A small molecule that safely mimics the ability of dietary restriction (DR) to delay age-related diseases in laboratory animals is greatly sought after. We and others have shown that resveratrol mimics effects of DR in lower organisms. In mice, we find that resveratrol induces gene expression patterns in multiple tissues that parallel those induced by DR and every-other-day feeding. Moreover, resveratrol-fed elderly mice show a marked reduction in signs of aging, including reduced albuminuria, decreased inflammation, and apoptosis in the vascular endothelium, increased aortic elasticity, greater motor coordination, reduced cataract formation, and preserved bone mineral density. However, mice fed a standard diet did not live longer when treated with resveratrol beginning at 12 months of age. Our findings indicate that resveratrol treatment has a range of beneficial effects in mice but does not increase the longevity of ad libitum-fed animals when started midlife.

We aimed to elucidate the possible role of phenotypic alterations and oxidative stress in age-related endothelial dysfunction of coronary arterioles. Arterioles were isolated from the hearts of young adult (Y, 14 weeks) and aged (A, 80 weeks) male Sprague-Dawley rats. For videomicroscopy, pressure-induced tone of Y and A arterioles and their passive diameter did not differ significantly. In A, arterioles L-NAME (a NO synthase blocker)–sensitive flow-induced dilations were significantly impaired (Y: 41±8% versus A: 3±2%), which could be augmented by superoxide dismutase (SOD) or Tiron (but not l -arginine or the TXA 2 receptor antagonist SQ29,548). For lucigenin chemiluminescence, O 2 ·− generation was significantly greater in A than Y vessels and could be inhibited with SOD and diphenyliodonium. NADH-driven O 2 ·− generation was also greater in A vessels. Both endothelial and smooth muscle cells of A vessels produced O 2 ·− (shown with ethidium bromide fluorescence). For Western blotting, expression of eNOS and COX-1 was decreased in A compared with Y arterioles, whereas expressions of COX-2, Cu/Zn-SOD, Mn-SOD, xanthine oxidase, and the NAD(P)H oxidase subunits p47 phox , p67 phox , Mox-1, and p22 phox did not differ. Aged arterioles showed an increased expression of iNOS, confined to the endothelium. Decreased eNOS mRNA and increased iNOS mRNA expression in A vessels was shown by quantitative RT-PCR. In vivo formation of peroxynitrite was evidenced by Western blotting, and immunohistochemistry showing increased 3-nitrotyrosine content in A vessels. Thus, aging induces changes in the phenotype of coronary arterioles that could contribute to the development of oxidative stress, which impairs NO-mediated dilations.

Epidemiological studies suggest that Mediterranean diets rich in resveratrol are associated with reduced risk of coronary artery disease. Resveratrol was also shown to confer vasoprotection in animal models of type 2 diabetes and aging. However, the mechanisms by which resveratrol exerts its antioxidative vasculoprotective effects are not completely understood. Using a nuclear factor-E(2)-related factor-2 (Nrf2)/antioxidant response element-driven luciferase reporter gene assay, we found that in cultured coronary arterial endothelial cells, resveratrol, in a dose-dependent manner, significantly increases transcriptional activity of Nrf2. Accordingly, resveratrol significantly upregulates the expression of the Nrf2 target genes NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1, gamma-glutamylcysteine synthetase, and heme oxygenase-1. Resveratrol treatment also significantly attenuated high glucose (30 mM)-induced mitochondrial and cellular oxidative stress (assessed by flow cytometry using MitoSox and dihydroethidine staining). The aforementioned effects of resveratrol were significantly attenuated by the small interfering RNA downregulation of Nrf2 or the overexpression of Kelch-like erythroid cell-derived protein 1, which inactivates Nrf2. To test the effects of resveratrol in vivo, we used mice fed a high-fat diet (HFD), which exhibit increased vascular oxidative stress associated with an impaired endothelial function. In HFD-fed Nrf2(+/+) mice, resveratrol treatment attenuates oxidative stress (assessed by the Amplex red assay), improves acetylcholine-induced vasodilation, and inhibits apoptosis (assessed by measuring caspase-3 activity and DNA fragmentation) in branches of the femoral artery. In contrast, the aforementioned endothelial protective effects of resveratrol were diminished in HFD-fed Nrf2(-/-) mice. Taken together, our results indicate that resveratrol both in vitro and in vivo confers endothelial protective effects which are mediated by the activation of Nrf2.

