2020 · Ishihara — Molekularer Wasserstoff unterdrückt die Superoxidbildung im mitochondrialen Komplex I und senkt das mitochondriale Membranpotenzial.
Kurzfassung
In isolierten Mitochondrien und Zellkulturen veränderte molekularer Wasserstoff die Richtung des Elektronenflusses an Komplex I, unterdrückte die Superoxidbildung um 51 % und senkte das mitochondriale Membranpotenzial um 11 %. Diese In-vitro-Studie liefert eine mechanistische Erklärung, wie H₂ oxidativen Schaden auf mitochondrialer Ebene reduzieren kann — ein Befund, der über die klassische Hydroxylradikal-Abfang-Hypothese hinausgeht. Die Ergebnisse sind vorläufig und auf isolierte Systeme beschränkt.
Kommentar
Die dominierende Erklärung für den antioxidativen Effekt von H₂ war lange Zeit das direkte Abfangen von Hydroxylradikalen (•OH). Diese Studie von Ishihara und Kollegen schlägt einen zusätzlichen oder alternativen Mechanismus vor: H₂ wirkt am mitochondrialen Komplex I und verschiebt den Elektronenfluss vom reversen Elektronentransport (RET) zurück zum vorwärts gerichteten Elektronentransport (FET), wodurch das „Elektronen-Leck“ reduziert wird, das Superoxid erzeugt. Der experimentelle Ansatz — Messung der NADH-Dynamik und H₂O₂ (als Proxy für Superoxid) in isolierten Mitochondrien sowie Membranpotenzial via TMRE in Zellkulturen — ist technisch solide für diese Art von Forschung. Die quantifizierte Unterdrückung von Superoxid (~51 %) und Membranpotenzial (~11 %) sind bedeutungsvolle Zahlen. Isolierte Mitochondrien und Zellkulturen sind jedoch weit entfernt von der komplexen Redox-Umgebung lebenden Gewebes. Zusätzlich muss die verwendete H₂-Konzentration von 25 µM an physiologisch erreichbaren Konzentrationen In-vivo bewertet werden.
Wichtige Zitate
- „H₂ senkte allein das mitochondriale Membranpotenzial der Kulturzellen um 11,3 %, gemessen mit TMRE.“ Original (EN): „H2 solely reduced mitochondrial membrane potential of the cultured cells by 11.3% as assessed by TMRE.“ — H₂ moduliert die mitochondriale Energetik in Kulturzellen
- „Eine Unterdrückung des vorwiegend aus Komplex I stammenden Superoxids um 51,1 %.“ Original (EN): „a suppression of superoxide generated predominantly from complex I by 51.1%.“ — 51 % Reduktion von Superoxid an Komplex I — der zentrale quantitative Befund
- „H₂ kann als Gleichrichter des Elektronenflusses fungieren, der das mitochondriale Membranpotenzial beeinflusst, um oxidativen Schaden in Mitochondrien zu unterdrücken.“ Original (EN): „H2 may function as a rectifier of the electron flow affecting the mitochondrial membrane potential to suppress oxidative damage in mitochondria.“ — mechanistische Hypothese der Autoren: H₂ als Elektronenfluss-Regulator
Unsere Einordnung
Dies ist eine In-vitro-Mechanismusstudie mit isolierten Mitochondrien und Kulturzellen — keine Tier- oder Humanstudie. Der vorgeschlagene Elektronenfluss-Mechanismus fügt der antioxidativen Geschichte von H₂ eine glaubwürdige Ebene hinzu und geht über das klassische Hydroxylradikal-Abfangen hinaus. Limitationen: Isolierte Mitochondrien und einzelne Zelllinien können die Komplexität der In-vivo-Redoxbiologie nicht erfassen; die verwendete H₂-Konzentration (25 µM) überschreitet möglicherweise das in Zielgeweben Erreichbare; die physiologische Relevanz der Membranpotenzial-Änderungen bedarf der Kontextualisierung. Mechanistisch interessant, aber nur hypothesengenerierend.
