The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

A novel, bedside technique to rapidly identify umbilical cord blood units with high total nucleated cell numbers

BACKGROUND With increasing demand for umbilical cord blood units (CBUs) with total nucleated cell (TNC) counts of more than 150 × 10(7) , preshipping assessment is mandatory. Umbilical cord blood processing requires aseptic techniques and laboratories with specific air quality and cleanliness. Our aim was to establish a fast and efficient method for determining TNC counts at the obstetric ward without exposing the CBU to the environment. STUDY DESIGN AND METHODS Data from a total of 151 cord blood donations at a single procurement site were included in this prospective study. We measured TNC counts in cord blood aliquots taken from the umbilical cord (TNCCord ), from placenta (TNCPlac ), and from a tubing segment of the sterile collection system (TNCTS ). TNC counts were compared to reference TNC counts in the CBU which were ascertained at the cord blood bank (TNCCBU ). RESULTS TNCTS counts (173 ± 33 × 10(7) cells; calculated for 1 unit) correlated fully with the TNCCBU reference counts (166 ± 33 × 10(7) cells, Pearson's r = 0.97, p < 0.0001). In contrast, TNCCord and TNCPlac counts were more disparate from the reference (r = 0.92 and r = 0.87, respectively). CONCLUSIONS A novel method of measuring TNC counts in tubing segments from the sterile cord blood collection system allows rapid and correct identification of CBUs with high cell numbers at the obstetric ward without exposing cells to the environment. This approach may contribute to cost efficacy as only CBUs with satisfactory TNC counts need to be shipped to the cord blood bank.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Assessment of epidermal cell viability by near infrared multi-photon microscopy following ballistic delivery of gold micro-particles

The use of gene guns in ballistically delivering DNA vaccine coated gold micro-particles to skin can potentially damage targeted cells, therefore influencing transfection efficiencies. In this paper, we assess cell death in the viable epidermis by non-invasive near infrared two-photon microscopy following micro-particle bombardment of murine skin. We show that the ballistic delivery of micro-particles to the viable epidermis can result in localised cell death. Furthermore, experimental results show the degree of cell death is dependant on the number of micro-particles delivered per unit of tissue surface area. Micro-particles densities of 0.16 +/- 0.27 (mean +/- S.D.), 1.35 +/- 0.285 and 2.72 +/- 0.47 per 1000 mu m(2) resulted in percent deaths of 3.96 +/- 5.22, 45.91 +/- 10.89, 90.52 +/- 12.28, respectively. These results suggest that optimization of transfection by genes administered with gene guns is - among other effects - a compromise of micro-particle payload and cell death. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Microarray analysis of expression of cell death-associated genes in rat spinal cord cells exposed to cyclic tensile stresses in vitro

The application of mechanical insults to the spinal cord results in profound cellular and molecular changes, including the induction of neuronal cell death and altered gene expression profiles. Previous studies have described alterations in gene expression following spinal cord injury, but the specificity of this response to mechanical stimuli is difficult to investigate in vivo. Therefore, we have investigated the effect of cyclic tensile stresses on cultured spinal cord cells from E15 Sprague-Dawley rats, using the FX3000 Flexercell Strain Unit. We examined cell morphology and viability over a 72 hour time course. Microarray analysis of gene expression was performed using the Affymetrix GeneChip System, where categorization of identified genes was performed using the Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) systems. Changes in expression of 12 genes were validated with quantitative real-time reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR).

Liposomes act as stronger sub-unit vaccine adjuvants when compared to microspheres

The ability of liposomes and microspheres to enhance the efficacy of a sub-unit antigen was investigated. Microspheres were optimised by testing a range of surfactants employed in the external aqueous phase of a water-in-oil-in-water (w/o/w) double emulsion solvent evaporation process for the preparation of microspherescomposed of poly(d,l-lactide-co-glycolide) and the immunological adjuvant dimethyl dioctadecyl ammonium bromide (DDA)and then investigated with regard to the physico-chemical and immunological characteristics of the particles produced. The results demonstrate that this parameter can affect the physico-chemical characteristics of these systems and subsequently, has a substantial bearing on the level of immune response achieved, both humoural and cell mediated, when employed for the delivery of the sub-unit tuberculosis vaccine antigen Ag85B-ESAT-6. Moreover, the microsphere preparations investigated failed to initiate immune responses at the levels achieved with an adjuvant DDA-based liposome formulation (DDA-TDB), further substantiating the superior ability of liposomes as vaccine delivery systems.