Pathways that regulate mitochondrial biogenesis are potential therapeutic targets for the amelioration of endothelial dysfunction and vascular disease. Resveratrol was shown to impact mitochondrial function in skeletal muscle and the liver, but its role in mitochondrial biogenesis in endothelial cells remains poorly defined. The present study determined whether resveratrol induces mitochondrial biogenesis in cultured human coronary arterial endothelial cells (CAECs). In CAECs resveratrol increased mitochondrial mass and mitochondrial DNA content, upregulated protein expression of electron transport chain constituents, and induced mitochondrial biogenesis factors (proliferator-activated receptor-coactivator-1α, nuclear respiratory factor-1, mitochondrial transcription factor A). Sirtuin 1 (SIRT1) was induced, and endothelial nitric oxide (NO) synthase (eNOS) was upregulated in a SIRT1-dependent manner. Knockdown of SIRT1 (small interfering RNA) or inhibition of NO synthesis prevented resveratrol-induced mitochondrial biogenesis. In aortas of type 2 diabetic (db/db) mice impaired mitochondrial biogenesis was normalized by chronic resveratrol treatment, showing the in vivo relevance of our findings. Resveratrol increases mitochondrial content in endothelial cells via activating SIRT1. We propose that SIRT1, via a pathway that involves the upregulation of eNOS, induces mitochondrial biogenesis. Resveratrol induced mitochondrial biogenesis in the aortas of type 2 diabetic mice, suggesting the potential for new treatment approaches targeting endothelial mitochondria in metabolic diseases.

The production of hyperglycemia-induced mitochondrial reactive oxygen species (mtROS) is a key event in the development of diabetic complications. Because resveratrol, a naturally occurring polyphenol, has been reported to confer vasoprotection, improving endothelial function and preventing complications of diabetes, we investigated the effect of resveratrol on mtROS production in cultured human coronary arterial endothelial cells (CAECs). The measurement of MitoSox fluorescence showed that resveratrol attenuates both steady-state and high glucose (30 mM)-induced mtROS production in CAECs, an effect that was prevented by the knockdown of the protein deacetylase silent information regulator 2/sirtuin 1 (SIRT1), an intracellular target of resveratrol. An overexpression of SIRT1 mimicked the effects of resveratrol, attenuating mtROS production. Similar results were obtained in CAECs transfected with mitochondria-targeted H 2 O 2 -sensitive HyPer-Mito fluorescent sensor. Amplex red assay showed that resveratrol and SIRT1 overexpression significantly reduced cellular H 2 O 2 levels as well. Resveratrol upregulated MnSOD expression and increased cellular GSH content in a concentration-dependent manner (measured by HPLC coulometric analysis). These effects were attenuated by SIRT1 knockdown and mimicked by SIRT1 overexpression. We propose that resveratrol, via a pathway that involves the activation of SIRT1 and the upregulation of antioxidant defense mechanisms, attenuates mtROS production, suggesting the potential for new treatment approaches targeting endothelial mitochondria in metabolic diseases.

Previous studies have shown that the aging vascular system undergoes pro-atherogenic phenotypic changes, including increased oxidative stress and a pro-inflammatory shift in endothelial gene expression profile. To elucidate the link between increased oxidative stress and vascular inflammation in aging, we compared the carotid arteries and aortas of young and aged (24 mo old) Fisher 344 rats. In aged vessels there was an increased NF-κB activity (assessed by luciferase reporter gene assay and NF-κB binding assay), which was attenuated by scavenging H 2 O 2 . Aging did not alter the vascular mRNA and protein expression of p65 and p50 subunits of NF-κB. In endothelial cells of aged vessels there was an increased production of H 2 O 2 (assessed by 5,6-chloromethyl-2′,7′-dichlorodihydrofluorescein diacetate-acetyl ester fluorescence), which was attenuated by the mitochondrial uncoupler FCCP. In young arteries and cultured endothelial cells, antimycin A plus succinate significantly increased FCCP-sensitive mitochondrial H 2 O 2 generation, which was associated with activation of NF-κB. In aged vessels inhibition of NF-κB (by pyrrolidenedithiocarbamate, resveratrol) significantly attenuated inflammatory gene expression and inhibited monocyte adhesiveness. Thus increased mitochondrial oxidative stress contributes to endothelial NF-κB activation, which contributes to the pro-inflammatory phenotypic alterations in the aged vaculature. Our model predicts that by reducing mitochondrial H 2 O 2 production and/or directly inhibiting NF-κB novel anti-aging pharmacological treatments (e.g., calorie restriction mimetics) will exert significant anti-inflammatory and vasoprotective effects.

There is growing evidence that obesity has deleterious effects on the brain and cognitive function in the elderly population. However, the specific mechanisms through which aging and obesity interact to promote cognitive decline remain unclear. To test the hypothesis that aging exacerbates obesity-induced cerebromicrovascular damage and neuroinflammation, we compared young (7 months) and aged (24 months) high fat diet–fed obese C57BL/6 mice. Aging exacerbated obesity-induced systemic inflammation and blood–brain barrier disruption, as indicated by the increased circulating levels of proinflammatory cytokines and increased presence of extravasated immunoglobulin G in the hippocampus, respectively. Obesity-induced blood–brain barrier damage was associated with microglia activation, upregulation of activating Fc-gamma receptors and proinflammatory cytokines, and increased oxidative stress. Treatment of cultured primary microglia with sera derived from aged obese mice resulted in significantly more pronounced microglia activation and oxidative stress, as compared with treatment with young sera. Serum-induced activation and oxidative stress were also exacerbated in primary microglia derived from aged animals. Hippocampal expression of genes involved in regulation of the cellular amyloid precursor protein–dependent signaling pathways, beta-amyloid generation, and the pathogenesis of tauopathy were largely unaffected by obesity in aged mice. Collectively, obesity in aging is associated with a heightened state of systemic inflammation, which exacerbates blood–brain barrier disruption. The resulting neuroinflammation and oxidative stress in the mouse hippocampus likely contribute to the significant cognitive decline observed in aged obese animals.

