Conditioned medium from activated spleen cells supports the survival of rat retinal cells in vitro

Cytokines are a heterogeneous group of molecules that have been associated with several functions in the nervous system, such as survival and differentiation of neuronal and glial cells. In the present study, we demonstrated that conditioned medium from spleen cells activated with concanavalin A increased neuritogenesis and survival of retinal cells, as measured by biochemical and morphological criteria. Our data showed that conditioned medium induced a five-fold increase in the amount of protein after 120 h in vitro. This effect was not inhibited by the blockade of voltage-dependent L-type calcium channels with 5.0 µM nifedipine. However, the use of an intracellular calcium chelator (15.0 µM BAPTA-AM) inhibited this effect. Our results support the idea that factors secreted by activated lymphocytes, such as cytokines, can modulate the maintenance and the differentiation of rat retinal cells in vitro, indicating a possible role of these molecules in the development of retinal cells, as well as in its protection against pathological conditions

CaMKIIdelta overexpression in hypertrophy and heart failure: cellular consequences for excitation-contraction coupling

Ca/calmodulin-dependent protein kinase IIdelta (CaMKIIdelta) is the predominant isoform in the heart. During excitation-contraction coupling (ECC) CaMKII phosphorylates several Ca-handling proteins including ryanodine receptors (RyR), phospholamban, and L-type Ca channels. CaMKII expression and activity have been shown to correlate positively with impaired ejection fraction in the myocardium of patients with heart failure and CaMKII has been proposed to be a possible compensatory mechanism to keep hearts from complete failure. However, in addition to these acute effects on ECC, CaMKII was shown to be involved in hypertrophic signaling, termed excitation-transcription coupling (ETC). Thus, animal models have shown that overexpression of nuclear isoform CaMKIIdeltaB can induce myocyte hypertrophy. Recent study from our laboratory has suggested that transgenic overexpression of the cytosolic isoform CaMKIIdeltaC in mice causes severe heart failure with altered intracellular Ca handling and protein expression leading to reduced sarcoplasmic reticulum (SR) Ca content. Interestingly, the frequency of diastolic spontaneous SR Ca release events (or opening of RyR) was greatly enhanced, demonstrating increased diastolic SR Ca leak. This was attributed to increased CaMKII-dependent RyR phosphorylation, resulting in increased and prolonged openings of RyR since Ca spark frequency could be reduced back to normal levels by CaMKII inhibition. This review focuses on acute and chronic effects of CaMKII in ECC and ETC. In summary, CaMKII overexpression can lead to heart failure and CaMKII-dependent RyR hyperphosphorylation seems to be a novel and important mechanism in ECC due to SR Ca leak which may be important in the pathogenesis of heart failure.

Intracranial Nimodipine Implant: Feasibility and Implications for the Treatment of Subarachnoid Hemorrhage – A Pre-Clinical Study

