols/mg protein, DM; 1.78, control) and in glycohemoglobin level $(13{\sim}17%,\;DM;\;3{\sim}5%,\;control)$ were observed in the diabetics. The extent of increase in calcium transport by phospholamban phosphorylation was greater in the diabetic cardiac SR membranes than that in the control. The phosphorylation levels of phospholamban, as determined by SDS-PAGE and autoradiography with $[{\gamma}^{32}P]ATP$, were increased in diabetic cardiac SR. These results suggest that the impaired cardiac SR function in diabetic rat could be a consequence of the less-phosphorylation of phospholamban in the basal state, which is partly due to the depleted norepinephrine stores in the heart. Furthermore, the oxidative damages in cardiac SR membranes might be one of the additional factors leading to the diabetic cardiomyopathy.
Proceedings of the Korean Biophysical Society Conference
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2002.06b
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pp.40-40
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2002
Altered intracellular $Ca^{2+}$ homeostasis is presumably the primary mechanism of the diastolic impairment in diabetic cardiomyopathy. However, causal relations of numerous environmental changes observed in the diabetic heart have been left unresolved. In the present study, we sought to establish an in vitro model of diabetic cardiomyopathy using H9c2 cardiac myocyte cell line.(omitted)
Diabetes mellitus revealed a chronic disorder of lipid, carbohydrate and protein metabolism characterized by insulin deficiency, and a striking tendency toward development of atherosclerosis, microangiopathy, nephropathy, neuropathy and recently cardiomyopathy etc. The mechanism of heart failure in patients with diabetic cardiomyopathy is not clear but diabetic cardiomyopathy usually occurs in persons with long standing diabetes. After diabetes induced in made Sprague- Dawley strain rats by injection of streptozotocin(60mg/kg), cardiac tissue with hematoxylin-eosin and Masson's trichrome stain was examined at 3 days, 1, 2, 4, 6 weeks later under light microscope. The results were obtained as follows : 1. In H&E stain of control group, myocardiac cells were shorter than skeletal muscle cell, which was branched out and connected each other at terminal with striation, intercalated disk and nucleus at center of cell. 2. In MT stain of control group, a few of collagen fibrile were seen at periva scular interstium, but wasn't seen between skeletal muscle fiber, and cardiac muscle was seen in various size. 3. In MT stain of experimental group, increased collagen fiber deposition at perivascular interstiums were seen periodically. 4. In MT stain of experimental group, increased collagen fiber deposition at interstitial matrix between perimyocardiac cells were seen at 3 day, 4 weeks and 6 weeks after DM induction. 5. In H&E stain of experimental group, partial degeneration of myocardiac cells was seen after 4 weeks of DM induction. From above results, streptozotocin induced diabetes mellitus increased collagen around perivascular and between intercellular matrix in heart.
During long standing hyperglycaemic state in diabetes mellitus, glucose forms covalent adducts with the plasma proteins through a non-enzymatic process known as glycation. Protein glycation and formation of advanced glycation end products (AGEs) play an important role in the pathogenesis of diabetic complications like retinopathy, nephropathy, neuropathy, cardiomyopathy along with some other diseases such as rheumatoid arthritis, osteoporosis and aging. Glycation of proteins interferes with their normal functions by disrupting molecular conformation, altering enzymatic activity, and interfering with receptor functioning. AGEs form intra- and extracellular cross linking not only with proteins, but with some other endogenous key molecules including lipids and nucleic acids to contribute in the development of diabetic complications. Recent studies suggest that AGEs interact with plasma membrane localized receptors for AGEs (RAGE) to alter intracellular signaling, gene expression, release of pro-inflammatory molecules and free radicals. The present review discusses the glycation of plasma proteins such as albumin, fibrinogen, globulins and collagen to form different types of AGEs. Furthermore, the role of AGEs in the pathogenesis of diabetic complications including retinopathy, cataract, neuropathy, nephropathy and cardiomyopathy is also discussed.
The ryanodine receptor, a $Ca^{2+}$ release channel of the sarcoplasmic reticulum (SR), is responsible for the rapid release of $Ca^{2+}$ that activates cardiac muscle contraction. In the excitation-contraction coupling cascade, activation of SR $Ca^{2+}$ release channel is initiated by the activity of sarcolemmal $Ca^{2+}$ channels, the dihydropyridine receptors. Previous study showed that the relaxation defect of diabetic heart was due to the changes of the expressional levels of SR $Ca^{2+}$ATPase and phospholamban. In the diabetic heart contractile abnormalities were also observed, and one of the mechanisms for these changes could include alterations in the expression and/or activity levels of various $Ca^{2+}$ regulatory proteins involving cardiac contraction. In the present study, underlying mechanisms for the functional derangement of the diabetic cardiomyopathy were investigated with respect to ryanodine receptor, and dihydropyridine receptor at the transcriptional and translational levels. Quantitative changes of ryanodine receptors and the dihydropyridine receptors, and the functional consequences of those changes in diabetic heart were investigated. The levels of protein and mRNA of the ryanodine receptor in diabetic rats were comparable to these of the control. However, the binding capacity of ryanodine was significantly decreased in diabetic rat hearts. Furthermore, the reduction in the binding capacity of ryanodine receptor was completely restored by insulin. This result suggests that there were no transcriptional and translational changes but functional changes, such as conformational changes of the $Ca^{2+}$ release channel, which might be regulated by insulin. The protein level of the dihydropyridine receptor and the binding capacity of nitrendipine in the sarcolemmal membranes of diabetic rats were not different as compared to these of the control. In conclusion, in diabetic hearts, $Ca^{2+}$ release processes are impaired, which are likely to lead to functional derangement of contraction of heart. This dysregulation of intracellular $Ca^{2+}$ concentration could explain for clinical findings of diabetic cardiomyopathy and provide the scientific basis for more effective treatments of diabetic patients. In view of these results, insulin may be involved in the control of intracellular $Ca^{2+}$ in the cardiomyocyte via unknown mechanism, which needs further study.