Sirt1 is an NAD+-dependent deacetylase that extends lifespan in lower organisms and improves metabolism and delays the onset of age-related diseases in mammals. Here we show that SRT1720, a synthetic compound that was identified for its ability to activate Sirt1 in vitro, extends both mean and maximum lifespan of adult mice fed a high-fat diet. This lifespan extension is accompanied by health benefits including reduced liver steatosis, increased insulin sensitivity, enhanced locomotor activity and normalization of gene expression profiles and markers of inflammation and apoptosis, all in the absence of any observable toxicity. Using a conditional SIRT1 knockout mouse and specific gene knockdowns we show SRT1720 affects mitochondrial respiration in a Sirt1- and PGC-1α-dependent manner. These findings indicate that SRT1720 has long-term benefits and demonstrate for the first time the feasibility of designing novel molecules that are safe and effective in promoting longevity and preventing multiple age-related diseases in mammals.

There is strong evidence showing that aging is associated with vascular oxidative stress, which has been causally linked to the development of cardiovascular diseases. NF-E2-related factor-2 (Nrf2) is a transcription factor, which is activated by reactive oxygen species in the vasculature of young animals leading to the upregulation of various antioxidant genes. The present study was designed to elucidate age-related changes in the homeostatic role of Nrf2-driven free radical detoxification mechanisms in the vasculature. We found that in the aorta of Fischer 344 × Brown Norway rats, aging results in a progressive increase in O 2 ·− production, and downregulates protein and mRNA expression of Nrf2, which is associated with a decreased nuclear Nrf2 activity and a decrease in the Nrf2 target genes NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1, γ-glutamylcysteine synthetase, and heme oxygenase-1. There was an inverse relationship between vascular expression of Nrf2 target genes and age-related increases in the expression of the NF-κB target genes ICAM-1 and IL-6, which was significant by regression analysis. In cultured aorta segments of young (3 mo old) rats treatment with H 2 O 2 and high glucose significantly increases nuclear translocation of Nrf2 and upregulates the expression of Nrf2 target genes. In contrast, in cultured aorta segments of aged (24 mo old) rats, the induction of Nrf2-dependent responses by H 2 O 2 and high glucose are blunted. High glucose-induced vascular oxidative stress was more severe in aortas of aged rats, as shown by the significantly increased H 2 O 2 production in these vessels, compared with responses obtained in aortas from young rats. Moreover, we found that aging progressively increases vascular sensitivity to the proapoptotic effects of H 2 O 2 and high glucose treatments. Taken together, aging is associated with Nrf2 dysfunction in the vasculature, which likely exacerbates age-related cellular oxidative stress and increases sensitivity of aged vessels to oxidative stress-induced cellular damage.

Adjustment of cerebral blood flow (CBF) to neuronal activity via neurovascular coupling (NVC) has an essential role in maintenance of healthy cognitive function. In aging increased oxidative stress and cerebromicrovascular endothelial dysfunction impair NVC, contributing to cognitive decline. There is increasing evidence showing that a decrease in NAD+ availability with age plays a critical role in a range of age-related cellular impairments but its role in impaired NVC responses remains unexplored. The present study was designed to test the hypothesis that restoring NAD+ concentration may exert beneficial effects on NVC responses in aging. To test this hypothesis 24-month-old C57BL/6 mice were treated with nicotinamide mononucleotide (NMN), a key NAD+ intermediate, for 2 weeks. NVC was assessed by measuring CBF responses (laser Doppler flowmetry) evoked by contralateral whisker stimulation. We found that NVC responses were significantly impaired in aged mice. NMN supplementation rescued NVC responses by increasing endothelial NO-mediated vasodilation, which was associated with significantly improved spatial working memory and gait coordination. These findings are paralleled by the sirtuin-dependent protective effects of NMN on mitochondrial production of reactive oxygen species and mitochondrial bioenergetics in cultured cerebromicrovascular endothelial cells derived from aged animals. Thus, a decrease in NAD+ availability contributes to age-related cerebromicrovascular dysfunction, exacerbating cognitive decline. The cerebromicrovascular protective effects of NMN highlight the preventive and therapeutic potential of NAD+ intermediates as effective interventions in patients at risk for vascular cognitive impairment (VCI).