El extracto de Herba Cistanche mejora la generación de ATP mitocondrial en corazones de rata y células H9c2
Mar 04, 2022
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Hoi Yan Leung y Kam Ming Ko
Para citar este artículo: Hoi Yan Leung y Kam Ming Ko (2008) El extracto de Herba Cistanche mejora la generación de ATP mitocondrial en corazones de rata y células H9c2, biología farmacéutica, 46:6, 418-424, DOI: 10.1080/13880200802055883
Resumen
Para investigar la base farmacológica de la acción "vigorizante Yang" de Herbal Cistanche [la planta entera seca de Cistanche deserticola YC Ma (Orobanchaceae)], en medicina china, se estudiaron los efectos del extracto de metanol de Herba Cistanche sobre la capacidad de generación de ATP mitocondrial. examinado utilizando un modelo de corazón de rata ex vivo y un ensayo de células H9c2 in situ. El tratamiento con extracto de Herba Cistanche aumentó la capacidad de generación de ATP mitocondrial del miocardio de forma dependiente de la dosis en ratas, según lo evaluado mediante medición in vitro. La estimulación de la capacidad de generación de ATP se asoció con una mejora paralela en el transporte de electrones mitocondrial respaldado por piruvato pero no por succinato. El tratamiento con Herba Cistanche también aumentó las actividades del complejo mitocondrial I y del complejo III del miocardio, siendo mayor el grado de estimulación de la actividad del complejo I. El tratamiento con Herba Cistanche produjo un aumento dependiente de la dosis y el tiempo en la capacidad de generación de ATP mitocondrial en las células H9c2. Los resultados indican que el tratamiento con Herba Cistanche puede aumentar la generación de ATP mitocondrial en corazones de rata ex vivo y células H9c2 in situ, posiblemente mediante la mejora de la fosforilación oxidativa.
Palabras clave:ATP, Cistanche deserticola, células H9c2, corazón, mitocondrias.

Introducción
La "vigorización yang", que encarna la mejora generalizada de la función corporal en la medicina china, implica el uso de energía para impulsar varios procesos bioquímicos. En este sentido, el ATP, que es la moneda universal de energía para alimentar la función celular, se genera principalmente a través de la fosforilación oxidativa en las mitocondrias. Hemos postulado que las hierbas "vigorizantes de Yang" poseen la capacidad de aumentar la capacidad de generación de ATP mitocondrial (Ko et al., 2004). Esto está respaldado por nuestro hallazgo reciente de que las hierbas tonificantes chinas "vigorizantes del Yang" pero no "nutritivas del Yin" podrían mejorar la capacidad de generación de ATP del miocardio en corazones de ratón ex vivo (Ko et al., 2006). Herba Cistanche, la planta parásita seca entera (excluyendo la flor) de Cistanche deserticola YC Ma (Orobanchaceae), está clasificada como una hierba tonificante 'vigorizante de Yang' en la medicina tradicional china (Chen, 1998), y aparece como la más popular ingrediente en una serie de formulaciones de patentes chinas utilizadas para la vigorización de Yang'. En China y Japón, Herba Cistanche se usa ampliamente para el tratamiento de una serie de síntomas de deficiencia de Yang. Los estudios farmacológicos indicaron que Herba Cistanche podría eliminar los radicales libres (Xiong et al., 1996), producir efectos sedantes (Lu, 1998), antienvejecimiento (Lee et al., 1990), antinociceptivos y antiinflamatorios (Lin et al., 2002). ) y mejorar la función inmunológica (Wu et al., 2005). El principal ingrediente activo de Herba Cistanche son los glucósidos feniletanoides (Ouyang et al., 2003), que se ha descubierto que tienen propiedades antibacterianas, antiestrés y antioxidantes (Xiong et al., 1998), así como efectos antiapoptóticos en cultivos. neuronas (Tian & Pu, 2005). En el estudio actual, con el fin de investigar la base farmacológica de la acción estimulante de Yang de Herba Cistanche, se examinaron los efectos del tratamiento con Herba Cistanche sobre la capacidad de generación de ATP en mitocondrias aisladas de corazones de rata ex vivo y cardiomiocitos H9c2 cultivados in situ. Para explorar el mecanismo bioquímico subyacente a la acción potenciadora de la generación de ATP, también se examinaron en corazones de rata los efectos del tratamiento con Herba Cistanche sobre el transporte de electrones mitocondriales y las actividades del complejo I-IV.
