Hepatic ischemia and reperfusion (l/R) predisposes the liver to secondary stresses such as endotoxemia, possibly via dysregulation of the hepatic microcirculation secondary to an imbalanced regulation of the vascular stress genes. In this study, the effect of hepatic I/R on the hepatic vasoregulatory gene expression in response to endotoxin was determined. Rats were subjected to 90 min of hepatic ischemia and 6 h of reperfusion. Lipopolysaccharide (LPS, 1 mg/kg) was injected intraperitoneally after reperfusion. Plasma and liver samples were obtained 6 h after reperfusion for serum aminotransferase assays and RT-PCR analysis of the mRNA for the genes of interest: endothelin-1 (ET-1), its receptors $ET_A$ and $ET_B$, endothelial nitric oxide synthase (eNOS), inducible nitric oxide synthase (iNOS), heme oxygenase-1 (HO-1), cyciooxygenase-2 (COX-2), and tumor necrosis factor-a (TNF-${\alpha}$). The activities of serum aminotransferases were significantly increased in the I/R group. This increase was markedly potentiated by LPS treatment. The ET-1 mRNA was increased by LPS alone, and this increase was significantly greater in both the I/R alone and I/R + LPS groups compared to the sham. There were no significant differences in ETA receptor mRNA levels among any of the experimental groups. $ET_B$ mRNA was increased by both LPS alone and I/R alone, with no significant difference between the I/R alone and I/R + LPS groups. The eN OS and HO-1 transcripts were increased by I/R alone and further increased by I/R + LPS. The iNOS mRNA levels were increased by I/R alone, but increased significantly more by both LPS alone and I/R + LPS compared to I/R alone. The TNF-${\alpha}$ mRNA levels showed no change with I/R alone, but were increased by both LPS alone and I/R + LPS. The COX-2 expression was increased significantly by I/R alone and significantly more by I/R + LPS. Taken collectively, significantly greater induction of the vasodilator genes over the constriction forces was observed with I/R + LPS. These results may partly explain the increased susceptibility of ischemic livers to injury as a result of endotoxemia.
Hepatic microcirculatory failure is a major component of reperfusion injury in the liver. Recent data provided some evidence that endothelium-derived vasoconstrictors and vasodilators may be functionally important to the control of the total hepatic blood flow under these conditions of circulatory failure. Since Kupffer cells provide signals that regulate the hepatic response in ischemia/reperfusion (I/R), the aim of this study was to investigate the role of Kupffer cells in the I/R-induced imbalance of vasoregulatory gene expression. Rats were subjected to 60 min hepatic ischemia, followed by 5 h of reperfusion. The Kupffer cells were inactivated by gadolinium chloride ($GdCl_3$, 7.5 mg/kg body weight, intravenously) 1 day prior to ischemia. Liver samples were obtained 5 hrs after reperfusion for RT-PCR analysis of the mRNA for genes of interest: endothelin-1 (ET-1), its receptors $ET_A and ET_B$, endothelial nitric oxide synthase (eNOS), inducible nitric oxide synthase (iNOS) and heme oxygenase-1 (HO-1). ET-1 mRNA expression was increased by I/R. mRNA levels for $ET_A$ receptors showed no change, whereas $ET_B$ receptor transcripts increased in the I/R group. The increases in ET-1 and $ET_B$ mRNA were not prevented by the $GdCI_3$ pretreatment. The mRNA levels for iNOS and eNOS significantly increased within the I/R group with no significant difference between the I/R group and the $GdCl_3$-treated I/R group. HO-1 mRNA expression significantly increased in the I/R group and this increase was attenuated by $GdCI_3$. In conclusion, we have demonstrated that an imbalance in hepatic vasoregulatory gene expression occurs during I/R. Our findings suggest that the activation of Kupffer cells is not required for I/R-induced hepatic microvascular dysfunction.