Proceedings of the Korean Biophysical Society Conference
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1999.06a
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pp.29-29
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1999
Diabetic cardiomyopathy has been suggested to be caused by the intracellular Ca$\^$2+/ overload in the myocardium. We have investigated the possible mechanism of the functional defect of cardiac sarcoplasmic reticulum (SR) in diabetic rats with respect to Ca$\^$2+/-ATPase and phospholamban (PLB) at the transcriptional and translational levels.(omitted)
Diabetic cardiomyopathy (DCM), a serious complication of diabetes mellitus, is associated with changes in myocardial structure and function. This study sought to explore the ability of insulin-like growth factor-1 (IGF-1) to modulate DCM and its related mechanisms. Twenty-four male Wistar rats were injected with streptozotocin (STZ, 60 mg/kg) to mimic diabetes mellitus. Myocardial fibrosis and apoptosis were evaluated by histopathologic analyses, and relevant proteins were analyzed by Western blotting. Inflammatory factors were assessed by ELISA. Markers of oxidative stress were tested by colorimetric analysis. Rats with DCM displayed decreased body weight, metabolic abnormalities, elevated apoptosis (as assessed by the bcl-2/bax ratio and TUNEL assays), increased fibrosis, increased markers of oxidative stress (MDA and SOD) and inflammatory factors (TNF-${\alpha}$ and IL-$1{\beta}$), and decreased phosphorylation of Akt and glycogen synthase kinase (GSK-$3{\beta}$). IGF-1 treatment, however, attenuated the metabolic abnormalities and myocardial apoptosis, interstitial fibrosis, oxidative stress and inflammation seen in diabetic rats, while also increasing the phosphorylation levels of Akt and GSK-$3{\beta}$. These findings suggest that IGF-1 ameliorates the pathophysiological progress of DCM along with an activation of the Akt/GSK-$3{\beta}$ signaling pathway. Our findings suggest that IGF-1 could be a potential therapeutic choice for controlling DCM.
Myocardial fibrosis is a key link in the occurrence and development of diabetic cardiomyopathy. Its etiology is complex, and the effect of drugs is not good. Cardiomyocyte apoptosis is an important cause of myocardial fibrosis. The purpose of this study was to investigate the effect of gaseous signal molecule sulfur dioxide (SO2) on diabetic myocardial fibrosis and its internal regulatory mechanism. Masson and TUNEL staining, Western-blot, transmission electron microscopy, RT-qPCR, immunofluorescence staining, and flow cytometry were used in the study, and the interstitial collagen deposition, autophagy, apoptosis, and changes in phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/AKT pathways were evaluated from in vivo and in vitro experiments. The results showed that diabetic myocardial fibrosis was accompanied by cardiomyocyte apoptosis and down-regulation of endogenous SO2-producing enzyme aspartate aminotransferase (AAT)1/2. However, exogenous SO2 donors could up-regulate AAT1/2, reduce apoptosis of cardiomyocytes induced by diabetic rats or high glucose, inhibit phosphorylation of PI3K/AKT protein, up-regulate autophagy, and reduce interstitial collagen deposition. In conclusion, the results of this study suggest that the gaseous signal molecule SO2 can inhibit the PI3K/AKT pathway to promote cytoprotective autophagy and inhibit cardiomyocyte apoptosis to improve myocardial fibrosis in diabetic rats. The results of this study are expected to provide new targets and intervention strategies for the prevention and treatment of diabetic cardiomyopathy.
Proceedings of the Korean Biophysical Society Conference
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2001.06a
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pp.66-66
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2001
Diabetic cardiomyopathy has been suggested to be caused by abnormal intracellular $Ca^{2+}$ homeostasis in the myocardium, which is partly due to a defect in calcium transport by the cardiac sarcoplasmic reticulum (SR). In the present study, the underlying mechanism for this functional derangement was investigated with respect to SR $Ca^{2+}$-ATPase and phospholamban (PLB, the inhibitor of SR $Ca^{2+}$-ATPase).(omitted)d)
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