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Melatonin rescues cerebral ischemic events through upregulated tunneling nanotube-mediated mitochondrial transfer and downregulated mitochondrial oxidative stress in rat brain - 02/06/21

Doi : 10.1016/j.biopha.2021.111593 
Hon-Kan Yip a, b, c, d, e, f, Navneet Kumar Dubey g, h, Kun-Chen Lin i, Pei-Hsun Sung a, b, c, John Y. Chiang j, k, Yi-Ching Chu a, c, Chi-Ruei Huang a, c, Yi-Ling Chen a, b, c, Yue-Hua Deng g, h, Hsin-Chung Cheng g, l, Win-Ping Deng g, h, m, n, ⁎
a Division of Cardiology, Department of Internal Medicine, Kaohsiung Chang Gung Memorial Hospital, Kaohsiung 83301, Taiwan 
b Institute for Translational Research in Biomedicine, Kaohsiung Chang Gung Memorial Hospital, Kaohsiung 83301, Taiwan 
c Center for Shockwave Medicine and Tissue Engineering, Kaohsiung Chang Gung Memorial Hospital, Kaohsiung 83301, Taiwan 
d Department of Medical Research, China Medical University Hospital, China Medical University, Taichung 404, Taiwan 
e Department of Nursing, Asia University, Taichung 41354, Taiwan 
f Division of Cardiology, Department of Internal Medicine, Xiamen Chang Gung Hospital, Xiamen, Fujian 361000, China 
g School of Dentistry, College of Oral Medicine, Taipei Medical University, Taipei 11031, Taiwan 
h Stem Cell Research Center, College of Oral Medicine, Taipei Medical University, Taipei 11031, Taiwan 
i Department of Anesthesiology, Kaohsiung Chang Gung Memorial Hospital and Chang Gung University College of Medicine, Kaohsiung 83301, Taiwan 
j Department of Computer Science and Engineering, National Sun Yat-Sen University, Kaohsiung 804, Taiwan 
k Department of Healthcare Administration and Medical Informatics, Kaohsiung Medical University, Kaohsiung 807, Taiwan 
l Department of Dentistry, Taipei Medical University Hospital, Taipei 11031, Taiwan 
m Graduate Institute of Basic Medicine, Fu Jen Catholic University, Taipei, Taiwan 
n Department of Life Science, Tunghai University, Taichung, Taiwan 

⁎Correspondence to: Taipei Medical University, Taipei 11031, Taiwan.Taipei Medical UniversityTaipei11031Taiwan

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Abstract

Background

Cerebral ischemic events, comprising of excitotoxicity, reactive oxygen production, and inflammation, adversely impact the metabolic-redox circuit in highly active neuronal metabolic profile which maintains energy-dependent brain activities. Therefore, we investigated neuro-regenerative potential of melatonin (Mel), a natural biomaterial secreted by pineal gland.

Methods

We specifically determined whether Mel could influence tunneling nanotubes (TNTs)-mediated transfer of functional mitochondria (Mito) which in turn may alter membrane potential, oxidative stress and apoptotic factors. In vitro studies assessed the effects of Mito on levels of cytochrome C, mitochondrial transfer, reactive oxygen species, membrane potential and mass, which were all further enhanced by Mel pre-treatment, whereas in vivo studies examined brain infarct area (BIA), neurological function, inflammation, brain edema and integrity of neurons and myelin sheath in control, ischemia stroke (IS), IS + Mito and IS + Mel-Mito group rats.

Results

Results showed that Mel pre-treatment significantly increased mitochondrial transfer and antioxidants, and inhibited apoptosis. Mel-pretreated Mito also significantly reduced BIA with improved neurological function. Apoptotic, oxidative-stress, autophagic, mitochondrial/DNA-damaged biomarkers indices were also improved.

Conclusion

Conclusively, Mel is a potent biomaterial which could potentially impart neurogenesis through repairing impaired metabolic-redox circuit via enhanced TNT-mediated mitochondrial transfer, anti-oxidation, and anti-apoptotic activities in ischemia.

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Graphical Abstract

The proposed underlying mechanism of Mel-Mito therapy in rescuing cerebral ischemia. The in vitro results revealed therapeutic effect through Mel-mediated inhibition of (A) oxidative stress, autophagy, cell apoptosis, which was further supported by (B) refreshed mitochondria obtained through enhanced tunneling nanotube (TNT) transfer, implying a synergistic efficacy of Mel-Mito. This effect was also manifested in the in vivo results through inhibited vicious cycle of oxidative stress, apoptosis and mitochondrial exhaust.



ga1

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Highlights

•
Exogenous mitochondria were successfully transfused into the neuron cells for increasing/refreshing the number of mitochondria.
•
Melatonin pretreatment facilitated the mitochondria on reducing the brain infract area.
•
Melatonin upregulated neurogenesis by regulating TNT-transferred mitochondria in ischemia.

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List of abbreviations : Mito, Mel, TNTs, IS, BIA, IR, ETC, ARDS

Keywords : Acute ischemic stroke, Melatonin, Mitochondria, Oxidative stress, Apoptosis


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Vol 139

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