Brain damage in methylmalonic aciduria: 2-methylcitrate induces cerebral ammonium accumulation and apoptosis in 3D organotypic brain cell cultures.

BACKGROUND: Methylmalonic aciduria is an inborn error of metabolism characterized by accumulation of methylmalonate (MMA), propionate and 2-methylcitrate (2-MCA) in body fluids. Early diagnosis and current treatment strategies aimed at limiting the production of these metabolites are only partially effective in preventing neurological damage. METHODS: To explore the metabolic consequences of methylmalonic aciduria on the brain, we used 3D organotypic brain cell cultures from rat embryos. We challenged the cultures at two different developmental stages with 1 mM MMA, propionate or 2-MCA applied 6 times every 12 h. In a dose-response experiment cultures were challenged with 0.01, 0.1, 0.33 and 1 mM 2-MCA. Immunohistochemical staining for different brain cell markers were used to assess cell viability, morphology and differentiation. Significant changes were validated by western blot analysis. Biochemical markers were analyzed in culture media. Apoptosis was studied by immunofluorescence staining and western blots for activated caspase-3. RESULTS: Among the three metabolites tested, 2-MCA consistently produced the most pronounced effects. Exposure to 2-MCA caused morphological changes in neuronal and glial cells already at 0.01 mM. At the biochemical level the most striking result was a significant ammonium increase in culture media with a concomitant glutamine decrease. Dose-response studies showed significant and parallel changes of ammonium and glutamine starting from 0.1 mM 2-MCA. An increased apoptosis rate was observed by activation of caspase-3 after exposure to at least 0.1 mM 2-MCA. CONCLUSION: Surprisingly, 2-MCA, and not MMA, seems to be the most toxic metabolite in our in vitro model leading to delayed axonal growth, apoptosis of glial cells and to unexpected ammonium increase. Morphological changes were already observed at 2-MCA concentrations as low as 0.01 mM. Increased apoptosis and ammonium accumulation started at 0.1 mM thus suggesting that ammonium accumulation is secondary to cell suffering and/or cell death. Local accumulation of ammonium in CNS, that may remain undetected in plasma and urine, may therefore play a key role in the neuropathogenesis of methylmalonic aciduria both during acute decompensations and in chronic phases. If confirmed in vivo, this finding might shift the current paradigm and result in novel therapeutic strategies.