Intracranial aneurysmal subarachnoid hemorrhage (aSAH) is a life-threatening condition requiring immediate neurocritical care. A ruptured aneurysm must be isolated from arterial circulation to prevent rebleeding. Open surgical clipping of the neck of the aneurysm or intra-arterial filling of the aneurysm sack with platinum coils are major treatment strategies in an acute phase. About 40% of the patients suffering from aSAH die within a year of the bleeding despite the intensive treatment. After aSAH, the patient may develop a serious complication called vasospasm. Major risk for the vasospasm takes place at days 5–14 after the primary bleeding. In vasospasm, cerebral arteries contract uncontrollably causing brain ischemia that may lead to death. Nimodipine (NDP) is used to treat of vasospasm and it is administrated intravenously or orally every four hours for 21 days. NDP treatment has been scientifically proven to improve patients’ clinical outcome. The therapeutic effect of L-type calcium channel blocker NDP is due to the ability to dilate cerebral arteries. In addition to vasodilatation, recent research has shown the pleiotropic effect of NDP such as inhibition of neuronal apoptosis and inhibition of microthrombi formation. Indeed, NDP inhibits cortical spreading ischemia. Knowledge of the pathophysiology of the vasospasm has evolved in recent years to a complex entity of early brain injury, secondary injuries and cortical spreading ischemia, instead of being pure intracranial vessel spasm. High NDP levels are beneficial since they protect neurons and inhibit the cortical spreading ischemia. One of the drawbacks of the intravenous or oral administration of NPD is systemic hypotension, which is harmful particularly when the brain is injured. Maximizing the beneficial effects and avoiding systemic hypotension of NDP, we developed a sustained release biodegradable NDP implant that was surgically positioned in the basal cistern of animal models (dog and pig). Higher concentrations were achieved locally and lower concentrations systemically. Using this treatment approach in humans, it may be possible to reduce incidence of harmful hypotension and potentiate beneficial effects of NDP on neurons. Intracellular calcium regulation has a pivotal role in brain plasticity. NDP blocks L-type calcium channels in neurons, substantially decreasing intracellular calcium levels. Thus, we were interested in how NDP affects brain plasticity and tested the hypothesis in a mouse model. We found that NDP activates Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) receptor TrkB and its downstream signaling in a reminiscent of antidepressant drugs. In contrast to antidepressant drugs, NDP activates Akt, a major survival-promoting factor. Our group’s previous findings demonstrate that long-term antidepressant treatment reactivates developmental-type of plasticity mechanisms in the adult brain, which allows the remodeling of neuronal networks if combined with appropriate rehabilitation. It seems that NDP has antidepressant-like properties and it is able to induce neuronal plasticity. In general, drug induced neuronal plasticity has a huge potential in neurorehabilitation and more studies are warranted.

Modulation of muscle contraction by a FMRFamide-related peptide

A FMRFamide-like neuropeptide with the sequence "DRNFLRF-NH2" was recently isolated from pericardial organs of crayfish (Mercier et aI., Peptides, 14, 137-143, 1993). This neuropeptide, referred to as "DF2'" has already been shown to elicit cardioexcitation and to enhance synaptic transmission at neuromuscular junctions. Possible effects ofDF2 on muscle were investigated using superficial extensor muscles of the abdomen of the crayfish, Procambarus clar/ai. These muscles are of the tonic type and generate slow contractions that affect posture. DF2, at concentrations of 10-8 M or higher, increased muscle tonus and induced spontaneous, rhythmic contractions. These effects were antagonized by 5 rnM Mn2+ but not by lO-7M tetrodotoxin (TTX). Thus, they represent direct actions on muscle cells (rather than effects on motor neurons) and are likely to involve calcium influx. In contrast, deep abdominal extensor muscles, responsible for rapid swimming movements, and superficial flexor muscles do not generate contractions in response to the peptide. 2 Spontaneous contractions were also induced in the superficial extensor muscles by decreasing the temperature to II-13°C. Such contractions were also TTX-insensitive and they were antagonized by adding calcium channel blockers (Mn2+, Cd2+ or Ni2+) or by removing calcium from the bathing solution. This suggests that the spontaneous contractions depend on an influx of calcium from the extracellular solution. N-type and L-type voltage dependent calcium channel blockers did not reduce the effect of the peptide or the spontaneous contractions suggesting that calcium influx is not through N- or L-type calcium channels.

Mechanisms of long-term modulation of synaptic transmission in crayfish

Please consult the paper edition of this thesis to read. It is available on the 5th Floor of the Library at Call Number: Z 9999 B56 M68 2007

