We hypothesized that the extent of hypoxic injury would be involved in reduction of oxygen delivery to the tissue. Livers isolated from 18 hr-fasted rats were subjected to $N_2$-induced hypoxia or low flow hypoxia. Livers were perfused with nitrogen/carbon dioxide gas for 45min or perfused with normoxic Krebs-Henseleit bicarbonate buffer (KHBB) at low flow rates around 1 ml/g liver/min far 45min, which caused cells to become hypoxic because of insufficient delivery of oxygen. When normal flow rates(4 ml/g liver/min) of KHBB (pH 7.4, 37$^{\circ}C$, oxygen/carbon dioxide gas) were restored for 30min reoxygenation injury occurred. Lactate dehydrogenase release gradually increased in $N_2$-induced hypoxia, whereas it rapidly increased in low flow hypoxia. Total glutathione in liver tissue was not changed but oxidized glutathione markedly increased after hypoxia and reoxygenation, expecially in $N_2$-induced hypoxia. Similarly, lipid peroxidation in liver tissue significantly increased after hypoxia and reoxygenation in low flow hypoxia. Hepatic drug metabolizing functions (phase I, II) were suppressed during hypoxia, especially in $N_2$-induced hypoxia but improved by reoxygenation in both models. Our findings suggest that hypoxia results in abnormalities in drug metabolizing function caused by oxidative stress and that this injury is dependent on hypoxic conditions.
Hypoxia (decreased tissue oxygen tension) is a component of many diseases such as tumors, cerebrovascular diseases and ischemic heart diseases. Although hypoxia can be secondary to a low inspired $pO_2$ or a variety of lung disorders, the most common cause is ischemia due to an oxygen demand greater than the local oxygen supply. In the heart tissue, hypoxia is often observed in persistent low-flow states, such as hibernating myocardium. Direct "hot spot" imaging of myocardial tissue hypoxia is potentially of great clinical importance because it may provide a means of identifying dysfunctional chronically ischemic but viable hibernating myocardium. A series of radiopharmaceuticals that incorporate nitroimidazole moieties have been synthesized to detect decreased local tissue pO2. In contrast to agents that localize in proportion to perfusion, these agents concentrate in hypoxic tissue. However, the ideal agents are not developed yet and the progress is very slow. Furthermore, the research focus is on tumor hypoxia nowadays. This review introduces the myocardial hypoxia imaging with summarizing the development of radiopharmaceuticals.
Bae, Hyun Cheol;Park, Hee Jung;Wang, Sun Young;Yang, Ha Ru;Lee, Myung Chul;Han, Hyuk-Soo
생체재료학회지
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제22권4호
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pp.271-278
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2018
Background: The chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) is regulated by many factors, including oxygen tensions, growth factors, and cytokines. Evidences have suggested that low oxygen tension seems to be an important regulatory factor in the proliferation and chondrogenic differentiation in various MSCs. Recent studies report that synovium-derived mesenchymal stem cells (SDSCs) are a potential source of stem cells for the repair of articular cartilage defects. But, the effect of low oxygen tension on the proliferation and chondrogenic differentiation in SDSCs has not characterized. In this study, we investigated the effects of hypoxia on proliferation and chondrogenesis in SDSCs. Method: SDSCs were isolated from patients with osteoarthritis at total knee replacement. To determine the effect of oxygen tension on proliferation and colony-forming characteristics of SDSCs, A colony-forming unit (CFU) assay and cell counting-based proliferation assay were performed under normoxic (21% oxygen) or hypoxic (5% oxygen). For in vitro chondrogenic differentiation, SDSCs were concentrated to form pellets and subjected to conditions appropriate for chondrogenic differentiation under normoxia and hypoxia, followed by the analysis for the expression of genes and proteins of chondrogenesis. qRT-PCR, histological assay, and glycosoaminoglycan assays were determined to assess chondrogenesis. Results: Low oxygen condition significantly increased proliferation and colony-forming characteristics of SDSCs compared to that of SDSCs under normoxic culture. Similar pellet size and weight were found for chondrogensis period under hypoxia and normoxia condition. The mRNA expression of types II collagen, aggrecan, and the transcription factor SOX9 was increased under hypoxia condition. Histological sections stained with Safranin-O demonstrated that hypoxic conditions had increased proteoglycan synthesis. Immunohistochemistry for types II collagen demonstrated that hypoxic culture of SDSCs increased type II collagen expression. In addition, GAG deposition was significantly higher in hypoxia compared with normoxia at 21 days of differentiation. Conclusion: These findings show that hypoxia condition has an important role in regulating the synthesis ECM matrix by SDSCs as they undergo chondrogenesis. This has important implications for cartilage tissue engineering applications of SDSCs.