A MODEL OF CREATINE DEFICIENCY SYNDROMES IN 3D BRAIN CELL CULTURES BY KNOCKDOWN OF GAMT AND SLC6A8 GENES

La créatine joue un rôle essentiel dans le métabolisme cellulaire par sa conversion, par la creatine kinase, en phosphocreatine permettant la régénération de l'ATP. La synthèse de créatine, chez les mammifères, s'effectue par une réaction en deux étapes impliquant Γ arginine: glycine amidinotransférase (AGAT) et la guanidinoacétate méthyltransférase (GAMT). L'entrée de créatine dans les cellules s'effectue par son transporteur, SLC6A8. Les déficiences en créatine, dues au déficit en GAMT, AGAT ou SLC6A8, sont fréquentes et caractérisées par une absence ou une forte baisse de créatine dans le système nerveux central. Alors qu'il est connu que AGAT, GAMT et SLC6A8 sont exprimés par le cerveau, les conséquences des déficiences en créatine sur les cellules nerveuses sont peu comprises. Le but de ce travail était de développer de nouveaux modèles expérimentaux des déficiences en Cr dans des cultures 3D de cellules nerveuses de rat en agrégats au moyen de l'interférence à l'ARN appliquée aux gènes GAMT et SLC6A8. Des séquences interférentes (shRNAs) pour les gènes GAMT et SLC6A8 ont été transduites par des vecteurs viraux AAV (virus adéno-associés), dans les cellules nerveuses en agrégats. Nous avons ainsi démontré une baisse de l'expression de GAMT au niveau protéique (mesuré par western blot), et ARN messager (mesuré par qPCR) ainsi qu'une variation caractérisitique de créatine et guanidinoacétate (mesuré par spectrométrie de masse). Après avoir validé nos modèles, nous avons montré que les knockdown de GAMT ou SLC6A8 affectent le développement des astrocytes et des neurones ou des oligodendrocytes et des astrocytes, respectivement, ainsi qu'une augmentation de la mort cellulaire et des modifications dans le pattern d'activation des voies de signalisation impliquant caspase 3 et p38 MAPK, ayant un rôle dans le processus d'apoptose. - Creatine plays essential roles in energy metabolism by the interconversion, by creatine kinase, to its phosphorylated analogue, phosphocreatine, allowing the regeneration of ATP. Creatine is synthesized in mammals by a two step mechanism involving arginine:glycine amidinotransferase (AGAT) and guanidinoacetate methyltransferase (GAMT). Creatine is taken up by cells by a specific transporter, SLC6A8. Creatine deficiency syndromes, due to defects in GAMT, AGAT and SLC6A8, are among the most frequent inborn errors of metabolism, and are characterized by an absence or a severe decrease of creatine in central nervous system, which is the main tissue affected. While it is known that AGAT, GAMT and SLC6A8 are expressed in CNS, many questions remain on the specific effects of AGAT, GAMT and SLC6A8 deficiencies on brain cells. Our aim was to develop new experimental models of creatine deficiencies by knockdown of GAMT and SLC6A8 genes by RNAi in 3D organotypic rat brain cell cultures in aggregates. Specific shRNAs for the GAMT and SLC6A8 genes were transduced in brain cell aggregates by adeno-associated viruses (AAV). The AAV-transduced shRNAs were able to efficiently knockdown the expression of our genes of interest, as shown by a strong decrease of protein by western blotting, a decrease of mRNA by qPCR or characteristic variations of creatine and guanidinoacetate by tandem mass spectrometry. After having validated our experimental models, we have also shown that GAMT and SLC6A8 knockdown affected the development of astrocytes and neurons or oligodendrocytes and astrocytes, respectively. We also observed an increase of cell death and variations in activation pattern of caspase 3 and p38 MAPK pathways, involved in apoptosis, in our experimental model.

Helical tomotherapy (HT) for the treatment of anal canal cancer: preliminary clinical results, and dosimetric comparison between HT and intensity-modulated or 3D conformal radiotherapy

Background: To report a single-center experience in 19 patients (pts) with anal canal cancer treated with helical tomotherapy (HT) and concurrent chemotherapy, and compare the dosimetric results with fixed-field intensitymodulated radiotherapy (IMRT) and 3D conformal radiotherapy (3D RT). Materials and Methods: Between 2007 and 2008, 19 consecutive pts were treated with HT and concurrent CT for anal canal cancer. Median age was 59 years (range, 38−83), and female/male ratio was 14/5. The majority of the pts had T2 or T3 tumours (68.4%), and 52.6% had positive lymph nodes. In all 19 pts, pelvic and inguinal nodes, and tumour irradiation was given using HT upto a median dose of 36 Gy (1.8 Gy/fr) followed by a 1-week gap. A boost dose of 23.4 Gy (1.8 Gy/fr) was delivered to the tumour and involved nodes using 3DRT (n = 12), HT (n = 6), or IMRT (n = 1). Simultaneous integrated boost was used in none of the pts. All but one patient with a T1N0 tumour received concomitant mitomycin/5- fluorouracil (n = 12) or mitomycin/capecitabin (n = 7) CT. Toxicity was scored according to the Common Terminology Criteria for Adverse Events (NCICTCAE v3.0). HT plans and treatments were generated using Tomotherapy, Inc., software and hardware; and 3D or IMRT boost plans with the CMS treatment planning system (TPS), using 6−18 MV photons from a Siemens Primus accelerator. For dosimetric comparison, computed tomography data sets of 10 pts were imported into the TPS, and 3D and 5-field step-andshoot IMRT plans were generated for each case. Plans were optimized with the aim of assessing organs at risk (OAR) and healthy-tissue sparing while enforcing highly conformal target coverage, and evaluated by dose-volume histograms (DVH) of planning target volumes (PTV) and OAR. Results: With a median follow-up of 13 months (range, 3−18), all pts are alive and well; except one patient developing local recurrence at 12 months. No patient developed grade 3 or more acute toxicity. No unplanned treatment interruption was necessary because of toxicity. With 360-degree-of-freedom beam projection, HT showed an advantage over 3D or IMRT plans in terms of dose conformity around the PTV, and dose gradients were steeper outside the PTV, resulting in reduced doses to OARs. Using HT, acute toxicity was acceptable, and seemed to be better than historical standards. Conclusion: We conclude that HT combined with concurrent chemotherapy for anal canal cancer is effective and tolerable. Compared to 3DRT or 5-field IMRT, there is better conformity around the PTV, and OAR sparing.