Extracto de Cistanche deserticola
Materiales y métodos
Sustancias químicas, cultivos celulares y materiales a base de hierbas ATP, ADP y bromuro de 3-[4,5-dimetiltiozol-2-il]-2,5-difeniltetrazolio ( MTT) se adquirieron de Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO, EE. UU.). La solución de luciferasa (ATPlite) se obtuvo de PerkinElmer (Boston, MA, EE. UU.). El medio de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) y el suero bovino fetal (FBS) se adquirieron de GIBCO BRL Life Technologies (Grand Island, NY, EE. UU.). La línea celular H9c2 se adquirió de ATTC (Rockville, MD, EE. UU.). Herba Cistanche fue suministrada por un comerciante local de hierbas (Lee Hoong Kee). La hierba fue autenticada por el proveedor y se depositó un espécimen comprobante (HKUSTY00301) en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST).
extracción de hierbas
Herba Cistanche (100 g) se cortó en trozos pequeños y luego se extrajo calentando a reflujo en 300 ml de metanol.
a 65◦C durante 2 h. El procedimiento fue repetido dos veces. El extracto combinado se secó evaporando el disolvente a presión reducida y se obtuvo el extracto de metanol de Herba Cistanche con un rendimiento del 39 por ciento (p/p). El análisis químico indicó que el extracto de metanol de Herba Cistanche contenía saponinas totales, flavonoides totales, lignanos totales y polisacáridos en concentraciones de 1,62 por ciento (p/p), 0.08 por ciento, 0,15 por ciento y 75,6 por ciento, respectivamente.
Cuidado animal
Se mantuvieron ratas Sprague-Dawley macho adultas (8 a 10 semanas; 250 a 300 g) bajo un ciclo de luz/oscuridad de 12- h en una habitación con aire/humedad controlada a aproximadamente 22 ◦ C y se les permitió comida y agua ad libitum. en las instalaciones de cuidado de animales
en HKUST. Los protocolos experimentales fueron aprobados por el Comité de Prácticas de Investigación de HKUST.
tratamiento farmacológico
Los animales se dividieron aleatoriamente en grupos, con cinco a seis animales en cada uno. En los grupos de tratamiento, a las ratas se les administró por vía intragástrica el extracto de metanol de Herba Cistanche (disuelto/suspendido en agua) en dosis diarias crecientes ({{0}}.031–0.5 g/kg) durante 3 días. Los animales de control solo recibieron agua. Veinticuatro horas después de la última dosificación, se obtuvo el corazón de animales anestesiados con fenobarbital y se sometió a análisis bioquímico.
Preparación de fracciones mitocondriales y medida de la capacidad de generación de ATP (ATP-GC) ex vivo
Se extirparon muestras de tejido del ventrículo izquierdo del corazón y se lavaron con tampón isotónico enfriado con hielo (0, sacarosa 32 M, EDTA 1 mM, Tris/HCl 50 mM, pH 7,4). Las fracciones mitocondriales cardíacas se prepararon mediante centrifugación diferencial en tampón isotónico a 4◦C. Se preparó un homogeneizado cardíaco al 10 por ciento (p/v) mediante la homogeneización del tejido ventricular picado con un homogeneizador de vidrio de teflón a 4000 rpm durante 20 a 30 golpes completos. El homogeneizado se centrifugó a 600 g durante 10 min para eliminar los núcleos y los restos celulares. Luego, el sobrenadante se centrifugó a 8000 g durante 30 min para sedimentar las mitocondrias (Evan, 1992). Los sedimentos se resuspendieron en 1 ml de tampón isotónico y se reconstituyeron las fracciones mitocondriales. El ATP-GC mitocondrial de animales no tratados se midió por el método de Leung et al. (2005).
Medición del transporte de electrones mitocondrial
La medición del transporte de electrones en mitocondrias aisladas, que se basa en la reducción de MTT, se realizó según lo descrito por Cohen et al. (1997). Las mitocondrias se prepararon a una concentración de proteína de 1 mg/ml con un tampón de incubación (sacarosa 250 mM, HEPES 50 mM, KH2PO4 10 mM, MgCl2 2 mM, EGTA 1 mM, pH 7,4) . Se mezcló una alícuota (40 µL) de mitocondrias con 100 µL de cada uno de piruvato 15 mM o succinato 0,5 mM y 0,42 mg/ml de MTT. La mezcla de reacción se incubó a 37°C durante 10 min con agitación suave. Después de la incubación, la mezcla de reacción se terminó mediante la adición de 100 µL de tampón de lisis (10 por ciento, p/v, dodecilsulfato de sodio y 45 por ciento de dimetilformamida, ajustado a pH 4,7 con ácido acético glacial). Después de reposar durante 5 min, se tomaron lecturas de absorbancia de la mezcla de reacción con un lector de placas de microtitulación (Bio-Rad, Hercules, CA, EE. UU.) y se informaron como la diferencia entre 570 nm y 630 nm. Los datos se expresaron como un porcentaje del valor medio del grupo de control (es decir, Herba Cistanche, sin tratar).
