Proteomic characterization of oxidative stress related alterations in adult and senescent primary hepatocytes

Abstract

In this study the influence of oxidative stress on the proteome of primary rat hepatocytes (PRH) was analyzed. Our in vitro heat stress model included hepatocytes from middle-aged and old Wistar and Sprague Dawley (SD) rats. The efficacy of N-acetylcysteine (NAC) and quercetin as antioxidants was addressed using principal component analysis. Overall, old PRH were more susceptible to oxidative stress than middle-aged PRH. We identified potential biomarkers for age-related alterations in the secretome of old PRH. The analysis of hepatic function and oxidative stress markers in middle-aged PRH revealed a high biological variance in Wistar rats. They can be categorized into low- and high-responders. In low-responders quercetin and NAC had a beneficial effect on cell function and viability whereas in high-responders the toxic effect of these compounds outweighed their antioxidant properties. Therefore, we used SD rats exhibiting less inter-individual variances in the following proteomic study. The proteomic characterization showed that oxidative stress had the strongest influence in old PRH on proteins related to oxidative stress defense and enzymes of the urea cycle. Deficiencies in theses enzymes are strongly correlated to an impaired redox state and damaged antioxidant defense mechanisms. Comparative studies with primary mouse hepatocytes in sandwich and monolayer cultures revealed a higher level of oxidative stress in monolayer culture potentially causing dedifferentiation.

In dieser Studie wurde der Einfluss von oxidativem Stress auf das Proteom von primären Rattenhepatozyten (PRH) untersucht. Unser in vitro Hitzestressmodell verwendete Hepatozyten von mittelalten und alten Wistar- und Sprague Dawley-Ratten (SD). Der Nutzen der Antioxidantien N-acetylcystein (NAC) und Quercetin wurde mit Hilfe der Hauptkomponentenanalayse untersucht. Alte PRH waren anfälliger für oxidativen Stress als mittelalte. Im Sekretom alter PRH konnten wir potentielle Biomarker für altersbedingte Veränderungen identifizieren. Die Analyse hepatischer Funktionen und oxidativer Stressmarker zeigte, dass Wistar-Ratten eine hohe biologische Varianz haben. Sie können in Bezug auf oxidativen Stress in low- und high-Responder unterteilt werden. Quercetin und NAC hatten in low-Respondern eine positive Wirkung auf Zellfunktionen und Viabilität, wohingegen in high-Respondern ihr toxischer Effekt überwog. Weger dieser Ergebnisse, wurden in folgenden Studien SD-Ratten verwendet, die weniger interindividuelle Unterschiede aufweisen. Proteomanalysen konnten zeigen, dass oxidativer Stress den größten Einfluss auf alte PRH hat, genauer auf antioxidative Enzyme und Enzyme des Harnstoffzyklus. Ein Mangel an diesen Enzymen korreliert mit einem gestörten Redox-Haushalt und einer Beeinträchtigung der Stressabwehr. Studien mit primären Maushepatozyten konnten weiterhin aufzeigen, dass oxidativer Stress eine Hauptursache für die Dedifferenzierung von Zellen in Monolayer Kulturen ist.