Spontaneous inflammatory demyelinating disease in transgenic mice showing central nervous system-specific expression of tumor necrosis factor alpha.

Cytokines are now recognized to play important roles in the physiology of the central nervous system (CNS) during health and disease. Tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) has been implicated in the pathogenesis of several human CNS disorders including multiple sclerosis, AIDS dementia, and cerebral malaria. We have generated transgenic mice that constitutively express a murine TNF-alpha transgene, under the control of its own promoter, specifically in their CNS and that spontaneously develop a chronic inflammatory demyelinating disease with 100% penetrance from around 3-8 weeks of age. High-level expression of the transgene was seen in neurons distributed throughout the brain. Disease is manifested by ataxia, seizures, and paresis and leads to early death. Histopathological analysis revealed infiltration of the meninges and CNS parenchyma by CD4+ and CD8+ T lymphocytes, widespread reactive astrocytosis and microgliosis, and focal demyelination. The direct action of TNF-alpha in the pathogenesis of this disease was confirmed by peripheral administration of a neutralizing anti-murine TNF-alpha antibody. This treatment completely prevented the development of neurological symptoms, T-cell infiltration into the CNS parenchyma, astrocytosis, and demyelination, and greatly reduced the severity of reactive microgliosis. These results demonstrate that overexpression of TNF-alpha in the CNS can cause abnormalities in nervous system structure and function. The disease induced in TNF-alpha transgenic mice shows clinical and histopathological features characteristic of inflammatory demyelinating CNS disorders in humans, and these mice represent a relevant in vivo model for their further study.

Low density lipoprotein receptor-related protein mediates apolipoprotein E-dependent neurite outgrowth in a central nervous system-derived neuronal cell line.

The epsilon 4 allele of apolipoprotein E (apoE) is a major risk factor for Alzheimer disease, suggesting that apoE may directly influence neurons in the aging brain. Recent data suggest that apoE-containing lipoproteins can influence neurite outgrowth in an isoform-specific fashion. The neuronal mediators of apoE effects have not been clarified. We show here that in a central nervous system-derived neuronal cell line, apoE3 but not apoE4 increases neurite extension. The effect of apoE3 was blocked at low nanomolar concentrations by purified 39-kDa protein that regulates ligand binding to the low density lipoprotein receptor-related protein (LRP). Anti-LRP antibody also completely abolished the neurite-promoting effect of apoE3. Understanding isoform-specific cell biological processes mediated by apoE-LRP interactions in central nervous system neurons may provide insight into Alzheimer disease pathogenesis.

Down syndrome-critical region contains a gene homologous to Drosophila sim expressed during rat and human central nervous system development.

Many features of Down syndrome might result from the overdosage of only a few genes located in a critical region of chromosome 21. To search for these genes, cosmids mapping in this region were isolated and used for trapping exons. One of the trapped exons obtained has a sequence very similar to part of the Drosophila single-minded (sim) gene, a master regulator of the early development of the fly central nervous system midline. Mapping data indicated that this exonic sequence is only present in the Down syndrome-critical region in the human genome. Hybridization of this exonic sequence with human fetal kidney poly(A)+ RNA revealed two transcripts of 6 and 4.3 kb. In situ hybridization of a probe derived from this exon with human and rat fetuses showed that the corresponding gene is expressed during early fetal life in the central nervous system and in other tissues, including the facial, skull, palate, and vertebra primordia. The expression pattern of this gene suggests that it might be involved in the pathogenesis of some of the morphological features and brain anomalies observed in Down syndrome.

kappa-Opioid receptor in humans: cDNA and genomic cloning, chromosomal assignment, functional expression, pharmacology, and expression pattern in the central nervous system.