Cultivo de células
Se cultivaron células H9c2, una línea celular permanente derivada de mioblastos cardíacos (Hescheler et al., 1991), como monocapas en DMEM suplementado con 10 por ciento (v/v) de FBS. El medio contenía glucosa (4,5 g/L) y glutamina (4,5 mM), complementado con NaHCO3 (17 mM), penicilina (100 UI/mL) y estreptomicina (100 µg/mL). Todas las células se cultivaron en una atmósfera de 5 por ciento (v/v) de CO2 en aire a 37°C. El medio se reemplazó por medio fresco cada 2 o 3 días. Se cultivó una reserva de células en un matraz de cultivo de 75 cm2 y se dividió antes de la confluencia en una proporción de subcultivo de 1:10. Para el ensayo de ATP-GC, se sembraron células H9c2 a una densidad de 2.5 104 células/pocillo en una placa de 24-pocillos. Después de la unión de las células, se aplicó extracto de Herba Cistanche (disuelto en solución salina tamponada con fosfato; PBS) en el medio, y las células se incubaron durante períodos crecientes (2-16 h). A las células de control (no tratadas) se les administró PBS únicamente.
Medición de ATP-GC in situ
Después de los períodos indicados de incubación con extracto de Herba Cistanche a concentraciones crecientes (5{{10}}–300 µg/mL), se realizó el ensayo ATP-GC. El medio se aspiró y las células se trataron con digitonina (50 µg/ml) en un tampón de incubación (KCl 120 mM, KH2PO4 5 mM, EGTA 2 mM, HEPES 10 mM, MgCl2 0,1 mM, BSA al 0,5 %, pH 7,4) durante 3 min a 37◦C. Después de aspirar la digitonina, se añadieron glutamato (5 mM), malato (5 mM) y ADP (60 µM) a las células para la generación de ATP mitocondrial, que se controló a intervalos de tiempo crecientes que oscilaban entre 0 y 15 min. La reacción se terminó mediante la adición de 60 µL de ácido perclórico (30 por ciento, p/v), y luego las mezclas de reacción se centrifugaron a 600 g durante 10 min a 4°C. Se mezcló una alícuota (120 µL) del sobrenadante con 90 µL de KHCO3 1,4 M para la neutralización. Las mezclas se centrifugaron nuevamente a 600 g a 4 °C y se midió el contenido de ATP de los sobrenadantes como se describió anteriormente. El ATP-GC de las células no tratadas se estimó calculando el área bajo la curva del gráfico (AUC1) trazando el ATP generado (nmol/mg de proteína) frente al tiempo (0–15 min) y expresado en unidades arbitrarias. Para las células tratadas con Herba Cistanche, los valores AUC1 de tiempos de incubación crecientes (3, 5, 7, 10 y 15 min) se normalizaron a un valor de control medio respectivo de muestras no tratadas y se expresaron como control porcentual. Luego, se calculó el área bajo la curva (AUC2) del gráfico que traza los valores de control porcentuales frente al tiempo de incubación (3–15 min) y se expresó en unidades arbitrarias. Los datos de los grupos tratados con Herba Cistanche se expresaron como porcentaje del control de la ecuación:
[AUC2(HerbaCistanche − tratada)/AUC2(sin tratar)]×100 por ciento.
Mediciones de las actividades del complejo I-IV y citrato sintasa
Las actividades del complejo I-III de la cadena de transporte de electrones (ETC) mitocondrial se midieron mediante métodos espectrofotométricos utilizando sustratos específicos del complejo (NADH para el complejo I, succinato para el complejo II y decilubiquinol para el complejo III) como se describe (Grad & Lemire, 2004; Hsu et al. al., 2005; Mark et al., 2001). La actividad del complejo IV se midió utilizando un kit de ensayo de citocromo c oxidasa de Sigma. La actividad de la citrato sintasa mitocondrial se midió por el método de Srere (1969).