Implication de l'aldostérone dans les changements hémodynamiques de la grossesse

La grossesse s’accompagne d’importantes modifications hormonales et hémodynamiques. Parmi celles-ci, le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) est activé très tôt durant la grossesse. De plus, cette augmentation du SRAA est accompagnée d’élévations du débit cardiaque et du volume plasmatique ainsi que des baisses paradoxales de la pression artérielle et de la résistance vasculaire périphérique. Ceci suggère que la grossesse induit un remaniement des réponses physiologiques normales au SRAA. Une résistance vasculaire à l’action des vasopresseurs est également observée durant la gestation. Ce phénomène serait causé par la modification de la fonction des canaux calciques et potassiques. De plus, il serait possiblement dû à la participation de la Na+/K+-ATPase, par son influence sur le potentiel membranaire des cellules des muscles lisses vasculaires (VSMC). La présence des récepteurs minéralocorticoïdes (MR) dans les VSMC laisse croire que l’aldostérone peut influencer le tonus vasculaire par des effets génomiques et non-génomiques. Compte tenu des connaissances actuelles, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation des taux sériques d’aldostérone durant la grossesse est responsable des changements hémodynamiques observés et que ces effets sont causés par l’activation des MR. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate de potassium (20 mg/kg•jr), un antagoniste des MR, durant la dernière semaine de gestation (sur 3). Sur des anneaux aortiques dénudés de leur endothélium, nous avons mesuré les réponses contractiles à la phényléphrine (PhE) et au KCl en présence d’un bloqueur des canaux calciques dépendants du voltage (VDCC), la nifédipine, et d’activateurs des canaux potassiques à large conductance (BKCa) et ceux dépendants de l’ATP (KATP), respectivement le NS-1619 et la cromakalim. Les réponses à la PhE et au KCl sont réduites à partir du 17e jour de gestation et le traitement au canrénoate augmente ces réponses dans tous les groupes. Les modulateurs de canaux ioniques atténuent les réponses à la PhE et au KCl. Cependant, le canrénoate modifie aussi les effets des modulateurs sur les aortes. Aucun effet ou une baisse des réponses est observable chez les rates non gestantes, tandis qu’une hausse de leur effet inhibiteur est notée chez les rates gestantes. Ces effets du canrénoate font croire que l’aldostérone participe à l’adaptation de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Par ailleurs, le potentiel membranaire des VSMC pourrait être affecté dans la gestation. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons évalué l’activité de la Na+/K+-ATPase, impliquée dans le contrôle du potentiel membranaire. Nos résultats démontrent que l’activité de la pompe est inhibée à partir du 19e jour de gestation. Cet effet est renversé par le canrénoate. Toutefois, comme le renversement de l’inhibition de la pompe est également présent chez les rates gestantes traitées avec du PST 2238, un antagoniste de l’ouabaïne sur la Na+/K+-ATPase, et que le canrénoate agit également comme agoniste partiel de la pompe, nous croyons que la diminution d’activité associée à la gestation est liée à une inhibition de la Na+/K+-ATPase par des stéroïdes cardiotoniques plutôt qu’à un effet des minéralocorticoïdes. L’augmention d’activité de la pompe liée au canrénoate s’accompagne d’une diminution de l’expression de la sous-unité α1, suggérant que la sous-unité α2 est responsable des variations de contractilité de l’aorte, puisque son expression n’est pas modifiée par le canrénoate. Les effets de la diminution de l’expression de la sous-unité α1, influencée par la signalisation du MR, restent à être déterminés. Néanmoins, nos résultats montrent que les modifications d’activité de la Na+/K+-ATPase influencent l’activité des canaux potassiques et que la pompe pourraient être un des éléments primordiaux dans le contrôle de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Comme le canrénoate modifie la réactivité vasculaire, nous voulions déterminer ses impacts sur la pression artérielle. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate (20 ou 60 mg/kg•jr) et les paramètres hémodynamiques ont été évalués par radiotélémétrie. Aucune modification de la pression artérielle, du rythme cardiaque et de la pression pulsée ne sont mesurées chez les rates recevant le traitement. Toutefois, des augmentations de l’osmolalité, des taux sériques d’aldostérone et de corticostérone ainsi que de l’activité rénine plasmatique sont observées chez les animaux recevant 60 mg/kg•jr. Le canrénoate bloque donc le rétrocontrôle du SRAA. Par contre, les MR ne sont pas les principaux responsables du contrôle de la pression artérielle durant la grossesse. En conclusion, nous avons démontré que le traitement des rates au canrénoate influence la réactivité vasculaire de l’aorte durant la gestation. Cet effet est causé par la modification de l’activité de certains canaux ioniques (VDCC, BKCa et KATP). De plus, le canrénoate renverse l’inhibition de la Na+/K+-ATPase observée durant la gestation. Finalement, les actions locales de cet antagoniste des MR sur les vaisseaux sanguins ne se répercutent pas sur l’effet systémique global et aucune modification de la pression artérielle n’est observée. D’autres études seront toutefois nécessaires pour déterminer les voies de signalisation par lesquelles l’aldostérone module les réponses des canaux ioniques dans les VSMC.

