Simultaneous estimation of global background synaptic inhibition and excitation from membrane potential fluctuations in layer III neurons of the rat entorhinal cortex in vitro

It is becoming clear that the detection and integration of synaptic input and its conversion into an output signal in cortical neurons are strongly influenced by background synaptic activity or "noise." The majority of this noise results from the spontaneous release of synaptic transmitters, interacting with ligand-gated ion channels in the postsynaptic neuron [Berretta N, Jones RSG (1996); A comparison of spontaneous synaptic EPSCs in layer V and layer II neurones in the rat entorhinal cortex in vitro. J Neurophysiol 76:1089-1110; Jones RSG, Woodhall GL (2005) Background synaptic activity in rat entorhinal cortical neurons: differential control of transmitter release by presynaptic receptors. J Physiol 562:107-120; LoTurco JJ, Mody I, Kriegstein AR (1990) Differential activation of glutamate receptors by spontaneously released transmitter in slices of neocortex. Neurosci Lett 114:265-271; Otis TS, Staley KJ, Mody I (1991) Perpetual inhibitory activity in mammalian brain slices generated by spontaneous GABA release. Brain Res 545:142-150; Ropert N, Miles R, Korn H (1990) Characteristics of miniature inhibitory postsynaptic currents in CA1 pyramidal neurones of rat hippocampus. J Physiol 428:707-722; Salin PA, Prince DA (1996) Spontaneous GABAA receptor-mediated inhibitory currents in adult rat somatosensory cortex. J Neurophysiol 75:1573-1588; Staley KJ (1999) Quantal GABA release: noise or not? Nat Neurosci 2:494-495; Woodhall GL, Bailey SJ, Thompson SE, Evans DIP, Stacey AE, Jones RSG (2005) Fundamental differences in spontaneous synaptic inhibition between deep and superficial layers of the rat entorhinal cortex. Hippocampus 15:232-245]. The function of synaptic noise has been the subject of debate for some years, but there is increasing evidence that it modifies or controls neuronal excitability and, thus, the integrative properties of cortical neurons. In the present study we have investigated a novel approach [Rudolph M, Piwkowska Z, Badoual M, Bal T, Destexhe A (2004) A method to estimate synaptic conductances from membrane potential fluctuations. J Neurophysiol 91:2884-2896] to simultaneously quantify synaptic inhibitory and excitatory synaptic noise, together with postsynaptic excitability, in rat entorhinal cortical neurons in vitro. The results suggest that this is a viable and useful approach to the study of the function of synaptic noise in cortical networks. © 2007 IBRO.

Transglutaminase overexpression sensitizes neuronal cell lines to apoptosis by increasing mitochondrial membrane potential and cellular oxidative stress

'Tissue' transglutaminase (tTG) selectively accumulates in cells undergoing apoptosis both in vivo and in vitro. Considering the central role played by mitochondria in apoptosis, we investigated the relationships existing amongst tTG expression, apoptosis and mitochondrial function. To this aim we studied the mechanisms of apoptosis in a neuronal cell line (SK-N-BE (2)) in which the tTG-expression was driven by a constitutive promoter. Furthermore, a tet-off inducible promoter was also used in 3T3 fibroblastic cells used as control. Both cell lines, when expressing tTG, appeared 'sensitized' to apoptosis. Strikingly, we found major differences in the morphological features of mitochondria among cell lines in the absence of apoptotic stimuli. In addition, these ultrastructural characteristics were associated with specific functional features: (i) constitutively hyperpolarized mitochondria and (ii) increased reactive oxygen intermediates production. Importantly, after mitochondrial-mediated apoptosis by staurosporine, a rapid loss of mitochondrial membrane potential was found in tTG cells only. Taken together, these results seem to suggest that, via hyperpolarization, tTG might act as a 'sensitizer' towards apoptotic stimuli specifically targeted to mitochondria. These results could also be of pathogenetic relevance for those diseases that are characterized by increased tTG and apoptotic rate together with impaired mitochondrial function, e.g. in some neurodegenerative disease.