Ensayo de proteínas
Las concentraciones de proteínas de las fracciones mitocondriales y los lisados celulares se determinaron mediante un kit de ensayo de proteínas BioRad que utiliza albúmina sérica bovina como estándar ({{0}}0,038–0,600 mg/ml).
análisis estadístico
Todos los datos se expresaron como el error estándar medio de la media (SEM). Se analizaron mediante análisis de varianza de una vía (ANOVA). Se realizaron comparaciones múltiples post hoc con LSD. valores p<0.05 were="" regarded="" as="" statistically="">0.05>
Resultados
Efectos del tratamiento con Herba Cistanche sobre el ATP-GC mitocondrial miocárdico en ratas
Como se muestra en la Figura 1, el tratamiento con extracto de Herba Cistanche en dosis de hasta 0,5 g/kg aumentó el ATP-GC mitocondrial miocárdico de manera dependiente de la dosis en ratas, con un grado de estimulación del 89 por ciento. a una dosis de 0,5 g/kg.
Efectos del tratamiento con Herba Cistanche sobre el transporte de electrones mitocondriales en corazones de rata
La extensión del transporte de electrones en las mitocondrias aisladas se midió mediante el seguimiento de la reducción de MTT. El sustrato utilizado para el ensayo fue piruvato o succinato. Como se muestra en la Figura 2a, el tratamiento con Herba Cistanche aumentó de manera dependiente de la dosis la extensión del transporte de electrones mitocondrial apoyado por el piruvato en corazones de rata, con la estimulación óptima observable a dosis de 0.5 g/kg. Sin embargo, no se detectaron cambios significativos en la extensión del transporte de electrones mitocondrial respaldado por succinato en corazones de rata tratados con Herba Cistanche (Fig. 2b).

Efectos del tratamiento con Herba Cistanche sobre las actividades del complejo respiratorio mitocondrial en corazones de rata
Como se muestra en la Figura 3, el tratamiento con Herba Cistanche a la dosis óptima de 0,5 g/kg aumentó significativamente las actividades del complejo I (34 por ciento) y el complejo III (22 por ciento) en corazones de rata. La actividad de la citrato sintasa, una enzima clave para el ciclo del ácido tricarboxílico, no se vio afectada por el tratamiento con Herba Cistanche (Fig. 3). El análisis de transferencia Western indicó que los niveles de proteína del complejo I y III no se vieron afectados por el tratamiento con Herba Cistanche (datos no mostrados).
Evolución temporal de los cambios inducidos por Herba Cistanche en ATP-GC mitocondrial en células H9c2
Se examinaron los cambios en ATP-GC en células tratadas con Herba Cistanche (50 y 150 µg/mL) después de 2 a 16 h de incubación. Como se muestra en la Figura 4, el tratamiento con Herba Cistanche aumentó el ATP-GC de forma bifásica y dependiente del tiempo en células H9c2, con la estimulación máxima (44 % y 89 %, respectivamente) observable después de 8 h de incubación para ambas concentraciones de fármaco. El ATP-GC luego volvió a los valores de control sin tratar cuando el tiempo de incubación se extendió a 16 h. Se produjo un inicio más temprano de la estimulación cuando las células se trataron con una concentración más alta (150 µg/mL) de extracto de Herba Cistanche.
Concentración-dependencia de Herba
Aumento inducido por Cistanche en ATP-GC en células H9c2
Las células H9c2 se trataron con concentraciones crecientes (50–300 µg/mL) de extracto de Herba Cistanche durante 4 h. La Figura 5 muestra que el tratamiento con Herba Cistanche aumentó el ATP-GC de manera dependiente de la concentración, con la máxima estimulación (82 por ciento) observable a la concentración de 300 µg/mL.