SIMULIT : description du modèle de simulation

Le modèle développé à l'Institut universitaire de médecine sociale et préventive de Lausanne utilise un programme informatique pour simuler les mouvements d'entrées et de sorties des hôpitaux de soins généraux. Cette simulation se fonde sur les données récoltées de routine dans les hôpitaux; elle tient notamment compte de certaines variations journalières et saisonnières, du nombre d'entrées, ainsi que du "Case-Mix" de l'hôpital, c'est-à-dire de la répartition des cas selon les groupes cliniques et l'âge des patients.

Using 3D surface datasets to understand landslide evolution: From analogue models to real case study

Early detection of landslide surface deformation with 3D remote sensing techniques, as TLS, has become a great challenge during last decade. To improve our understanding of landslide deformation, a series of analogue simulation have been carried out on non-rigid bodies coupled with 3D digitizer. All these experiments have been carried out under controlled conditions, as water level and slope angle inclination. We were able to follow 3D surface deformation suffered by complex landslide bodies from precursory deformation still larger failures. These experiments were the basis for the development of a new algorithm for the quantification of surface deformation using automatic tracking method on discrete points of the slope surface. To validate the algorithm, comparisons were made between manually obtained results and algorithm surface displacement results. Outputs will help in understanding 3D deformation during pre-failure stages and failure mechanisms, which are fundamental aspects for future implementation of 3D remote sensing techniques in early warning systems.

High throughput 3D super-resolution microscopy reveals Caulobacter crescentus in vivo Z-ring organization.

We created a high-throughput modality of photoactivated localization microscopy (PALM) that enables automated 3D PALM imaging of hundreds of synchronized bacteria during all stages of the cell cycle. We used high-throughput PALM to investigate the nanoscale organization of the bacterial cell division protein FtsZ in live Caulobacter crescentus. We observed that FtsZ predominantly localizes as a patchy midcell band, and only rarely as a continuous ring, supporting a model of "Z-ring" organization whereby FtsZ protofilaments are randomly distributed within the band and interact only weakly. We found evidence for a previously unidentified period of rapid ring contraction in the final stages of the cell cycle. We also found that DNA damage resulted in production of high-density continuous Z-rings, which may obstruct cytokinesis. Our results provide a detailed quantitative picture of in vivo Z-ring organization.

Recherche translationnelle: de l'animal modèle de schizophrénie à la forme humaine de difficulté cognitive. Evaluation des performances de navigation spatiale et des stratégies utilisées