Work stressors, strains and hospital unit performance

Hospital employees who work in an environment with zero tolerance to error, face several stressors that may result in psychological, physiological, and behavioural strains, and subsequently, in suboptimal performance. This thesis includes two studies which investigate the stressor-to-strain-to-performance relationships in hospitals. The first study is a cross-sectional, multi-group investigation based on secondary data from 65,142 respondents in 172 acute/specialist UK NHS trusts. This model proposes that senior management leadership predicts social support and job design which, in turn, moderate stressors-to-strains across team structure. The results confirm the model's robustness. Regression analysis provides support for main effects and minimal support for moderation hypotheses. Therefore, based on its conclusions and inherent limitations, study one lays the framework for study two. The second study is a cross-sectional, multilevel investigation of the strain-reducing effects of social environment on externally-rated unit-level performance based on primary data from 1,137 employees in 136 units, in a hospital in Malta. The term "social environment" refers to the prediction of the moderator variables, which is to say, social support and decision latitude/control, by transformational leadership and team climate across hospital units. This study demonstrates that transformational leadership is positively associated with social support, whereas team climate is positively associated with both moderators. At the same time, it identifies a number of moderating effects which social support and decision latitude/control, both separately and together, had on specific stressor-to-strain relationships. The results show significant mediated stressor-to-strain-to-performance relationships. Furthermore, at the higher level, unit-level performance is positively associated with shared unit-level team climate and with unit-level vision, the latter being one of the five sub-dimension of transformational leadership. At the same time, performance is also positively related to both transformational leadership and team climate when the two constructs are tested together. Few studies have linked the buffering effects of the social environment in occupational stress with performance. Therefore, this research strives to make a significant contribution to the occupational stress and performance literature with a focus on hospital practice. Indeed, the study highlights the wide-ranging and far-reaching implications that these findings provide for theory, management, and practice.

Formulation and characterisation of an effective particulate delivery vehicle for the novel sub-unit vaccine antigen, Ag85B-ESAT-6

This research focused on the formation of particulate delivery systems for the sub-unit fusion protein, Ag85B-ESAT-6, a promising tuberculosis (TB) vaccine candidate. Initial work concentrated on formulating and characterising, both physico-chemically and immunologically, cationic liposomes based on the potent adjuvant dimethyl dioctadecyl ammonium (DDA). These studies demonstrated that addition of the immunomodulatory trehalose dibehenate (TDB) enhanced the physical stability of the system whilst also adding further adjuvanticity. Indeed, this formulation was effective in stimulating both a cell mediated and humoural immune response. In order to investigate an alternative to the DDA-TDB system, microspheres based on poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA) incorporating the adjuvants DDA and TDB, either alone or in combination, were first optimised in terms of physico-chemical characteristics, followed by immunological analysis. The formulation incorporating PLGA and DDA emerged as the lead candidate, with promising protection data against TB. Subsequent optimisation of the lead microsphere formulation investigated the effect of several variables involved in the formulation process on physico-chemical and immunological characteristics of the particles produced. Further, freeze-drying studies were carried out with both sugar-based and amino acid-based cryoprotectants, in order to formulate a stable freexe-dried product. Finally, environmental scanning electron microscopy (ESEM) was investigated as a potential alternative to conventional SEM for the morphological investigation of microsphere formulations. Results revealed that the DDA-TDB liposome system proved to be the most immunologically efficient delivery vehicle studied, with high levels of antibody and cytokine production, particularly gamma-interferon (IFN-ϒ), considered the key cytokine marker for anti-mycobacterial immunity. Of the microsphere systems investigated, PLGA in combination with DDA showed the most promise, with an ability to initiate a broad spectrum of cytokine production, as well as antigen specific spleen cell proliferation comparable to that of the DDA-TDB formulation.