Using the mouse delta-opioid receptor cDNA as a probe, we have isolated genomic clones encoding the human mu- and kappa-opioid receptor genes. Their organization appears similar to that of the human delta receptor gene, with exon-intron boundaries located after putative transmembrane domains 1 and 4. The kappa gene was mapped at position q11-12 in human chromosome 8. A full-length cDNA encoding the human kappa-opioid receptor has been isolated. The cloned receptor expressed in COS cells presents a typical kappa 1 pharmacological profile and is negatively coupled to adenylate cyclase. The expression of kappa-opioid receptor mRNA in human brain, as estimated by reverse transcription-polymerase chain reaction, is consistent with the involvement of kappa-opioid receptors in pain perception, neuroendocrine physiology, affective behavior, and cognition. In situ hybridization studies performed on human fetal spinal cord demonstrate the presence of the transcript specifically in lamina II of the dorsal horn. Some divergences in structural, pharmacological, and anatomical properties are noted between the cloned human and rodent receptors.

A role for ciliary neurotrophic factor as an inducer of reactive gliosis, the glial response to central nervous system injury.

Within the central nervous system (CNS) ciliary neurotrophic factor (CNTF) is expressed by astrocytes where it remains stored as an intracellular protein; its release and function as an extracellular ligand are thought to occur in the event of cellular injury. We find that overexpression of CNTF in transgenic mice recapitulates the glial response to CNS lesion, as does its injection into the uninjured brain. These results demonstrate that CNTF functions as an inducer of reactive gliosis, a condition associated with a number of neurological diseases of the CNS.

Local nitric oxide production in viral and autoimmune diseases of the central nervous system.

Because of the short half-life of NO, previous studies implicating NO in central nervous system pathology during infection had to rely on the demonstration of elevated levels of NO synthase mRNA or enzyme expression or NO metabolites such as nitrate and nitrite in the infected brain. To more definitively investigate the potential causative role of NO in lesions of the central nervous system in animals infected with neurotropic viruses or suffering from experimental allergic encephalitis, we have determined directly the levels of NO present in the central nervous system of such animals. Using spin trapping of NO and electron paramagnetic resonance spectroscopy, we confirm here that copious amounts of NO (up to 30-fold more than control) are elaborated in the brains of rats infected with rabies virus or borna disease virus, as well as in the spinal cords of rats that had received myelin basic protein-specific T cells.

Bridging grafts and transient nerve growth factor infusions promote long-term central nervous system neuronal rescue and partial functional recovery.

Grafts of favorable axonal growth substrates were combined with transient nerve growth factor (NGF) infusions to promote morphological and functional recovery in the adult rat brain after lesions of the septohippocampal projection. Long-term septal cholinergic neuronal rescue and partial hippocampal reinnervation were achieved, resulting in partial functional recovery on a simple task assessing habituation but not on a more complex task assessing spatial reference memory. Control animals that received transient NGF infusions without axonal-growth-promoting grafts lacked behavioral recovery but also showed long-term septal neuronal rescue. These findings indicate that (i) partial recovery from central nervous system injury can be induced by both preventing host neuronal loss and promoting host axonal regrowth and (ii) long-term neuronal loss can be prevented with transient NGF infusions.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.

A critical role for the parabrachial nucleus in generating central nervous system responses elicited by a systemic immune challenge

Using Fos immunolabelling as a marker of neuronal activation, we investigated the role of the parabrachial nucleus in generating central neuronal responses to the systemic administration of the proinflarnmatory cytokine interleukin-1beta (1 mug/kg, i.a.). Relative to intact animals, parabrachial nucleus lesions significantly reduced the number of Fos-positive cells observed in the central amygdala (CeA), the bed nucleus of the stria terminalis (BNST), and the ventrolateral medulla (VLM) after systemic interleukin-1beta. In a subsequent experiment in which animals received parabrachial-directed deposits of a retrograde tracer, it was found that many neurons located in the nucleus tractus solitarius (NTS) and the VLM neurons were both retrogradely labelled and Fos-positive after interleukin-1beta administration. These results suggest that the parabrachial nucleus plays a critical role in interleukin-1beta-induced Fos expression in CeA, BNST and VLM neurons and that neurons of the NTS and VLM may serve to trigger or at least influence changes in parabrachial nucleus activity that follows systemic interleukin-1beta administration. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Mechanisms of axon guidance in the developing nervous system