Studiendesign
- Typ: In-vitro-Mechanismusstudie · Modell: isolierte Mitochondrien (NADH/Succinat-Assays) + Kulturzellen (TMRE-Membranpotenzial) · H₂-Gabe: gelöstes H₂ bei 25 µM
- Ergebnis: H₂ bei 25 µM induzierte reversen Elektronentransport (RET) in isolierten Mitochondrien; bei NADH-Anwesenheit Verschiebung von RET zu FET mit 51,1 % Superoxid-Unterdrückung an Komplex I; Senkung des mitochondrialen Membranpotenzials in Kulturzellen um 11,3 % (TMRE-Assay)
Abstract (deutsche Übersetzung)
Molekularer Wasserstoff (H₂) wird als medizinisches Gas anerkannt, das auf zahlreiche Erkrankungen anwendbar ist, darunter neurodegenerative Erkrankungen, Stoffwechselstörungen und rheumatoide Arthritis. Obwohl die Wirksamkeit von H₂ gemäß Berichten auf seine Fähigkeit zur Abfangung des Hydroxylradikals zurückgeführt wird, sind die Mechanismen, die seiner therapeutischen Wirksamkeit zugrunde liegen, nicht vollständig verstanden. Hier schätzten wir die Rolle von H₂ im energieumwandelnden System der Mitochondrien — der Quelle reaktiver Sauerstoffspezies — ab. Um die Effekte von H₂ auf die mitochondriale Funktion zu untersuchen, wurden Richtung des Elektronenflusses, Superoxidbildung und mitochondriales Membranpotenzial untersucht. Vorwärts-Elektronentransport (FET) oder reverser Elektronentransport (RET) wurde durch Überwachung der Abnahme oder Zunahme von β-Nicotinamidadenindinukleotid-Hydrat (NADH) in Gegenwart von NAD⁺ und/oder Succinat in isolierten Mitochondrien bewertet. H₂O₂ aus Superoxid durch Superoxiddismutase (SOD) wurde gemessen, um das Elektronen-Leck in den Mitochondrien abzuschätzen. Die Effekte von H₂ auf das mitochondriale Membranpotenzial wurden durch Färbung der Zellen mit der Fluoreszenzsonde Tetramethylrhodaminethylester (TMRE) beobachtet. Trotz Abwesenheit von Succinat wurde ein deutlicher RET beobachtet (von +0,0313 ± 0,0106 µM auf +1,20 ± 0,302 µM) durch Zugabe von 25 µM H₂. Bei 5 µM NADH invertierte RET durch Succinat zu FET von +1,62 ± 0,358 µM auf -1,83 ± 0,191 µM, begleitet von einer Unterdrückung des vorwiegend aus Komplex I stammenden Superoxids um 51,1 %. H₂ senkte allein das mitochondriale Membranpotenzial der Kulturzellen um 11,3 %, gemessen mit TMRE. Die Richtung des Elektronenflusses wurde durch H₂ abhängig vom NAD⁺/NADH-Verhältnis verändert, begleitet von einer Unterdrückung der Superoxidbildung. H₂ könnte die Superoxidbildung an Komplex I in vitro unterdrücken und das Membranpotenzial in vivo reduzieren. H₂ kann auch Semichinon-Radikale neutralisieren, um das an Komplex III produzierte Superoxid zu reduzieren. H₂ kann als Gleichrichter des Elektronenflusses fungieren, der das mitochondriale Membranpotenzial beeinflusst, um oxidativen Schaden in Mitochondrien zu unterdrücken.
Original-Abstract (englisch)
Molecular hydrogen (H2) is recognized as a medical gas applicable to numerous diseases including neurodegenerative diseases, metabolic disorders, and rheumatoid arthritis. Although the efficacy of H2 is reportedly attributed to its scavenging capability against the hydroxyl radical, the mechanisms underlying its therapeutic efficacy are not fully understood. Herein, we estimated the role of H2 in the energy converting system of the mitochondria, the source of reactive oxygen species. To investigate the effects of H2 on mitochondrial function, direction of electron flow, superoxide generation, and mitochondrial membrane potential were investigated. Forward electron transport (FET) or reverse electron transport (RET) was assessed by monitoring the decrease or increase of β-nicotinamide adenine dinucleotide hydrate (NADH, - or +, μM, respectively) in the presence of β-nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) and/or succinate in the isolated mitochondria. H2O2 converted from superoxide by superoxide dismutase (SOD) was measured to estimate electron leakage in the mitochondria. The effects of H2 on mitochondrial membrane potential were observed by staining cells with the fluorescence probe, teramethylrhodamine ethyl ester (TMRE). Despite the absence of succinate, a distinct RET was observed (from +0.0313 ± 0.0106 μM to +1.20 ± 0.302 μM) by adding 25 μM H2. In the presence of 5 μM NADH, RET by succinate inverted to FET from +1.62 ± 0.358 μM to -1.83 ± 0.191 μM, accompanied by a suppression of superoxide generated predominantly from complex I by 51.1%. H2 solely reduced mitochondrial membrane potential of the cultured cells by 11.3% as assessed by TMRE. The direction of electron flow was altered by H2 depending on the NAD+/NADH ratio, accompanied by suppression of superoxide generation H2 could suppress superoxide generation in complex I in vitro and reduce membrane potential in vivo. H2 may also neutralize semiquinone radicals to reduce superoxide produced in complex III. H2 may function as a rectifier of the electron flow affecting the mitochondrial membrane potential to suppress oxidative damage in mitochondria.
Quelle & Links
Screenshot der PubMed-Seite
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