Un protocole de tests sur labyrinthe radial permettant d'évaluer la navigation spatial chez l'homme a été réalisé. Ces tests sur labyrinthe radial sont basés sur le protocole utilisé sur l'animal modèle de schizophrénie dans le CNP (Centre de neuroscience psychiatrique) de Lausanne. Les recherches actuelles du CNP ont montré un déficit dans les capacités d'orientation spatiale de ces animaux [13]. Ainsi notre méthodologie consistera à tester des sujets humains dans des tâches de labyrinthe afin d'étudier de la manière la plus équivalente les différents déficits observés dans la pathologie humaine et dans le rat modèle. Cette démarche est à la base d'une approche translationnelle qui combine recherches cliniques et expérimentales. Le travail expérimental a été mené sur deux dispositifs analogues. a) «radial au doigt», ensemble de petits canaux qui peuvent être explorés par le doigt, yeux ouverts ou fermés et dans lesquels des textures différentes tapissent chaque bras. b) «radial sur écran tactile», deux labyrinthes qui comparent deux types d'indice locale, couleurs différentes ou patrons noir-blanc. Dans les deux dispositifs a été prévu une série de tests permettant d'évaluer la mémorisation des indices utilisés en les supprimant temporairement où en les mettant en contradiction. La première perturbation a pour but de tester l'importance du référentiel locale par une rotation de 90° du labyrinthe. La permutation des bras lors d'un dernier essai permet d'induire une situation ou les informations ont été soit correctes spatialement mais incorrectes localement (texture) soit inversement. Ces perturbations des informations sensorielles qui sont fournies au sujet, permettent d'observer les systèmes de repérage et leur poids relatif dans la construction d'un système de référence durant la navigation spatiale. Les résultats du labyrinthe radial au doigt montrent que dans les conditions utilisant les informations visuelles les participants sont sensiblement plus performants. Il est apparu que les informations visuelles prédominent sur les informations proprioceptives et tactiles. Ainsi dans la condition intégrant informations visuospatiales, proprioceptives et tactiles, les sujets basent plus fortement leur navigation spatiale sur les indices visuelles soit locale soit spatiale. Dans cette condition une différence significative de stratégie entre hommes et femmes est apparue. Les hommes se basent majoritairement sur des indices spatiaux tandis que les femmes préfèrent les indices locaux. En présence d'informations tactiles et proprioceptives mais en absence de la vision, les participants utilisent les références spatiale et locale complémentairement sans avoir un système prédominant. Alors que si uniquement les informations proprioceptives sont présentes, les sujets utilisent un système de référence spatiale (globale). Le labyrinthe radial sur écran tactile indique une différence de système de référence selon l'indice local employé. Les couleurs, étant des forts indices locaux, vont favoriser un système de référence local. Au contraire les patrons noirs-blancs sont des indices visiblement très complexes et difficiles à mémoriser qui vont pousser les sujets à utiliser une stratégie de référence spatiale.

Étude de la fonction de GLUT8 sur un modèle de souris "knock-out"

