Effect of age and chronic hypoxia on oxidative status, mitochondria and apoptosis in rat liver

Abstract

Aging is a complex multifactorial process involving alterations at genetic, molecular, cellular, organ, and system levels. The "oxidative stress theory" holds that a progressive and irreversible accumulation of oxidative damage caused by mitochondrial reactive oxygen species impacts on critical aspects of the aging process and contributes to impaired physiological function, increased incidence of disease, and a reduction in life span. Additionally, periods of chronic hypoxia, which can arise from numerous disorders (e.g. chronic vascular diseases) and even aging, potentiate the development of degenerative diseases. In this study we evaluated the effects of age and chronic hypoxia in the oxidative status, mitochondrial enzymatic complexes activity and apoptotic cell death pathway of the liver. For this purpose 3- and 12-month-old male Wistar rats exposed to normoxia (21% O2) or hypoxia (10% O2) during 7 days were used. Several parameters were evaluated: hydrogen peroxide (H2O2) and thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) levels, aconitase activity, enzymatic [manganese superoxide dismutase (MnSOD), catalase (CAT), glutathione peroxidase (GPx) and glutathione reductase (GR) activities] and non-enzymatic (glutathione and vitamin E levels) antioxidant defenses, the activities of NADH-cytochrome c reductase (mitochondrial complexes I-III), succinate-cytochrome c reductase (mitochondrial complexes II-III), cytochrome c oxidase (mitochondrial complex IV) and ATPase. The activation of caspase-9 and caspase-3 and Bax and Bcl2 protein levels were also analyzed. An age-dependent increase in H2O2 levels and caspases activation and a decrease in aconitase, mitochondrial enzymatic complexes, ATPase and GR activities and glutathione levels were observed. Interestingly, chronic hypoxia in young animals caused a similar pattern of oxidative imbalance and mitochondrial defects compared to that found in 12-month- old animals. In addition, chromic hypoxia potentiated the age-dependent increase in H2O2 levels and decrease in glutathione levels. Curiously, hypoxia decreased caspases activation in 12-month-old animals. Altogether, these results show that age and/or chronic hypoxia enhance liver oxidative imbalance and mitochondrial damage

O envelhecimento é um processo multifactorial complexo que envolve alterações genéticas, moleculares, celulares, nos órgãos e no organismo. A "teoria do stress oxidativo" sustenta que a acumulação progressiva de lesões oxidativas causadas pelas espécies reactivas de oxigénio produzidas pelas mitocôndrias tem um papel chave no processo de envelhecimento contribuindo para uma alteração da função fisiológica, um aumento da incidência de doenças e uma redução no tempo de vida. Além disso, períodos de hipoxia crónica associadas a diversas doenças (ex. doenças vasculares crónicas) e ao processo fisiológico do envelhecimento, potenciam o desenvolvimento de doenças degenerativas. Neste estudo foram avaliados os efeitos da idade e da hipoxia crónica no estado oxidativo, na actividade dos complexos enzimáticos mitocondriais e na via de morte celular por apoptose do fígado. Para este efeito, foram utilizados ratos Wistar de 3 e 12 meses de idade expostos a normoxia (21% O2) ou hipoxia (10% O2) durante 7 dias. Foram avaliados vários parâmetros: os níveis de peróxido de hidrogénio (H2O2) e das substâncias reactivas ao ácido tiobarbitúrico (TBARS), a actividade da aconitase, as defesas antioxidantes enzimáticas [as actividades das enzimas dismutase do superóxido de manganês (MnSOD), catalase (CAT), glutationa peroxidase (GPx) e glutationa redutase (GR)] e não-enzimáticas (níveis de glutationa e vitamina E), as actividades dos complexos enzimáticos mitocondriais NADH- citocromo c redutase (complexos I-III), succinato-citocromo c redutase (complexos II-III), citocromo c oxidase (complexo IV) e ATPase. A activação da caspase-9 e da caspase-3 e os níveis das proteínas Bax e Bcl2 também foram analisados. A idade aumentou os níveis de H2O2 e a activação das caspases e diminui as actividades da aconitase, dos complexos enzimáticos mitocondriais, da ATPase e da GR e os níveis de glutationa. Curiosamente,os animais jovens expostos a hipoxia crónica apresentaram um perfil oxidativo e uma função mitocondrial semelhante aos animais de 12 meses de idade. Além disso, a hipoxia crónica potenciou o aumento nos níveis de H2O2 e glutationa provocados pela idade. Curiosamente, a hipoxia crónica diminui a activação das caspases nos animais de 12 meses de idade. Estes resultados mostram que a idade e/ou a hipoxia crónica potenciam o stress oxidativo e a disfunção mitocondrial.