Cellular ROS imaging with hydro-Cy3 dye is strongly influenced by mitochondrial membrane potential

Background: Hydrocyanines are widely used as fluorogenic probes to monitor reactive oxygen species (ROS) generation in cells. Their brightness, stability to autoxidation and photobleaching, large signal change upon oxidation, pH independence and red/near infrared emission are particularly attractive for imaging ROS in live tissue. Methods: Using confocal fluorescence microscopy we have examined an interference of mitochondrial membrane potential (ΔΨm) with fluorescence intensity and localisation of a commercial hydro-Cy3 probe in respiring and non-respiring colon carcinoma HCT116 cells. Results: We found that the oxidised (fluorescent) form of hydro-Cy3 is highly homologous to the common ΔΨm-sensitive probe JC-1, which accumulates and aggregates only in ‘energised’ negatively charged mitochondrial matrix. Therefore, hydro-Cy3 oxidised by hydroxyl and superoxide radicals tends to accumulate in mitochondrial matrix, but dissipates and loses brightness as soon as ΔΨm is compromised. Experiments with mitochondrial inhibitor oligomycin and uncoupler FCCP, as well as a common ROS producer paraquat demonstrated that signals of the oxidised hydro-Cy3 probe rapidly and strongly decrease upon mitochondrial depolarisation, regardless of the rate of cellular ROS production. Conclusions: While analysing ROS-derived fluorescence of commercial hydrocyanine probes, an accurate control of ΔΨm is required. General significance: If not accounted for, non-specific effect of mitochondrial polarisation state on the behaviour of oxidised hydrocyanines can cause artefacts and data misinterpretation in ROS studies.

Exploring the parameter space of a rabbit ventricular action potential model to investigate the effect of variation on action potential and calcium transients

Computational models for cardiomyocyte action potentials (AP) often make use of a large parameter set. This parameter set can contain some elements that are fitted to experimental data independently of any other element, some elements that are derived concurrently with other elements to match experimental data, and some elements that are derived purely from phenomenological fitting to produce the desired AP output. Furthermore, models can make use of several different data sets, not always derived for the same conditions or even the same species. It is consequently uncertain whether the parameter set for a given model is physiologically accurate. Furthermore, it is only recently that the possibility of degeneracy in parameter values in producing a given simulation output has started to be addressed. In this study, we examine the effects of varying two parameters (the L-type calcium current (I(CaL)) and the delayed rectifier potassium current (I(Ks))) in a computational model of a rabbit ventricular cardiomyocyte AP on both the membrane potential (V(m)) and calcium (Ca(2+)) transient. It will subsequently be determined if there is degeneracy in this model to these parameter values, which will have important implications on the stability of these models to cell-to-cell parameter variation, and also whether the current methodology for generating parameter values is flawed. The accuracy of AP duration (APD) as an indicator of AP shape will also be assessed.

Voltage gated Na+ channels contribute to membrane voltage fluctuation in \alpha T3-1 pituitary gonadotroph cells

\alpha T3-1 cells showed a slope resistance of 1.8 G\omega. The cell membrane surface was not smooth and a scanning electron micrograph showed a complex structure with blebs and microvilli like projections. The cells showed spontaneous fluctuations at zero current resting membrane potential and hyperpolarization increased the amplitude of membrane potential fluctuations. The amplitude of membrane potential fluctuations at hyperpolarized membrane potential was attenuated on application of TTX to the bath solution. The potential at which half steady state inactivation of isolated sodium current occurred, was at a very hyperpolarized potential (-95.4 mV). The study presented in this paper shows that the voltage gated sodium channels contribute to the increase in the amplitude of electrical noise with hyperpolarization in \alpha T3-1 cells.