Résumé GLUT8 est la première des nouvelles isoformes des GLUT récemment identifiés. Il est fortement exprimé dans les testicules et plus faiblement dans les blastocystes, le cerveau, particulièrement au niveau de l'hippocampe, et le coeur. En conditions basales, il est retenu dans un compartiment intracellulaire. Si on l'exprime en surface cellulaire, par la mutation du motif d'internalisation dileucine, il transporte le glucose avec une bonne affinité. Dans le but d'étudier sa fonction au niveau de l'organisme, nous avons créé un modèle de knock out conditionnel, en entourant le dernier exon du gène de GLUT8 par deux sites loxP. En croisant nos souris avec une souche de souris transgénique exprimant la cre-recombinase dans les cellules de la lignée germinale, nous avons généré un modèle de souris portant la délétion totale de GLUT8 de manière constitutionnelle. Les statistiques effectuées sur les premières naissances indiquent qu'une partie des souris knock out ne survit pas, suggérant un rôle de GLUT8 au niveau du développement embryonnaire. Les souris qui ont survécu ne présentent toutefois pas d'anomalies durant la croissance et sont fertiles. Elles ont des taux de glucose et d'insuline sanguins normaux. Au niveau cérébral, la structure de l'hippocampe n'est pas modifiée par la suppression de GLUT8, cependant, les souris GLUT8-/- présentent une prolifération cellulaire augmentée dans le gyrus denté. Cette augmentation de division cellulaire pourrait être la réponse adaptée à une éventuelle augmentation de la mort cellulaire au niveau de l'hippocampe. Elles ne semblent toutefois pas présenter de défauts cognitifs majeurs dans le bassin de Morris en conditions normales. Toutefois, en conditions de jeûne, elles tendent à une meilleure mémorisation à court terme. Les études morphologiques et histologiques au niveau cardiaque n'ont pas révélé de d'hypertrophie au niveau ventriculaire. La stimulation de la contraction à l'isoprotérénol n'a pas mis en évidence de défaut d'adaptation des coeurs GLUT8-/-. Cependant l'analyse fonctionnelle par électrocardiogramme, en conditions basales, a montré une augmentation de la durée de l'onde P, suggérant un défaut dans la dépolarisation des oreillettes. Nos résultats indiquent que GLUT8 ne joue pas un rôle prédominant dans la survie et la fonction basale des souris. Il pourrait jouer un rôle plus important dans des situations stressantes pour l'organisme, comme l'hypoglycémie ou les conditions d'ischémie qui induiraient son expression à la membrane plasmique et stimuleraient le captage du glucose. Abstract GLUT8 was the first of the recently identified isoform of the GLUT family proteins. It is strongly expressed in the testis. It is also found at a lower level in the blastocyst, in heart and in the brain. Under basal conditions, it is retained in the intracellular compartment, but when the internalization motif dileucine is mutated, GLUT8 translocates to the plasma membrane and transports glucose with a relatively high affinity. To study its function in vivo, we created a conditional knock out mouse model. To do so, we targeted the last exon of the GLUT8 gene with two loxP sites. We then crossed these mice with a transgenic model expressing the cre-recombinase in the gem' line to generate a constitutional total knock out mouse. The statistics made on the first breedings showed that some of the knock out mice do not survive, suggesting a role of GLUT8 in the embryonic development. Conversely mice who survive do not show developmental defects and they are fertile with normal glucose and insulin blood levels. In the brain, the general structure of the hippocampus is not modified by the deletion of GLUT8. However, GLUT8-/- mice show an increase in the cell proliferation in the dentate gyms. This cell proliferation could be due to an increase in the cell death in the hippocampus. When tested in the morris water maze, these mice do not show any cognitive defects in the basal conditions, but they have a tendency to learn better in fasted conditions. The morphological and histological studies made at the heart level did not show any cardiac hypertrophy in the ventricles. The stimulation with isoproterenol did not show any adaptation defects in the GLUT8-/- hearts. However, the functional analysis made in basal conditions with the electrocardiogram showed an increase in the P wave length, suggesting a defect in the atrial depolarization in the knock out mice. Overall, our results show that GLUT8 does not play an important role in the basal general functions in the mice, but might play a more important role during whole organism stress. Hypoglycaemia or ischemia, for example could stimulate the GLUT8 translocation to the plasma membrane to increase specifically glucose uptake. Résumé tout public Les différentes cellules de l'organisme possèdent des propriétés particulières, qui leur permettent de maintenir les fonctions de l'organe auquel elles appartiennent. La membrane plasmique qui les délimite sélectionne les substances qui vont pénétrer à l'intérieur de la cellule et permet ainsi de maintenir un environnement interne constant. Le glucose est une source d'énergie importante pour la cellule et doit pouvoir pénétrer à l'intérieur de la cellule. Il utilise pour cela des protéines de transport qui le feront passer de part et d'autre de la membrane. Les protéines de la famille des GLUT (pour GLUcose Transporter) possèdent cette capacité. GLUT8 est un membre de la famille des GLUT identifié récemment. Il possède la capacité de transporter le glucose quand il se présente à la surface de la cellule. Il est principalement exprimé dans les testicules, dans le coeur et le cerveau et durant le développement embryonnaire. Son rôle n'est toutefois pas encore défini. Ce travail consiste à étudier la fonction de GLUT8 au niveau de l'organisme entier. Nous avons créé un modèle de souris dans lesquelles l'expression de GLUT8 a été supprimée pour mettre en évidence son importance dans le maintien de l'intégrité des fonctions du corps. Les observations effectuées sur les souris qui n'expriment plus GLUT8 nous indiquent que leurs cellules prolifèrent plus vite au niveau de l'hippocampe. L'hippocampe est une structure située dans le cerveau qui est impliquée dans les phénomènes d'apprentissage. Les souris qui ont été testées dans des tâches d'apprentissage n'ont malgré cela pas montré une amélioration de la mémorisation. Dans le coeur, la suppression de GLUT8 semble présenter un défaut quand on mesure l'activité électrique du coeur par électrocardiogramme. Toutefois, ils fonctionnent normalement et ne présentent pas de défauts morphologiques en conditions normales. Les expériences effectuées sur les modèles de souris indiquent que GLUT8 ne jouerait pas un rôle prédominant dans le fonctionnement normal du corps. Il pourrait exercer sa fonction dans des situations plus particulières comme l'hypoglycémie, où il permettrait une meilleure capacité à transporter le glucose dans les cellules.