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High-resolution respirometry for evaluation of mitochondrial function on brain and heart homogenates in a rat model of cardiac arrest and cardiopulmonary resuscitation - 18/09/21

Doi : 10.1016/j.biopha.2021.111935 
Lian Liang a, b, c, 1, Guozhen Zhang b, d, 1, Cheng Cheng b, e, Hui Li b, e, Tao Jin b, Chenglei Su b, Yan Xiao b, Jennifer Bradley b, Mary A. Peberdy b, f, Joseph P. Ornato b, g, Martin J. Mangino b, h, Wanchun Tang b, g,
a Department of Emergency, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou, China 
b Weil Institute of Emergency and Critical Care Research, Virginia Commonwealth University, Richmond, VA, USA 
c Institute of Cardiopulmonary Cerebral Resuscitation, Sun Yat-Sen University, Guangzhou, China 
d Department of Intensive Care Medicine, Tianjin Cancer Hospital Airport Free Trade Zone Hospital, Tianjin, China 
e Department of Intensive Care Medicine, The Second Hospital of Anhui Medical University, Hefei, China 
f Department of Internal Medicine and Emergency Medicine, Virginia Commonwealth University Health System, Richmond, VA, USA 
g Department of Emergency Medicine, Virginia Commonwealth University Health System, Richmond, VA, USA 
h Department of Surgery, Virginia Commonwealth University Health System, Richmond, VA, USA 

Correspondence to: Weil Institute of Emergency and Critical Care Research, Virginia Commonwealth University, 1217 East Marshall Street, RM103 Richmond, VA, USA.Weil Institute of Emergency and Critical Care Research, Virginia Commonwealth University1217 East Marshall StreetRichmondVARM103USA

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Abstract

The physiology and physiopathology process of mitochondrial function following cardiac arrest remains poorly understood. We aimed to assess mitochondrial respiratory function on the heart and brain homogenates from cardiac arrest rats. The expression level of SIRT1/PGC-1α pathway was measured by immunoblotting. 30 rats were assigned to the CA group and the sham group. Rats of CA were subjected to 6 min of untreated ventricular fibrillation (VF) followed by 8 min of cardiopulmonary resuscitation (CPR). Mitochondrial respiratory function was compromised following CA and I/R injury, as indicated by CIL (451.46 ± 71.48 vs. 909.91 ± 5.51 pmol/min*mg for the heart and 464.14 ± 8.22 vs. 570.53 ± 56.33 pmol/min*mg for the brain), CI (564.04 ± 64.34 vs. 2729.52 ± 347.39 pmol/min*mg for the heart and 726.07 ± 85.78 vs. 1762.82 ± 262.04 pmol/min*mg for the brain), RCR (1.88 ± 0.46 vs. 3.57 ± 0.38 for the heart and 2.05 ± 0.19 vs. 3.49 ± 0.19, for the brain) and OXPHOS coupling efficiency (0.45 ± 0.11 vs. 0.72 ± 0.03 for the heart and 0.52 ± 0.05 vs. 0.71 ± 0.01 for the brain). However, routine respiration was lower in the heart and comparable in the brain after CA. CIV did not change in the heart but was enhanced in the brain. Furthermore, both SIRT1 and PGC-1α were downregulated concurrently in the heart and brain. The mitochondrial respiratory function was compromised following CA and I/R injury, and the major affected respiratory state is complex I-linked respiration. Furthermore, the heart and the brain respond differently to the global I/R injury after CA in mitochondrial respiratory function. Inhibition of the SIRT1/PGC-1α pathway may be a major contributor to the impaired mitochondrial respiratory function.

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Graphical Abstract




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Highlights

The mitochondrial respiratory function was compromised following CA and I/R injury, and the major affected respiratory state is complex I-linked respiration.
The heart and the brain respond differently to the global I/R injury after CA in mitochondrial respiratory function.
The impaired mitochondrial respiratory function could be contributed to the inhibition of the SIRT1/PGC-1α pathway.

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Keywords : Cardiac arrest, Ischemia-reperfusion injury, Mitochondrial respiratory function, High-resolution respirometry, SIRT1/PGC-1α pathway


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