Couplage entre les régions IIS4S5 et IIIS6 lors de l’activation du canal calcique CaV3.2

Le canal calcique dépendant du voltage de type-T CaV3.2 joue un rôle important dans l’excitabilité neuronale et dans la perception de la douleur. Le canal CaV3.2 partage une grande homologie structurale et fonctionnelle avec les canaux NaV. Ces deux types de canaux sont activés par de faibles dépolarisations membranaires et possèdent des cinétiques de temps d’activation et d’inactivation plus rapides que les canaux CaV de type-L. Les structures cristallines à haute résolution des canaux bactériens NaVAb (Payandeh et al. 2011; Payandeh et al. 2012) et NaVRh (Zhang et al. 2012) suggèrent que l’hélice amphiphile S4S5 du domaine II peut être couplée avec les résidus de l’hélice S6 dans le domaine II ainsi qu’avec des résidus de l’hélice homologue dans le domaine adjacent, soit le domaine III, et ce, durant l’activation du canal. Pour déterminer les résidus fonctionnellement couplés, durant l’activation du canal CaV3.2, une analyse cyclique de doubles mutants a été effectuée par substitution en glycine et alanine des résidus clés entre l’hélice S4S5 du domaine II et le segment S6 des domaines II et III. Les propriétés biophysiques ont été mesurées à l’aide de la technique de « cut-open » sur les ovocytes. Les énergies d’activation ont été mesurées pour 47 mutations ponctuelles et pour 14 paires de mutants. De grandes énergies de couplage (ΔΔGinteract > 2 kcal mol-1) ont été observées pour 3 paires de mutants introduites dans les IIS4S5/IIS6 et IIS4S5/IIIS6. Aucun couplage significatif n’a été observé entre le IIS4S5 et le IVS6. Nos résultats semblent démontrer que les hélices S4S5 et S6 provenant de deux domaines voisins sont couplées durant l’activation du canal calcique de type-T CaV3.2.

L’effet de la surexpression du récepteur de type 1 à l’angiotensine II sur les courants potassiques et calciques au niveau des oreillettes

Le système rénine-angiotensine est impliqué dans le remodelage structurel et électrique caractérisant la fibrillation auriculaire (FA). L’angiotensine II (ANG II) induit le développement de fibrose et d’hypertrophie au niveau des oreillettes, prédisposant à la FA. Or, les mécanismes électrophysiologiques par lesquels l’ANG II pourrait promouvoir la FA sont peu connus. L’objectif de ce projet de recherche est d’évaluer l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques au niveau auriculaire indépendamment du remodelage structurel. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique de patch-clamp avec un modèle de souris surexprimant le récepteur de type 1 à l’angiotensine II (AT1R) spécifiquement au niveau cardiaque. Pour distinguer les effets directs de la surexpression d’AT1R des effets induits par le remodelage cardiaque, nous avons étudié des souris âgées de 180 jours, qui présentent du remodelage structurel, et des souris âgées de 50 jours, qui n’en présentent pas. Des études précédentes sur ce modèle ont montré qu’au niveau des myocytes ventriculaires, l’ANG II réduit le courant potassique global (Ipeak) et rectifiant entrant (IK1) ainsi que le courant calcique de type L (ICaL). Ainsi, notre hypothèse est que l’ANG II modulera aussi ces courants au niveau auriculaire, pouvant ainsi augmenter l’hétérogénéité de repolarisation auriculaire et de ce fait le risque de développer et maintenir la FA. Nous avons observé une diminution significative de la densité d’IK1 dans l’oreillette gauche des souris transgéniques sans changement d’Ipeak. De plus, la densité d’ ICaL n’est pas réduite chez les souris transgéniques âgées de 50 jours. En conclusion, l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques semble dépendre de la chambre cardiaque. En effet, nous savions que l’ANGII réduisait Ipeak, IK1 et ICaL au niveau ventriculaire, mais nos résultats ont montré qu’il ne les affectait pas directement au niveau des oreillettes. Ceci suggère des mécanismes de régulation impliquant des voies de signalisation distinctes selon les chambres cardiaques. Enfin, nos résultats montrant l’absence de l’influence directe de la surexpression d’AT1R sur les canaux K+ et Ca2+ au niveau des myocytes auriculaires renforcent l’importance d’approfondir nos connaissances sur les effets de l’angiotensine II sur le développement de la fibrose, sur le remodelage structurel et sur la conduction électrique cardiaque.

