The effect of hyperthermia on the functions of rat liver mitochondria: the influence of age, gender and acetaminophen

Hipertermija - tai vienas šiuo metu vis plačiau taikomų metodų vėžinių susirgimų gydymui, derinant ją kartu su spinduline terapija, chemoterapija bei chirurginiu navikų pašalinimu. Terapinės hipertermijos metu organizmo kūno temperatūra pakeliama virš jam įprastų karščiavimo temperatūros ribų, taip siekiant sustabdyti vėžinių ląstelių augimą ir padidinti antivėžinių vaistų citotoksinį poveikį. Acetaminofenas (APAP) yra tiesiogiai su hipertermija susijęs vaistas, nes dažnai vartojamas kaip antipiretikas karščiavimo metu. Terapinėmis dozėmis APAP yra saugus preparatas, tačiau perdozavus gali sukelti sunkius kepenų pažeidimus. Jo toksinis poveikis pasireiškia susidarant toksiškam metabolitui N-acetil-1,4-benzochinono iminui (NAPQI). Mitochondrijos – tai organelės, atliekančios ląstelinį kvėpavimą ir aprūpinančios ląsteles energija (ATP), reikalinga gyvybinėms ląstelės funkcijoms atlikti. Būtent mitochondrijos yra svarbiausi hipertermijos ir vaistų taikiniai ląstelėje. Kadangi APAP ir NAPQI tiesioginis poveikis mitochondrijoms hipertermijos metu dar nėra ištirtas, todėl mūsų atlikti tyrimai gali suteikti papildomos informacijos, taikant hiperterminį gydymą skirtingo amžiaus ir lyties individams. Darbo tyrimo objektas: mitochondrijos, išskirtos iš Wistar veislės žiurkių kepenų. Šio darbo tikslas: įvertinti hipertermijos poveikio izoliuotų žiurkės kepenų mitochondrijų funkcijoms priklausomybę nuo lyties, amžiaus ir acetaminofeno. Mes nustatėme hipertermijos poveikį mitochondrijų kvėpavimo greičiui skirtingose žiurkės patelių ir patinų amžiaus grupėse, skirtingų APAP bei NAPQI koncentracijų poveikį mitochondrijų kvėpavimo greičiui 2-oje ir 3-oje metabolinėje būsenoje ir brinkimui hipertermijos sąlygomis. Buvo nustatyta, kad jaunų gyvūnų mitochondrijų vidinė membrana yra mažiau jautri hipertermijai nei suaugusių. Patelių mitochondrijų funkcijos yra mažiau jautrios viršfiziologinės hipertermijos poveikiui (41-43oC). 46-47oC temperatūroje mitochondrijose nebevyksta ADP fosforilinimas, kvėpavimas atskirtas nuo fosforilinimo (V2=V3). Taip pat nustatėme, kad Acetaminofenas (APAP, 1 mM) slopino V3 tiek oksiduojant piruvatą + malatą, tiek ir glutamatą + malatą. APAP neturėjo įtakos V2 oksiduojant piruvatą + malatą, o oksiduojant glutamatą + malatą – V2 didino. NAPQI (10 M) slopino V3 visose inkubavimo temperatūrose (39, 40, 42, 45 oC), o V2 - 40 ir 42 oC temperatūroje. NAPQI koncentracija (10µM) buvo net 100 kartų mažesnė už APAP (1mM) koncentraciją, tačiau NAPQI turėjo panašų poveikį kvėpavimui kaip APAP, ir sukėlė stiprų mitochondrijų brinkimą.Hyperthermia is one of the method which is used for cancer treatment in combination with radiotherapy, chemotherapy and surgical removal of tumour. During therapeutic hyperthermia the body temperature is rised up above the normal temperature of the organism on purpose to inhibit the growth of tumour cells and enhance the cytotoxic effect of anti-tumour drugs. Acetaminophen (APAP) is directly associated with hyperthermia because of its use as antipyretic drug. APAP is save at the therapeutic doses, but the overdose may cause serious liver damage. The toxic effect of this drug occurs on the formation of toxic metabolite N-acetyl-p-benzoquinone imine (NAPQI). Mitochondria are the key targets of hyperthermia and drugs in the cells. The effect of APAP and NAPQI on mitochondrial functions during hyperthermia are not yet studied. Therefore our research can provide useful information on the effects of hyperthermic treatment on cells in patients of different age and gender. The object of this research: isolated mitochondria derived from Wistar rat liver. The aim of this study: To evaluate age-, gender-, acetaminophen-dependence of the effect of hyperthermia on isolated rat liver mitochondria functions . We determined: the effect of hyperthermia on mitochondrial respiratory rate in state 2 and 3 in males and females from different age groups (1-1,5; 2; 3; 6-7 months); the effect of APAP (1 mM) on mitochondrial respiratory rate in state 2 and 3 and swelling durring hyperthermia (39-45 °C); the effect of APAP metabolite - NAPQI (5, 10, 12,5, 15 µM) - on mitochondrial respiratory rate in state 2 and 3 and swelling durring hyperthermia (42 °C). It was defined that young animal mitochondrial inner membrane is less sensitive to hyperthermia than in adults. Female mitochondria are less sensitive to supraphysiological temperature hyperthermia (41–43 °C). At 46-47oC mitochondria are unable to phosphorylate ADP, respiration and oxidative phosphorylation are uncoupled. We have also defined that acetaminophen (APAP, 1 mM) inhibited respiration rate in metabolic state 3 (V3) oxidizing both pyruvate + malate and glutamate+malate. APAP did not affect respiration rate in metabolic state 2 (V2) with pyruvate+malate, but APAP inhibited V2 with glutamate + malate. NAPQI (10 M) inhibited V3 in all temperatures (39, 40, 42, 45 oC), and V2 - at 40 ir 42 oC. Although NAPQI concentration (10 µM) was even 100 times lower than the APAP (1mM), but NAPQI had a similar effect on respiration as APAP, and caused severe mitochondrial swelling.Vytauto Didžiojo universiteta