The human brain assembles an incredible network of over a billion neurons. Understanding how these connections form during development in order for the brain to function properly is a fundamental question in biology. Much of this wiring takes place during embryonic development. Neurons are generated in the ventricular zone, migrate out, and begin to differentiate. However, neurons are often born in locations some distance from the target cells with which they will ultimately form connections. To form connections, neurons project long axons tipped with a specialized sensing device called a growth cone. The growing axons interact directly with molecules within the environment through which they grow. In order to find their targets, axonal growth cones use guidance molecules that can either attract or repel them. Understanding what these guidance cues are, where they are expressed, and how the growth cone is able to transduce their signal in a directionally specific manner is essential to understanding how the functional brain is constructed. In this chapter, we review what is known about the mechanisms involved in axonal guidance. We discuss how the growth cone is able to sense and respond to its environment and how it is guided by pioneering cells and axons. As examples, we discuss current models for the development of the spinal cord, the cerebral cortex, and the visual and olfactory systems. (c) 2005, Elsevier Inc.

EphA4 regulates central nervous system vascular formation

Molecules involved in axon guidance have recently also been shown to play a role in blood vessel guidance. To examine whether axon guidance molecules, such as the EphA4 receptor tyrosine kinase, might also play a role in development of the central nervous system (CNS) vasculature and repair following CNS injury, we examined wild-type and EphA4 null mutant (-/-) mice. EphA4-/- mice exhibited an abnormal CNS vascular structure in both the cerebral cortex and the spinal cord, with disorganized branching and a 30% smaller diameter. During development, EphA4 was expressed on endothelial cells. This pattern of expression was not maintained in the adult. After spinal cord injury in wild-type mice, expression of EphA4 was markedly up-regulated on activated astrocytes, many of which were tightly associated with blood vessels. In EphA4-/- spinal cord following injury, astrocytes were not as tightly associated with blood vessels as the wild-type astrocytes. In uninjured EphA4-/- mice, the blood-brain barrier (BBB) appeared normal, but it showed prolonged leakage following spinal cord injury. These results support a role for EphA4 in CNS vascular formation and guidance during development and an additional role in BBB repair.

Non-coding RNAs in the nervous system

Increasing evidence suggests that the development and function of the nervous system is heavily dependent on RNA editing and the intricate spatiotemporal expression of a wide repertoire of non-coding RNAs, including micro RNAs, small nucleolar RNAs and longer non-coding RNAs. Non-coding RNAs may provide the key to understanding the multi-tiered links between neural development, nervous system function, and neurological diseases.

In vivo and in vitro aspects of imidazoline-2(1/2)sites within the central nervous system