Background: It has been well documented that transient occlusion of the coronary artery causes myocardial ischemia and finally cell death when ischemia is sustained for more than 20 minutes. Extensive studies have revealed that ischemic myocardium cannot recover without reperfusion by adequate restoration of blood flow, however, reperfusion can cause long-lasting cardiac dysfunction and aggravation of structural damage. The author therefore attempted to examine the effect of postischemic reperfusion on myocardial ultrastructure and to determine the rationales for recanalization therapy to salvage ischemic myocardium. Materials and methods: Young Holstein-Friesian cows(130∼140 Kg body weight; n=40) of both sexes, maintained with nutritionally balanced diet and under constant conditions, were used. The left anterior descending coronary artery(LAD) was occluded by ligation with 4-0 silk snare for 20 minutes and recanalized by release of the ligation under continuous intravenous drip anesthesia with sodium pentobarbital(0.15 mg/Kg/min). Drill biopsies of the risk area (antero-lateral wall) were performed at just on reperfusion(5 minutes), 1-, 2-, 3-, 6-, 12-hours after recanalization, and at 1-hour assist(only with mechanical respiration and fluid replacement) after 12-hour recanalization. The materials were subdivided into subepicardial and subendocardial tissues. Tissue samples were examined with a transmission electron microscope (Philips EM 300) at the accelerating voltage of 60 KeV. Results: After a 20-minute ligation of the LAD, myocytes showed slight to moderate degree of ultrastructural changes including subsarcolemmal bleb formation, loss of nuclear matrix, clumping of chromatin and margination, mitochondrial destruction, and contracture of sarcomeres. However, microvascular structures were relatively well preserved. After 1-hour reperfusion, nuclear and mitochondrial matrices reappeared and intravascular plugging by polymorphonuclear leukocytes or platelets was observed. However, nucleoli and intramitochondrial granules reappeared within 3 hours of reperfusion and a large number of myocytes were recovered progressively within 6 hours of reperfusion. Recovery was apparent in the subepicardial myocytes and there were no distinct changes in the ultrastructure except narrowed lumen of the microvessels in the later period of reperfusion. Conclusions: It is likely that the ischemic myocardium could not be salvaged without adequate restoration of coronary flow and that the microvasculature is more resistant to reversible period of ischemia than subendocardium and subepicardium. Therefore, thrombolysis and/or angioplasty may be a rational method of therapy for coronarogenic myocardial ischemia. However, it may take a relatively longer period of time to recover from ischemic insult and reperfusion injury should be considered.
Mitochondrial injury in renal tubule has been recognized as a major contributor in acute kidney injury (AKI) pathogenesis. Ischemic insult, nephrotoxin, endotoxin and contrast medium destroy mitochondrial structure and function as well as their biogenesis and dynamics, especially in renal proximal tubule, to elicit ATP depletion. Mitochondrial fatty acid ${\beta}$-oxidation (FAO) is the preferred source of ATP in the kidney, and its impairment is a critical factor in AKI pathogenesis. This review explores current knowledge of mitochondrial dysfunction and energy depletion in AKI and prospective views on developing therapeutic strategies targeting mitochondrial dysfunction in AKI.
The role of platelet-activating factor (PAF) was investigated in intestinal ischemia/reperfusion (I/R) induced acute lung injury associated with oxidative stress. To induce acute lung injury following intestinal I/R, superior mesenteric arteries were clamped with bulldog clamp for 60 min prior to the 120 min reperfusion in Sprague-Dawley rats. Acute lung injury by intestinal I/R was confirmed by the measurement of lung leak index and protein content in bronchoalveolar lavage (BAL) fluid. Lung leak and protein content in BAL fluid were increased after intestinal I/R, but decreased by WEB 2086, the PAF receptor antagonist. Furthermore, the pulmonary accumulation of neutrophils was evaluated by the measurement of lung myeloperoxidase (MPO) activity and the number of neutrophils in the BAL fluid. Lung MPO activity and the number of neutrophils were increased (p<0.001) by intestinal I/R and decreased by WEB 2086 significantly. To confirm the oxidative stress induced by neutrophilic respiratory burst, gamma glutamyl transferase (GGT) activity was measured. Lung GGT activity was significantly elevated after intestinal I/R (p<0.001) but decreased to the control level by WEB 2086. On the basis of these experimental results, phospholipase $A_2\;(PLA_2),$ lysoPAF acetyltransferase activity and PAF contents were measured to verify whether PAF is the causative humoral factor to cause neutrophilic chemotaxis and oxidative stress in the lung following intestinal I/R. Intestinal I/R greatly elevated $PLA_2$ activity in the lung as well as intestine (p<0.001), whereas WEB 2086 decreased $PLA_2$ activity significantly (p<0.001) in both organs. LysoPAF acetyltransferase activity, the PAF remodelling enzyme, in the lung and intestine was increased significantly (p<0.05) also by intestinal I/R. Accordingly, the productions of PAF in the lung and intestine were increased (p<0.001) after intestinal I/R compared with sham rats. The level of PAF in plasma was also increased (p<0.05) following intestinal I/R. In cytochemical electron microscopy, the generation of hydrogen peroxide was increased after intestinal I/R in the lung and intestine, but decreased by treatment of WEB 2086 in the lung as well as intestine. Collectively, these experimental results indicate that PAF is the humoral mediator to cause acute inflammatory lung injury induced by intestinal I/R.