세포는 다양한 인체 질환에 관련되어 있는 저산소 환경을 인지하고 반응하며 적응한다. 저산소 상태에 적응하기 위해서는 hypoxic 유전자의 발현을 증가시키고 aerobic 유전자의 발현을 감소시키는 유전자 발현 조절이 필요하다. 최근 연구에서 미토콘드리아 호흡계가 이러한 유전자 발현 조절에 관여됨이 밝혀지고 있다. 본 연구에서는 호흡이 가능한 곰팡이(Saccharomyces cerevisiae)와 호흡이 불가능한 돌연변이 곰팡이를 실험대상으로 하여 미토콘드리아 호흡계가 저산소 환경에서 유전자 발현 조절에 관여됨을 DNA microarray 기법을 이용하여 전체 유전자를 대상으로 조사하였다. 산소 농도가 감소함에 반응하여 많은 유전자의 발현에 변화가 있었으며, 이러한 차별적인 발현 양상을 보이는 유전자는 여러 그룹으로 분류할 수 있었다. 대부분의 hypoxic 그리고 aerobic 유전자는 저산소 상태에 적응하는 발현 양상을 위해서는 미토콘드리아 호흡계가 필요하였다. 그러나 일부 hypoxic 그리고 aerobic 유전자는 미토콘드리아 호흡계와 무관하게 저산소 상태에 적응하는 발현 양상을 보였다. 이러한 결과는 미토콘드리아 호흡계가 저산소 환경에 적응하는 유전자 발현 조절에 필요하며, 또한 여러 기전을 통하여 이러한 유전자 발현 조절에 관여함을 제시한다. 또한 microarray 실험 결과에서 도출된 산소 농도에 대해 차별적인 발현을 보이는 유전자에 대하여 gene ontology 및 promoter 분석을 수행하였고 이러한 추가 분석 결과는 산소에 의해 조절되는 유전자와 함께 세포가 저산소 환경에 적응하는 기작을 이해하는 데 유용한 자료가 될 것으로 기대된다.
The oxygen dependent regulation of DNA replication is an essential property of proliferating mammalian cells. In human T24 bladder cancer cells, several hours of hypoxia leads to reversible DNA replication arrest and re-entry of oxygen induces a burst of replication initiation. This short communication provides strong evidence that PD184352 initiates DNA replication in living hypoxic cells without elevating the oxygen level. PD184352 releases the regular hypoxic replicon arrest, however, at a low intensity compared to the effect of reoxygenation. Moreover, PD184352 shows no effect on normoxically incubated as well as reoxygenated T24 cells.
Kim, Hong Seok;Kang, Yun Hee;Lee, Jisu;Han, Seung Ro;Kim, Da Bin;Ko, Haeun;Park, Seyoun;Lee, Myung-Shin
Molecules and Cells
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제44권10호
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pp.710-722
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2021
Hypoxia, or low oxygen tension, is a hallmark of the tumor microenvironment. The hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) subunit plays a critical role in the adaptive cellular response of hypoxic tumor cells to low oxygen tension by activating gene-expression programs that control cancer cell metabolism, angiogenesis, and therapy resistance. Phosphorylation is involved in the stabilization and regulation of HIF-1α transcriptional activity. HIF-1α is activated by several factors, including the mitogen-activated protein kinase (MAPK) superfamily. MAPK phosphatase 3 (MKP-3) is a cytoplasmic dual-specificity phosphatase specific for extracellular signal-regulated kinase 1/2 (Erk1/2). Recent evidence indicates that hypoxia increases the endogenous levels of both MKP-3 mRNA and protein. However, its role in the response of cells to hypoxia is poorly understood. Herein, we demonstrated that small-interfering RNA (siRNA)-mediated knockdown of MKP-3 enhanced HIF-1α (not HIF-2α) levels. Conversely, MKP-3 overexpression suppressed HIF-1α (not HIF-2α) levels, as well as the expression levels of hypoxia-responsive genes (LDHA, CA9, GLUT-1, and VEGF), in hypoxic colon cancer cells. These findings indicated that MKP-3, induced by HIF-1α in hypoxia, negatively regulates HIF-1α protein levels and hypoxia-responsive genes. However, we also found that long-term hypoxia (>12 h) induced proteasomal degradation of MKP-3 in a lactic acid-dependent manner. Taken together, MKP-3 expression is modulated by the hypoxic conditions prevailing in colon cancer, and plays a role in cellular adaptation to tumor hypoxia and tumor progression. Thus, MKP-3 may serve as a potential therapeutic target for colon cancer treatment.