Developing solid particulate vaccine adjuvants - surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen shows a tendency for cell mediated immunity

This present study compares the efficacy of microsphere formulations, and their method of antigen presentation, for the delivery of the TB sub-unit vaccine antigen, Ag85B-ESAT-6. Microspheres based on poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) and chitosan incorporating dimethyldioctadecylammonium bromide (DDA) were prepared by either the w/o/w double emulsion method (entrapped antigen) or the o/w single emulsion method (surface bound antigen), and characterised for their physico-chemical properties and their ability to promote an immune response to Ag85B-ESAT-6. The method of preparation, and hence method of antigen association, had a pronounced effect on the type of immune response achieved from the microsphere formulations, with surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen favoured a cellular response.

Developing solid particulate vaccine adjuvants:surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen shows a tendency for cell mediated immunity

This present study compares the efficacy of microsphere formulations, and their method of antigen presentation, for the delivery of the TB sub-unit vaccine antigen, Ag85B-ESAT-6. Microspheres based on poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) and chitosan incorporating dimethyldioctadecylammonium bromide (DDA) were prepared by either the w/o/w double emulsion method (entrapped antigen) or the o/w single emulsion method (surface bound antigen), and characterised for their physico-chemical properties and their ability to promote an immune response to Ag85B-ESAT-6. The method of preparation, and hence method of antigen association, had a pronounced effect on the type of immune response achieved from the microsphere formulations, with surface bound antigen favouring a humoural response, whereas entrapped antigen favoured a cellular response.

Detecting cell assemblies in large neuronal populations

Recent progress in the technology for single unit recordings has given the neuroscientific community theopportunity to record the spiking activity of large neuronal populations. At the same pace, statistical andmathematical tools were developed to deal with high-dimensional datasets typical of such recordings.A major line of research investigates the functional role of subsets of neurons with significant co-firingbehavior: the Hebbian cell assemblies. Here we review three linear methods for the detection of cellassemblies in large neuronal populations that rely on principal and independent component analysis.Based on their performance in spike train simulations, we propose a modified framework that incorpo-rates multiple features of these previous methods. We apply the new framework to actual single unitrecordings and show the existence of cell assemblies in the rat hippocampus, which typically oscillate attheta frequencies and couple to different phases of the underlying field rhythm

Detecting cell assemblies in large neuronal populations

Recent progress in the technology for single unit recordings has given the neuroscientific community theopportunity to record the spiking activity of large neuronal populations. At the same pace, statistical andmathematical tools were developed to deal with high-dimensional datasets typical of such recordings.A major line of research investigates the functional role of subsets of neurons with significant co-firingbehavior: the Hebbian cell assemblies. Here we review three linear methods for the detection of cellassemblies in large neuronal populations that rely on principal and independent component analysis.Based on their performance in spike train simulations, we propose a modified framework that incorpo-rates multiple features of these previous methods. We apply the new framework to actual single unitrecordings and show the existence of cell assemblies in the rat hippocampus, which typically oscillate attheta frequencies and couple to different phases of the underlying field rhythm

Leccinum vulpinum Watling induces DNA damage, decreases cell proliferation and induces apoptosis on the human MCF-7 breast cancer cell line

The current work aimed to study the antitumour activity of a phenolic extract of the edible mushroom Leccinum vulpinum Watling, rich essentially in hydroxybenzoic acids. In a first approach, the mushroom extract was tested against cancer cell growth by using four human tumour cell lines. Given the positive results obtained in these initial screening experiments and the evidence of some studies for an inverse relationship between mushroom consumption and breast cancer risk, a detailed study of the bioactivity of the extract was carried out on MCF-7 cells. Once the selected cell line to precede the work was the breast adenocarcinoma cell line, the human breast non-malignant cell line MCF-10A was used as control. Overall, the extract decreased cellular proliferation and induced apoptosis. Furthermore, the results also suggest that the extract causes cellular DNA damage. Data obtained highlight the potential of mushrooms as a source of biologically active compounds, particularly with antitumour activity.