El extracto de Cistanche aumenta la producción de ATP
Discusión
La regulación al alza de las actividades celulares para mejorar la función corporal, como la contracción muscular y las respuestas inmunitarias por el fortalecimiento de Yang, requiere un aumento en el consumo de ATP, que a su vez es respaldado por la fosforilación oxidativa mitocondrial. En el estudio actual, se descubrió que el tratamiento con Herba Cistanche aumenta la capacidad de generación de ATP mitocondrial ex vivo en corazones de rata de forma dependiente de la dosis. Esta observación es consistente con nuestro hallazgo anterior de que entre las hierbas tonificantes chinas vigorizantes de Yang, el tratamiento con Herba Cistanche produjo una estimulación relativamente mayor en la generación de ATP mitocondrial en corazones de ratón (Ko et al., 2006). La mejora de la generación de ATP mitocondrial fue paralela al aumento en el transporte de electrones mitocondrial impulsado por piruvato pero no por succinato, según lo evaluado por la reducción de MTT. Los resultados obtenidos de la medición cinética del complejo mitocondrial I-IV indicaron que las actividades de ambos complejos I y III aumentaron en los corazones tratados con Herba Cistanche, siendo el grado de estimulación de la actividad del complejo I mayor que el del complejo III. Como la actividad de la citrato sintasa, una enzima clave del ciclo del ácido tricarboxílico, no se vio afectada, la mejora de la capacidad de generación de ATP mitocondrial por el tratamiento con Herba Cistanche puede atribuirse principalmente a la estimulación de las actividades del complejo I y/o III. La mayoría de los requerimientos de ATP del corazón son satisfechos por las mitocondrias, que dependen casi por completo de la oxidación de ácidos grasos y glucosa ligada al complejo I (NADH) (Stanley et al., 1997; Taegtmeyer, 1998). El complejo I, que presenta una actividad menor que otros complejos respiratorios, se considera un factor importante en la regulación de la fosforilación oxidativa. Por lo tanto, la estimulación o inhibición de la actividad del complejo I puede tener un gran impacto en la energía cardíaca. Aunque el análisis de transferencia Western no reveló ningún cambio en el nivel de proteína de estos dos complejos (datos no mostrados), el aumento de la actividad enzimática puede deberse a los cambios en el estado del tiol de la proteína y/o el entorno lipídico (Davey et al., 1998; Paradies et al., 2004).
Extracto de Herba Cistanchepodría producir el efecto potenciador de la generación de ATP en células H9c2 cultivadas in situ. El inicio relativamente temprano de la acción estimuladora producida por el tratamiento con Herba Cistanche, particularmente en dosis altas, es consistente con la observación de los estudios ex vivo que indicaron que es poco probable que la síntesis de proteínas del complejo I y III esté involucrada en la generación de ATP: acción. La demostración de la mejora inducida por Herba Cistanche en la generación de ATP in situ respalda la noción de que el aumento en la capacidad de generación de ATP mitocondrial, según lo evaluado mediante la medición ex vivo, puede reflejar simplemente un efecto paralelo producido por el tratamiento farmacológico en condiciones in vivo. La medición de la generación de ATP en mitocondrias aisladas y células cultivadas utilizando malato y glutamato como sustratos es una medida indirecta de la respiración mitocondrial del estado 3 (Chen et al., 2003). Usando el mismo ensayo de ATP bioluminiscente, la tasa de generación de ATP mitocondrial en varios tejidos de ratas no tratadas, como se informó anteriormente en nuestro laboratorio (Leung et al., 2005), coincidió con los datos publicados recientemente (Drew & Leeuwenburgh, 2003). ). La capacidad de generación de ATP se estimó mediante una integración en dos pasos de los cambios dependientes del tiempo en el nivel de ATP tanto en ensayos ex vivo como in situ. Por lo tanto, el efecto estimulador inducido por el fármaco observado se amplió con fines comparativos. La mejora de la capacidad de generación de ATP mediante el tratamiento con Herba Cistanche en mitocondrias de corazón de rata ex vivo fue paralela a la estimulación de la generación de ATP en células H9c2 in situ. Dada la presencia de actividad potenciadora de la generación de ATP en hierbas tonificantes chinas vigorizantes de Yang, incluida Herba Cistanche, en corazones de ratón ex vivo (Ko et al., 2006), los resultados sugieren que la medición de la capacidad de generación de ATP en células H9c2 en in situ se puede utilizar como prueba farmacológica para las hierbas tonificantes chinas vigorizantes de Yang o fórmulas a base de hierbas.
En conclusión, el tratamiento con extracto de Herba Cistanche podría mejorar la capacidad de generación de ATP mitocondrial en corazones de rata ex vivo y en células H9c2 in situ. Los hallazgos respaldan nuestra postulación de que la base farmacológica de la vigorización Yang implica la mejora de las funciones corporales mediante la estimulación de la producción de ATP mitocondrial.

El extracto de Herba Cistanche mejora la capacidad de generación de ATP mitocondrial
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