"Functional Upregulation of Ca2+ -Activated K+ Channels in the Development of Substantia Nigra Dopamine Neurons"

Many connections in the basal ganglia are made around birth when animals are exposed to a host of new affective, cognitive, and sensori-motor stimuli. It is thought that dopamine modulates cortico-striatal synapses that result in the strengthening of those connections that lead to desired outcomes. We propose that there must be a time before which stimuli cannot be processed into functional connections, otherwise it would imply an effective link between stimulus, response, and reward in uterus. Consistent with these ideas, we present evidence that early in development dopamine neurons are electrically immature and do not produce high-frequency firing in response to salient stimuli. We ask first, what makes dopamine neurons immature? and second, what are the implications of this immaturity for the basal ganglia? As an answer to the first question, we find that at birth the outward current is small (3nS-V), insensitive to Ca2z, TEA, BK, and SK blockers. Rapidly after birth, the outward current increases to 15nS-V and becomes sensitive to Ca2z, TEA, BK, and SK blockers. We make a detailed analysis of the kinetics of the components of the outward currents and produce a model for BK and SK channels that we use to reproduce the outward current, and to infer the geometrical arrangement of BK and Ca2z channels in clusters. In the first cluster, T-type Ca2z and BK channels are coupled within distances of *20 nm (200 A˚). The second cluster consists of L-type Ca2z and BK channels that are spread over distances of at least 60 nm. As for the second question, we propose that early in development, the mechanism of action selection is in a ‘‘locked-in’’ state that would prevent dopamine neurons from reinforcing cortico-striatal synapses that do not have a functional experiential- based value.

The Ca(v)2.3 calcium channel antagonist SNX-482 reduces dorsal horn neuronal responses in a rat model of chronic neuropathic pain

Neuropathic pain is a difficult state to treat, characterized by alterations in sensory processing that can include allodynia (touch-evoked pain). Evidence exists for nerve damage-induced plasticity in both transmission and modulatory systems, including changes in voltage-dependent calcium channel (VDCC) expression and function; however, the role of Ca(v)2.3 calcium channels has not clearly been defined. Here, the effects of SNX-482, a selective Ca(v)2.3 antagonist, on sensory transmission at the spinal cord level have been investigated in the rat. The spinal nerve ligation (SNL) model of chronic neuropathic pain [Kim & Chung, (1992) Pain, 50, 355-363] was used to induce mechanical allodynia, as tested on the ipsilateral hindpaw. In vivo electrophysiological measurements of dorsal horn neuronal responses to innocuous and noxious electrical and natural stimuli were made after SNL and compared to sham-operated animals. Spinal SNX-482 (0.5-4 mu g/50 mu L) exerted dose-related inhibitions of noxious C-fibre- and A delta-fibre-mediated neuronal responses in conditions of neuropathy, but not in sham-operated animals. Measures of spinal cord hyperexcitability and nociception were most susceptible to SNX-482. In contrast, non-noxious A beta-mediated responses were not affected by SNX-482. Moreover, responses to innocuous mechanical and also thermal stimuli were more sensitive to SNX-482 in SNL than control animals. This study is the first to demonstrate an antinociceptive role for SNX-482-sensitive channels in dorsal horn neurons during neuropathy. These data are consistent with plasticity in Ca(V)2.3 calcium channel expression and suggest a potential selective target to reduce nociceptive transmission during conditions of nerve damage.