High-conductance states and A-type K+ channels are potential regulators of the conductance-current balance triggered by HCN channels

An increase in the hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channel conductance reduces input resistance, whereas the consequent increase in the inward h current depolarizes the membrane. This results in a delicate and unique conductance-current balance triggered by the expression of HCN channels. In this study, we employ experimentally constrained, morphologically realistic, conductance-based models of hippocampal neurons to explore certain aspects of this conductance-current balance. First, we found that the inclusion of an experimentally determined gradient in A-type K+ conductance, but not in M-type K+ conductance, tilts the HCN conductance-current balance heavily in favor of conductance, thereby exerting an overall restorative influence on neural excitability. Next, motivated by the well-established modulation of neuronal excitability by synaptically driven high-conductance states observed under in vivo conditions, we inserted thousands of excitatory and inhibitory synapses with different somatodendritic distributions. We measured the efficacy of HCN channels, independently and in conjunction with other channels, in altering resting membrane potential (RMP) and input resistance (R-in) when the neuron received randomized or rhythmic synaptic bombardments through variable numbers of synaptic inputs. We found that the impact of HCN channels on average RMP, R in, firing frequency, and peak-to-peak voltage response was severely weakened under high-conductance states, with the impinging synaptic drive playing a dominant role in regulating these measurements. Our results suggest that the debate on the role of HCN channels in altering excitability should encompass physiological and pathophysiological neuronal states under in vivo conditions and the spatiotemporal interactions of HCN channels with other channels.

Synthesis and evaluation of the biological activity of N `-2-oxo-1,2 dihydro-3H-indol-3-ylidene] benzohydrazides as potential anticancer agents

New N'-2-oxo-1,2-dihydro-3H-indol-3-ylidene]benzohydrazide derivatives were synthesized and evaluated for their cytotoxic properties against murine leukemia, L1210, human leukemia, REH and K562, human T-cell leukemia, CEM and human cervix carcinoma, HeLa cells. Among the tested compounds, the 3,4,5-trimethoxy-N'-5-methyl-2-oxo-1,2-dihydro-3H-indol-3-ylidene]ben zohydrazide derivative (5t) emerged as the most potent inhibitor against all the tumor cell lines evaluated. To investigate the mechanism of action, 5t was further studied by cell cycle analysis, mitochondrial membrane potential analysis, DNA fragmentation and Annexin V-FITC flow cytometric analysis, which suggested that 5t was able to induce apoptosis at submicromolar range.

Synapses with short-term plasticity are optimal estimators of presynaptic membrane potentials.

The trajectory of the somatic membrane potential of a cortical neuron exactly reflects the computations performed on its afferent inputs. However, the spikes of such a neuron are a very low-dimensional and discrete projection of this continually evolving signal. We explored the possibility that the neuron's efferent synapses perform the critical computational step of estimating the membrane potential trajectory from the spikes. We found that short-term changes in synaptic efficacy can be interpreted as implementing an optimal estimator of this trajectory. Short-term depression arose when presynaptic spiking was sufficiently intense as to reduce the uncertainty associated with the estimate; short-term facilitation reflected structural features of the statistics of the presynaptic neuron such as up and down states. Our analysis provides a unifying account of a powerful, but puzzling, form of plasticity.

Dehydromonocrotaline inhibits mitochondrial complex 1. A potential mechanism accounting for hepatotoxicity of monocrotaline

Monocrotaline is a pyrrolizidine alkaloid present in plants of the Crotalaria species, which causes cytotoxicity and genotoxicity, including hepatotoxicity in animals and humans. It is metabolized by cytochrome P-450 in the liver to the alkylating agent dehydromonocrotaline. We evaluated the effects of monocrotaline and its metabolite on respiration, membrane potential and ATP levels in isolated rat liver mitochondria, and on respiratory chain complex I NADH oxidase activity in submitochondrial particles. Dehydromonocrotaline, but not the parent compound, showed a concentration-dependent inhibition of glutamate/malate-supported state 3 respiration (respiratory chain complex 1), but did not affect succinate-supported respiration (complex II). Only dehydromonocrotaline dissipated mitochondrial membrane potential, depleted ATP, and inhibited complex I NADH oxidase activity (IC50 = 62.06 mu M) through a non-competitive type of inhibition (K-I = 8.1 mu M). Therefore, dehydromonocrotaline is an inhibitor of the activity of respiratory chain complex I NADH oxidase, an action potentially accounting for the well-documented monocrotaline's hepatotoxicity to animals and humans. The mechanism probably involves change of the complex I conformation resulting from modification of cysteine thiol groups by the metabolite. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Abamectin affects the bioenergetics of liver mitochondria: A potential mechanism of hepatotoxicity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Melanocytes: a new potential tool to study and monitoring Duchenne muscular dystrophy