Whales are marine mammals that are fully adapted to aquatic environment. Whales breathe by lungs so they require adaptive system to low oxygen concentration (hypoxia) while deep and prolonged diving. However, the study for the molecular mechanism underlying cetacean adaptation to hypoxia has been limited. Hypoxia-inducible factor (HIF) is the central transcription factor that regulates hypoxia-related gene expression. Here we identified HIF-binding sites in whale genome by phylogenetic footprinting and analyzed HIF-target genes to understand how whales cope with hypoxia. By comparison with the HIF-target genes of terrestrial mammals, it was suggested that whales may retain unique adaptation mechanisms to hypoxia.
Intrinsic or acquired resistance to chemotherapeutic drugs is one of the major obstacles to effective cancer treatment. Hypoxia is widespread in solid tumors as a consequence of decreased blood flow in the tumor-derived neovasculature. The recent finding of a link between hypoxia and chemoresistance prompted us to investigate whether hypoxia induces doxorubicin resistance in human MCF-7 breast cancer cells. Low oxygen concentration decreased the doxorubicin sensitivity in MCF-7 cells. The expression of p-glycoprotein, a major MDR-related transporter, and those of apoptosis-related proteins (anti-apoptotic Bcl-2, Bcl-XL and pro-apoptotic Bax) were not altered by hypoxia in MCF-7 cells. Intracellular uptake of doxorubicin was significantly decreased under hypoxic conditions. Decreased cellular uptake of doxorubicin under hypoxia may contribute to causing doxorubicin resistance in these cells. The use of agents that can modulate the doxorubicin uptake for adjuvant therapy may contribute to improving the therapeutic efficacy of doxorubicin in breast cancer patients.
Hypoxia indicates the condition of low oxygen levels in tissues. In oncology, hypoxia can induce cancer progression and metastasis, as well as cause resistance to cancer therapies. The detection of hypoxia by using molecular imaging, particularly, positron emission tomography (PET) has been extensively studied due to many advantages. Nitroimidazoles, the moieties that can be trapped in hypoxic tissues due to selective reduction, have been used to design and synthesize of hypoxia-targeting radiopharmaceuticals. This review provides a summary of synthetic routes towards 18F-labeled-nitroimidazole radiotracers for PET imaging of hypoxia.
Hypoxia-inducible factor $1{\alpha}\;(HIF1{\alpha})$ is a transcription factor that plays a key role in the adaptation of cells to low oxygen stress and oxygen homeostasis. The oxygen-dependent degradation (ODD) domain of $HIF1{\alpha}$ is responsible for the negative regulation of $HIF1{\alpha}$ in normoxia. The interactions of the $HIF1{\alpha}$ ODD domain with partner proteins such as von Hippel-Lindau tumor suppressor (pVHL) and p53 are mediated by two sequence motifs, the N- and C-terminal ODD(NODD and CODD). Multiple sequence alignment with $HIF1{\alpha}$ homologs from human, monkey, pig, rat, mouse, chicken, frog, and zebrafish has demonstrated that the NODD and CODD motifs have noticeably high conservation of the primary sequence across different species and isoforms. In this study, we carried out molecular dynamics simulation of the structure of the $HIF1{\alpha}$ CODD motif in complex with the p53 DNA-binding domain (DBD). The structure reveals specific functional roles of highly conserved residues in the CODD sequence motif of $HIF1{\alpha}$ for the recognition of p53.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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