Ion channels as effectors in carbon monoxide signaling

A wealth of recent studies has highlighted the diverse and important influences of carbon monoxide (CO) on cellular signaling pathways. Such studies have implicated CO, and the enzymes from which it is derived (heme oxygenases) as potential therapeutic targets, particularly (although not exclusively) in inflammation, immunity and cardiovascular disease.1 In a recent study,2 we demonstrated that CO inhibited cardiac L-type Ca(2+) channels. This effect arose due to the ability of CO to bind to mitochondria (presumably at complex IV of the electron transport chain) and so cause electron leak, which resulted in increased production of reactive oxygen species. These modulated the channel's activity through interactions with three cysteine residues in the cytosolic C-terminus of the channel's major, pore-forming subunit. Our study provided a potential mechanism for the cardioprotective effects of CO and also highlighted ion channels as a major potential target group for this gasotransmitter.

Exogenous alpha-Synuclein decreases raft partitioning of Cav2.2 channels inducing dopamine release

alpha-Synuclein is thought to regulate neurotransmitter release through multiple interactions with presynaptic proteins, cytoskeletal elements, ion channels, and synaptic vesicles membrane. alpha-Synuclein is abundant in the presynaptic compartment, and its release from neurons and glia has been described as responsible for spreading of alpha-synuclein-derived pathology. alpha-Synuclein-dependent dysregulation of neurotransmitter release might occur via its action on surface-exposed calcium channels. Here, we provide electrophysiological and biochemical evidence to show that alpha-synuclein, applied to rat neurons in culture or striatal slices, selectively activates Cav2.2 channels, and said activation correlates with increased neurotransmitter release. Furthermore, in vivo perfusion of alpha-synuclein into the striatum also leads to acute dopamine release. We further demonstrate that alpha-synuclein reduces the amount of plasma membrane cholesterol and alters the partitioning of Cav2.2 channels, which move from raft to cholesterol-poor areas of the plasma membrane. We provide evidence for a novel mechanism through which alpha-synuclein acts from the extracellular milieu to modulate neurotransmitter release and propose a unifying hypothesis for the mechanism of alpha-synuclein action on multiple targets: the reorganization of plasma membrane microdomains.

Subfornical organ mediates pressor effect of angiotensin: Influence of nitric oxide synthase inhibitors, AT(1) and AT(2) angiotensin antagonist's receptors

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Vasoconstrictor effect of Africanized honeybee (Apis mellifera L.) venom on rat aorta

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Permethrin chronic exposure alters motor coordination in rats: Effect of calcium supplementation and amlodipine

Recently was observed that pyrethroids decrease motor coordination and that calcium channels can be important targets for this effect. To contribute with this observation, this work studied the motor coordination and exploration (using hole-board apparatus), and locomotion (using open-field apparatus) of rats exposed to following treatments: permethrin (PM), PM plus calcium gluconate (CG) and PM plus amlodipine (AML). The results obtained show that CG or AML alone not changed the motor coordination while PM decreases it. CG kept the effect of permethrin; AML, however, decreased the values of permethrin to the control. Locomotor activity and exploration, which could confound results of motor coordination, were not modified by treatments. The concentration of PM in brain tissue was increased by the CG and AML. The neurosomatic index (weight brain/body weight) was increased by the PM and PM + CG. In conclusion, the combined results here obtained indicates that the calcium ion and the channels in which it is involved can be important targets for the toxic effect of pyrethroid insecticide permethrin on motor nerve activity of rats. (c) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.