Abstract: We studied the subcellular levels of melatonin in cerebral cortex and liver of rats under several conditions. The results show that melatonin levels in the cell membrane, cytosol, nucleus, and mitochondrion vary over a 24‐hr cycle, although these variations do not exhibit circadian rhythms. The cell membrane has the highest concentration of melatonin followed by mitochondria, nucleus, and cytosol. Pinealectomy significantly increased the content of melatonin in all subcellular compartments, whereas luzindole treatment had little effect on melatonin levels. Administration of 10 mg/kg bw melatonin to sham‐pinealectomized, pinealectomized, or continuous light‐exposed rats increased the content of melatonin in all subcellular compartments. Melatonin in doses ranging from 40 to 200 mg/kg bw increased in a dose‐dependent manner the accumulation of melatonin on cell membrane and cytosol, although the accumulations were 10 times greater in the former than in the latter. Melatonin levels in the nucleus and mitochondria reached saturation with a dose of 40 mg/kg bw; higher doses of injected melatonin did not further cause additional accumulation of melatonin in these organelles. The results suggest some control of extrapineal accumulation or extrapineal production of melatonin and support the existence of regulatory mechanisms in cellular organelles, which prevent the intracellular equilibration of the indolamine. Seemingly, different concentrations of melatonin can be maintained in different subcellular compartments. The data also seem to support a requirement of high doses of melatonin to obtain therapeutic effects. Together, these results add information that assists in explaining the physiology and pharmacology of melatonin.

A bstract : This review briefly summarizes the multiple actions by which melatonin reduces the damaging effects of free radicals and reactive oxygen and nitrogen species. It is well documented that melatonin protects macromolecules from oxidative damage in all subcellular compartments. This is consistent with the protection by melatonin of lipids and proteins, as well as both nuclear and mitochondrial DNA. Melatonin achieves this widespread protection by means of its ubiquitous actions as a direct free radical scavenger and an indirect antioxidant. Thus, melatonin directly scavenges a variety of free radicals and reactive species including the hydroxyl radical, hydrogen peroxide, singlet oxygen, nitric oxide, peroxynitrite anion, and peroxynitrous acid. Furthermore, melatonin stimulates a number of antioxidative enzymes including superoxide dismutase, glutathione peroxidase, glutathione reductase, and catalase. Additionally, melatonin experimentally enhances intracellular glutathione (another important antioxidant) levels by stimulating the rate‐limiting enzyme in its synthesis, γ‐glutamylcysteine synthase. Melatonin also inhibits the proxidative enzymes nitric oxide synthase and lipoxygenase. Finally, there is evidence that melatonin stabilizes cellular membranes, thereby probably helping them resist oxidative damage. Most recently, melatonin has been shown to increase the efficiency of the electron transport chain and, as a consequence, to reduce election leakage and the generation of free radicals. These multiple actions make melatonin a potentially useful agent in the treatment of neurological disorders that have oxidative damage as part of their etiological basis.

Abstract Head and neck squamous cell carcinoma present a high mortality rate. Melatonin has been shown to have oncostatic effects in different types of cancers. However, inconsistent results have been reported for in vivo applications. Consequently, an alternative administration route is needed to improve bioavailability and establish the optimal dosage of melatonin for cancer treatment. On the other hand, the use of patient-derived tumor models has transformed the field of drug research because they reflect the heterogeneity of patient tumor tissues. In the present study, we explore mechanisms for increasing melatonin bioavailability in tumors and investigate its potential as an adjuvant to improve the therapeutic efficacy of cisplatin in the setting of both xenotransplanted cell lines and primary human HNSCC. We analyzed the effect of two different formulations of melatonin administered subcutaneously or intratumorally in Cal-27 and SCC-9 xenografts and in patient-derived xenografts. Melatonin effects on tumor mitochondrial metabolism was also evaluated as well as melatonin actions on tumor cell migration. In contrast to the results obtained with the subcutaneous melatonin, intratumoral injection of melatonin drastically inhibited tumor progression in HNSCC-derived xenografts, as well as in patient-derived xenografts. Interestingly, intratumoral injection of melatonin potentiated CDDP effects, decreasing Cal-27 tumor growth. We demonstrated that melatonin increases ROS production and apoptosis in tumors, targeting mitochondria. Melatonin also reduces migration capacities and metastasis markers. These results illustrate the great clinical potential of intratumoral melatonin treatment and encourage a future clinical trial in cancer patients to establish a proper clinical melatonin treatment.

Abstract Primary mitochondrial diseases are caused by mutations in mitochondrial or nuclear genes, leading to abnormal function of specific mitochondrial pathways. Mitochondrial dysfunction is also a secondary event in more common pathophysiological conditions, such as obesity and metabolic syndrome. In both cases, the improvement and management of mitochondrial homeostasis remains challenging. Here, we show that beta-resorcylic acid (β-RA), a natural phenolic compound, competes in vivo with 4-hydroxybenzoic acid, the natural precursor of Coenzyme Q biosynthesis. This leads to a decrease of demethoxyubiquinone, an intermediate metabolite of CoQ biosynthesis that is abnormally accumulated in Coq9 R239X mice. As a consequence, β-RA rescues the phenotype of Coq9 R239X mice, a model of primary mitochondrial encephalopathy. Moreover, we observe that long-term treatment with β-RA also reduces the size and content of the white adipose tissue (WAT) that is normally accumulated during aging in wild-type mice, leading to a prevention of hepatic steatosis and an increase in survival at the old stage of life. The reduction in WAT content is due to a decrease in adipogenesis, an adaptation of the mitochondrial proteome in the kidneys, and a stimulation of glycolysis and acetyl-CoA metabolism. Therefore, our results demonstrate that β-RA acts through different cellular mechanisms, with effects on mitochondrial metabolism, and it may be used for the treatment of primary Coenzyme Q deficiency, overweight, and hepatic steatosis.

Currently, there is an increase in the aging of the population, which represents a risk factor for many diseases, including sarcopenia. Sarcopenia involves progressive loss of mass, strength, and function of the skeletal muscle. Some mechanisms include alterations in muscle structure, reduced regenerative capacity, oxidative stress, mitochondrial dysfunction, and inflammation. The zebrafish has emerged as a new model for studying skeletal muscle aging because of its numerous advantages, including histological and molecular similarity to human skeletal muscle. In this study, we used fish of 2, 10, 30, and 60 months of age. The older fish showed a higher frailty index with a value of 0.250 ± 0.000 because of reduced locomotor activity and alterations in biometric measurements. We observed changes in muscle structure with a decreased number of myocytes (0.031 myocytes/μm2 ± 0.004 at 60 months) and an increase in collagen with aging up to 15% ± 1.639 in the 60-month group, corresponding to alterations in the synthesis, degradation, and differentiation pathways. These changes were accompanied by mitochondrial alterations, such as a nearly 50% reduction in the number of intermyofibrillar mitochondria, 100% mitochondrial damage, and reduced mitochondrial dynamics. Overall, we demonstrated a similarity in the aging processes of muscle aging between zebrafish and mammals.