Fimasartan, a new angiotensin II receptor antagonist, reduces myocyte damage and stabilizes atherosclerotic plaque through its anti-inflammatory effect in animal studies. We investigated the protective effects of pretreatment with fimasartan on ischemia-reperfusion injury (IRI) in a mouse model of ischemic renal damage. C57BL/6 mice were pretreated with or without 5 (IR-F5) or 10 (IR-F10) mg/kg/day fimasartan for 3 days. Renal ischemia was induced by clamping bilateral renal vascular pedicles for 30 min. Histology, pro-inflammatory cytokines, and apoptosis assays were evaluated 24 h after IRI. Compared to the untreated group, blood urea nitrogen and serum creatinine levels were significantly lower in the IR-F10 group. IR-F10 kidneys showed less tubular necrosis and interstitial fibrosis than untreated kidneys. The expression of F4/80, a macrophage infiltration marker, and tumor necrosis factor $(TNF)-{\alpha}$, decreased in the IR-F10 group. High-dose fimasartan treatment attenuated the upregulation of $TNF-{\alpha}$, interleukin $(IL)-1{\beta}$, and IL-6 in ischemic kidneys. Fewer TUNEL positive cells were observed in IR-F10 compared to control mice. Fimasartan caused a significant decrease in caspase-3 activity and the level of Bax, and increased the Bcl-2 level. Fimasartan preserved renal function and tubular architecture from IRI in a mouse ischemic renal injury model. Fimasartan also attenuated upregulation of inflammatory cytokines and decreased apoptosis of renal tubular cells. Our results suggest that fimasartan inhibited the process of tubular injury by preventing apoptosis induced by the inflammatory pathway.
Background: Due to the paucity of suitable donor organs for lung allotransplantation, a number of techniques have been developed to improve the lung preservation. Ultrastructural studies of the morphologic changes of the flushing, preservation and reperfusion injury in donor lungs have rarely been reported. Methods: Adult dogs (n=46) were matched as donors and recipients for the single lung transplantation. The donor lungs were preserved after flushing with preservation solution and transplanted after 20-hours of preservation at $10^{\circ}C$. Ultrastructural features of the lung were examined after flushing, preservation and 2 hours after lung transplantation (reperfusion) respectively. Results: Electron microscopy after flushing showed focal alveolar collapse and mild swelling of type I epithelial cells. After preservation both type I epithelial cells and endothelial cells were swollen and destroyed focally. The endothelial cells showed protrusion of tactile-like structures into the lumina, blebs or vacuoles of the cytoplasm After reperfusion the lung tissue showed fibrin material in the alveoli, prominent type I epithelial cell swelling with fragmented cytoplasmic debris and marked endothelial cell swelling with vacuoles or tactile-like projections. The alveolar macrophages showed active phagocytosis. Scanning electron microscopic examination of the pulmonary parenchyma showed focally alveolar collapse and focal consolidation after the preservation and more prominent changes after the reperfusion procedure. The lungs preserved with low potassium dextran glucose solution, with additional prostaglandin $E_1(PGE_1)$ and verapamil(VP) showed relatively well preserved ultrastructures compared with those which were preserved with modified Euro-Collins or University of Wisconsin, and with additional $PGE_1$ and/or VP. Conclusion: The ultrastructural changes associated with flushing were mild in severity, the donor lungs were injured during the preservation, and further damage was occurred during the reperfusion. The reperfusion injury resulted in prominent pulmonary parenchymal alterations with a pattern of acute lung injury.
Background: Paraplegia is a devastating complication following operations on the thoracoabdominal aorta. We investigated whether histidine-tryptophan-ketoglutarate (HTK) solution could reduce the extent of ischemia/reperfusion (IR) spinal cord injuries in a rat model using a direct delivery method. Methods: Twenty-four Sprague-Dawley male rats were randomly divided into four groups. The sham group (n=6) underwent a sham operation, the IR group (n=6) underwent only an aortic occlusion, the saline infusion group (saline group, n=6) underwent an aortic occlusion and direct infusion of cold saline into the occluded aortic segment, and the HTK infusion group (HTK group, n=6) underwent an aortic occlusion and direct infusion of cold HTK solution into the occluded aortic segment. An IR spinal cord injury was induced by transabdominal clamping of the aorta distally to the left renal artery and proximally to the aortic bifurcation for 60 minutes. A neurological evaluation of locomotor function was performed using the modified Tarlov score after 48 hours of reperfusion. The spinal cord was harvested for histopathological and immunohistochemical examinations. Results: The spinal cord IR model using direct drug delivery in rats was highly reproducible. The Tarlov score was 4.0 in the sham group, $1.17{\pm}0.75$ in the IR group, $1.33{\pm}1.03$ in the saline group, and $2.67{\pm}0.81$ in the HTK group (p=0.04). The histopathological analysis of the HTK group showed reduced neuronal cell death. Conclusion: Direct infusion of cold HTK solution into the occluded aortic segment may reduce the extent of spinal cord injuries in an IR model in rats.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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