Dystrophin is a subsarcolemmal protein critical for the integrity of muscle fibers by linking the actin cytoskeleton to the extracellular matrix via the dystroglycan complex. It is reported that dystroglycans are also localized in the skin, at dermal-epidermal junction. Here we show that epidermal melanocytes express dystrophin at the interface with the basement membrane. The full-length muscle isoform mDp427 was clearly detectable in epidermis and in melanocyte cultures as assessed by RNA and western blot analysis. Dystrophin was absent in Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) patients melanocytes, and the ultrastructural analysis revealed mitochondrial alterations, similar to those occurring in myoblasts from the same patients. Interestingly, mitochondrial dysfunction of DMD melanocytes reflected the alterations identified in dystrophin-deficient muscle cells. In fact, mitochondria of melanocytes from DMD patients accumulated tetramethylrhodamine methyl ester but, on the contrary of control donor, mitochondria of DMD patients readily depolarized upon the addition of oligomycin, suggesting either that they are maintaining the membrane potential at the expense of glycolytic ATP, or that they are affected by a latent dysfunction unmasked by inhibition of the ATP synthase. Melanocyte cultures can be easily obtained by conventional skin biopsies, less invasive procedure than muscular biopsy, so that they may represent an alternative cellular model to myoblast for studying and monitoring dystrophinopathies also in response to pharmacological treatments.

Statistical problems related to excitation threshold and reset value of membrane potentials

Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch biologische Fragestellungen bezüglich des Verhaltens von Membranpotentialen in Neuronen. Ein vielfach betrachtetes Modell für spikende Neuronen ist das Folgende. Zwischen den Spikes verhält sich das Membranpotential wie ein Diffusionsprozess X der durch die SDGL dX_t= beta(X_t) dt+ sigma(X_t) dB_t gegeben ist, wobei (B_t) eine Standard-Brown'sche Bewegung bezeichnet. Spikes erklärt man wie folgt. Sobald das Potential X eine gewisse Exzitationsschwelle S überschreitet entsteht ein Spike. Danach wird das Potential wieder auf einen bestimmten Wert x_0 zurückgesetzt. In Anwendungen ist es manchmal möglich, einen Diffusionsprozess X zwischen den Spikes zu beobachten und die Koeffizienten der SDGL beta() und sigma() zu schätzen. Dennoch ist es nötig, die Schwellen x_0 und S zu bestimmen um das Modell festzulegen. Eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, ist x_0 und S als Parameter eines statistischen Modells aufzufassen und diese zu schätzen. In der vorliegenden Arbeit werden vier verschiedene Fälle diskutiert, in denen wir jeweils annehmen, dass das Membranpotential X zwischen den Spikes eine Brown'sche Bewegung mit Drift, eine geometrische Brown'sche Bewegung, ein Ornstein-Uhlenbeck Prozess oder ein Cox-Ingersoll-Ross Prozess ist. Darüber hinaus beobachten wir die Zeiten zwischen aufeinander folgenden Spikes, die wir als iid Treffzeiten der Schwelle S von X gestartet in x_0 auffassen. Die ersten beiden Fälle ähneln sich sehr und man kann jeweils den Maximum-Likelihood-Schätzer explizit angeben. Darüber hinaus wird, unter Verwendung der LAN-Theorie, die Optimalität dieser Schätzer gezeigt. In den Fällen OU- und CIR-Prozess wählen wir eine Minimum-Distanz-Methode, die auf dem Vergleich von empirischer und wahrer Laplace-Transformation bezüglich einer Hilbertraumnorm beruht. Wir werden beweisen, dass alle Schätzer stark konsistent und asymptotisch normalverteilt sind. Im letzten Kapitel werden wir die Effizienz der Minimum-Distanz-Schätzer anhand simulierter Daten überprüfen. Ferner, werden Anwendungen auf reale Datensätze und deren Resultate ausführlich diskutiert.