The in vivo and in vitro characteristics of the I2 binding site were probed using the technique of drug discrimination and receptor autoradiography. Data presented in this thesis indicates the I2 ligand 2-BFI generates a cue in drug discrimination. Further studies indicated agmatine, a proposed endogenous imidazoline ligand, and a number of imidazoline and imidazole analogues of 2-BFI substitute significantly for 2-BFI. In addition to specific I2 ligands the administration of NRl's (noradrenaline reuptake inhibitors), the sympathomimetic d-amphetamine, the α1-adrenoceptor agonist methoxamine, but not the β1 agonist dobutamine or the β2 agonist salbutamol, gave rise to significant levels of substitution for the 2-BFI cue. The administration of the α1-adrenoceptor antagonist WB4101, prior to 2- BFI itself significantly reduced levels of 2-BFI appropriate responding. Administration of the reversible MAO-A inhibitors moclobemide and Ro41-1049, but not the reversible MAO-B inhibitors lazabemide and Ro16-6491, gave rise to potent dose dependent levels of substitution for the 2-BFI cue. Further studies indicated the administration of a number of β-carbolines and the structurally related indole alkaloid ibogaine also gave rise to dose dependent significant levels of substitution. Due to the relationship of indole alkaloids to serotonin the 5-HT releaser fenfluramine and a number of SSRI's (selective serotonin reuptake inhibitor) were also administered and these compounds gave rise to significant partial (20-80% responses to the 2-BFI lever) levels of substitution. The autoradiographical studies reported here indicate [3H]2-BFI labels I2 sites within the rat arcuate nucleus, area postrema, pineal gland, interpeduncular nucleus and subfornical organ. Subsequent experiments confirmed that the drug discrimination dosing schedule significantly increases levels of [3H]2-BFI 12 binding within two of these nuclei. However, levels of [3H]2-BFI specific binding were significantly reduced within four of these nuclei after chronic treatment with the irreversible MAO inhibitors deprenyl and tranylcypromine but not pargyline, which only reduced levels significantly in two. Further autoradiographical studies indicated that the distribution of [3H]2-BFI within the C57/B mouse compares favourably to that within the rat. Comparison of these levels of binding to those from transgenic mice who over-express MAO-B indicates two possibly distinct populations of [3H]2-BFI 12 sites exist in mouse brain. The data presented here indicates the 2-BFI cue is associated with the selective activation of α1-adrenoceptors and possibly 5-HT receptors. 2-BFI trained rats recognise reversible MAO-A but not MAO-B inhibitors. However, data within this thesis indicates the autoradiographical distribution of I2 sites bears a closer resemblance to that of MAO-B not MAO-A and further studies using transgenic mice that over-express MAO-B suggests a non-MAO-B I2 site exists in mouse brain.

Specific lipidome signatures in central nervous system from methionine-restricted mice

Membrane lipid composition is an important correlate of the rate of aging of animals. Dietary methionine restriction (MetR) increases lifespan in rodents. The underlying mechanisms have not been elucidated but could include changes in tissue lipidomes. In this work, we demonstrate that 80% MetR in mice induces marked changes in the brain, spinal cord, and liver lipidomes. Further, at least 50% of the lipids changed are common in the brain and spinal cord but not in the liver, suggesting a nervous system-specific lipidomic profile of MetR. The differentially expressed lipids includes (a) specific phospholipid species, which could reflect adaptive membrane responses, (b) sphingolipids, which could lead to changes in ceramide signaling pathways, and (c) the physiologically redox-relevant ubiquinone 9, indicating adaptations in phase II antioxidant response metabolism. In addition, specific oxidation products derived from cholesterol, phosphatidylcholine, and phosphatidylethanolamine were significantly decreased in the brain, spinal cord, and liver from MetR mice. These results demonstrate the importance of adaptive responses of membrane lipids leading to increased stress resistance as a major mechanistic contributor to the lowered rate of aging in MetR mice. © 2013 American Chemical Society.

Development of a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat central nervous system

Central nervous system (CNS) drug disposition is dictated by a drug’s physicochemical properties and its ability to permeate physiological barriers. The blood–brain barrier (BBB), blood-cerebrospinal fluid barrier and centrally located drug transporter proteins influence drug disposition within the central nervous system. Attainment of adequate brain-to-plasma and cerebrospinal fluid-to-plasma partitioning is important in determining the efficacy of centrally acting therapeutics. We have developed a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat CNS which incorporates brain interstitial fluid (ISF), choroidal epithelial and total cerebrospinal fluid (CSF) compartments and accurately predicts CNS pharmacokinetics. The model yielded reasonable predictions of unbound brain-to-plasma partition ratio (Kpuu,brain) and CSF:plasma ratio (CSF:Plasmau) using a series of in vitro permeability and unbound fraction parameters. When using in vitro permeability data obtained from L-mdr1a cells to estimate rat in vivo permeability, the model successfully predicted, to within 4-fold, Kpuu,brain and CSF:Plasmau for 81.5% of compounds simulated. The model presented allows for simultaneous simulation and analysis of both brain biophase and CSF to accurately predict CNS pharmacokinetics from preclinical drug parameters routinely available during discovery and development pathways.