A biomimetic model membrane system on oxidic surfaces designed for the investigation of cytochrome c oxidase and other membrane proteins by fluorescence and waveguide spectroscopy

Die transmembrane Potenzialdifferenz Δφm ist direkt mit der katalytischen Aktivität der Cytochrom c Oxidase (CcO) verknüpft. Die CcO ist das terminale Enzym (Komplex IV) in der Atmungskette der Mitochondrien. Das Enzym katalysiert die Reduktion von O2 zu 2 H2O. Dabei werden Elektronen vom natürlichen Substrat Cytochrom c zur CcO übertragen. Der Eleltronentransfer innerhalb der CcO ist an die Protonentranslokation über die Membran gekoppelt. Folglich bildet sich über der inneren Membrane der Mitochondrien eine Differenz in der Protonenkonzentration. Zusätzlich wird eine Potenzialdifferenz Δφm generiert.rnrnDas Transmembranpotenzial Δφm kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie unter Einsatz eines potenzialemfindlichen Farbstoffs gemessen werden. Um quantitative Aussagen aus solchen Untersuchungen ableiten zu können, müssen zuvor Kalibrierungsmessungen am Membransystem durchgeführt werden.rnrnIn dieser Arbeit werden Kalibrierungsmessungen von Δφm in einer Modellmembrane mit inkorporiertem CcO vorgestellt. Dazu wurde ein biomimetisches Membransystem, die Proteinverankerte Doppelschicht (protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM), auf einem transparenten, leitfähigem Substrat (Indiumzinnoxid, ITO) entwickelt. ITO ermöglicht den simultanen Einsatz von elektrochemischen und Fluoreszenz- oder optischen wellenleiterspektroskopischen Methoden. Das Δφm in der ptBLM wurde durch extern angelegte, definierte elektrische Spannungen induziert. rnrnEine dünne Hydrogelschicht wurde als "soft cushion" für die ptBLM auf ITO eingesetzt. Das Polymernetzwerk enthält die NTA Funktionsgruppen zur orientierten Immobilisierung der CcO auf der Oberfläche der Hydrogels mit Hilfe der Ni-NTA Technik. Die ptBLM wurde nach der Immobilisierung der CcO mittels in-situ Dialyse gebildet. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten einen hohen elektrischen Widerstand (≈ 1 MΩ) der ptBLM. Optische Wellenleiterspektren (SPR / OWS) zeigten eine erhöhte Anisotropie des Systems nach der Bildung der Doppellipidschicht. Cyklovoltammetriemessungen von reduziertem Cytochrom c bestätigten die Aktivität der CcO in der Hydrogel-gestützten ptBLM. Das Membranpotenzial in der Hydrogel-gestützten ptBLM, induziert durch definierte elektrische Spannungen, wurde mit Hilfe der ratiometrischen Fluoreszenzspektroskopie gemessen. Referenzmessungen mit einer einfach verankerten Dopplellipidschicht (tBLM) lieferten einen Umrechnungsfaktor zwischen dem ratiometrischen Parameter Rn und dem Membranpotenzial (0,05 / 100 mV). Die Nachweisgrenze für das Membranpotenzial in einer Hydrogel-gestützten ptBLM lag bei ≈ 80 mV. Diese Daten dienen als gute Grundlage für künftige Untersuchungen des selbstgenerierten Δφm der CcO in einer ptBLM.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn