Effects of TI-299423 on Neuronal Nicotinic Acetylcholine Receptors

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are pentameric, ligand-gated, cation channels found throughout the central and peripheral nervous system, whose endogenous ligand is acetylcholine, but which can also be acted upon by nicotine. The subunit compositions of nAChR determine their physiological and pharmacological properties, with different subunits expressed in different combinations or areas throughout the brain. The behavioral and physiological effects of nicotine are elicited by its agonistic and desensitizing actions selectively on neuronal nAChRs. The midbrain is of particular interest due to its population of nAChRs expressed on dopaminergic neurons, which are important for reward and reinforcement, and possibly contribute to nicotine dependence. The α6-subunit is found on dopaminergic neurons but very few other regions of the brain, making it an interesting drug target. We assayed a novel nicotinic agonist, called TI-299423 or TC299, for its possible selectivity for α6-containing nAChRs. Our goal was to isolate the role of α6-containing nAChRs in nicotine reward and reinforcement, and provide insight into the search for more effective smoking cessation compounds. This was done using a variety of in vitro and behavioral assays, aimed dually at understanding TI-299423’s exact mechanism of action and its downstream effects. Additionally, we looked at the effects of another compound, menthol, on nicotine reward. Understanding how reward is generated in the cholinergic system and how that is modulated by other compounds contributes to a better understand of our complex neural circuitry and provides insight for the future development of therapeutics.

Binding Studies of Neuronal Nicotinic Acetylcholine Receptors Expressing Unnatural Amino Acids

Nicotinic acetylcholine receptors are pentameric ligand-gated ion channels mediating fast synaptic transmission throughout the peripheral and central nervous systems. They have been implicated in various processes related to cognitive functions, learning and memory, arousal, reward, motor control and analgesia. Therefore, these receptors present alluring potential therapeutic targets for the treatment of pain, epilepsy, Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, Tourette’s syndrome, schizophrenia, anxiety, depression and nicotine addiction. The work detailed in this thesis focuses on binding studies of neuronal nicotinic receptors and aims to further our knowledge of subtype specific functional and structural information.

Chapter 1 is an introductory chapter describing the structure and function of nicotinic acetylcholine receptors as well as the methodologies used for the dissertation work described herein. There are several different subtypes of nicotinic acetylcholine receptors known to date and the subtle variations in their structure and function present a challenging area of study. The work presented in this thesis deals specifically with the α4β2 subtype of nicotinic acetylcholine receptor. This subtype assembles into 2 closely related stoichiometries, termed throughout this thesis as A3B2 and A2B3 after their respective subunit composition. Chapter 2 describes binding studies of select nicotinic agonists on A3B2 and A2B3 receptors determined by whole-cell recording. Three key binding interactions, a cation-π and two hydrogen bonds, were probed for four nicotinic agonists, acetylcholine, nicotine, smoking cessation drug varenicline (Chantix®) and the related natural product cytisine.

Results from the binding studies presented in Chapter 2 show that the major difference in binding of these four agonists to A3B2 and A2B3 receptors lies in one of the two hydrogen bond interactions where the agonist acts as the hydrogen bond acceptor and the backbone NH of a conserved leucine residue in the receptor acts as the hydrogen bond donor. Chapter 3 focuses on studying the effect of modulating the hydrogen bond acceptor ability of nicotine and epibatidine on A3B2 receptor function determined by whole-cell recording. Finally, Chapter 4 describes single-channel recording studies of varenicline binding to A2B3 and A3B2 receptors.

Diversidade, diferenciação e biogeografia de pequenos mamíferos não-voadores na Mata Atlântica ao norte do rio São Francisco Centro de Endemismo Pernambuco

As florestas tropicais brasileiras (Amazônia e a Mata Atlântica) possuem alta diversidade de espécies e atualmente estão separadas por um cinturão de vegetação aberta. Parte deste cinturão é ocupada pela Caatinga, onde se encontram os Brejos de Altitude, testemunhos das conexões históricas entre a Mata Atlântica e a Amazônia. O Centro de Endemismos Pernambuco (CEPE) é a unidade biogeográfica que compõe a Mata Atlântica ao norte do rio São Francisco e contém diversos táxons endêmicos. Esta região apresenta uma mastofauna compartilhada com a Amazônia, devido às conexões existentes durante o Cenozóico. A presença do rio São Francisco em seu limite sul pode atuar como barreira ao fluxo gênico e explicar os endemismos encontrados no CEPE. Contrastando com sua situação peculiar, a mastofauna do CEPE ainda carece de estudos aprofundados sobre a identificação de suas espécies, padrões geográficos e relações filogenéticas. Revisões recentes têm identificado espécies diferentes ao norte e ao sul do rio São Francisco, mas poucos trabalhos têm proposto hipóteses biogeográficas para o CEPE. Para ampliar o conhecimento sobre a identidade e distribuição geográfica dos pequenos mamíferos do CEPE e sua estrutura filogeográfica, foram realizados levantamentos de espécies e análises de diversidade genética e morfométrica para algumas espécies. Os levantamentos consistiram de visitas às coleções científicas a fim de identificar as espécies ocorrentes no CEPE e excursões de coleta com 5 a 17 noites consecutivas em 12 localidades ao longo do CEPE, que totalizaram 64691 armadilhas noites e resultaram na coleta de 476 exemplares de 31 espécies. As espécies foram identificadas com base na morfologia externa e craniana e por análises citogenéticas. Para investigar a biogeografia do CEPE, análises de genética de populações, filogeográficas e morfométricas foram realizadas para os marsupiais Caluromys philander, Didelphis aurita, Marmosa murina, Metachirus nudicaudatus e os roedores Akodon cursor, Oecomys catherinae e Rhipidomys mastacalis para avaliar a existência de diferenciação nas populações do CEPE e suas relações com as linhagens Amazônicas e Atlânticas. Estes resultados mostraram que a diversificação dos pequenos mamíferos do CEPE ocorreu tanto no Terciário quanto no Quaternário. Algumas populações, como em Caluromys philander e Oecomys catherinae, mostraram afinidades com linhagens amazônicas, enquanto outras, como em Metachirus nudicaudatus e Rhipidomys mastacalis, apresentaram afinidades com linhagens atlânticas. Os pequenos mamíferos do CEPE apresentaram diferenciação em relação às suas linhagens irmãs, com algumas linhagens podendo tratar-se de espécies ainda não descritas (e.g. Didelphis aff. aurita e Rhipidomys aff. mastacalis). Esta diferenciação provavelmente foi causada pelos eventos cíclicos de flutuações climáticas que provocaram elevações no nível do mar e retração das florestas tropicais, isolando as populações do CEPE. Por fim, para auxiliar na identificação das espécies em novas coletas, de suas distribuições geográficas e de suas características citogenéticas e ecológicas, foi elaborado um guia reunindo todas as informações disponíveis sobre as espécies de pequenos mamíferos do CEPE.

Pretreatment with Resveratrol Prevents Neuronal Injury and Cognitive Deficits Induced by Perinatal Hypoxia-Ischemia in Rats

Despite advances in neonatal care, hypoxic-ischemic brain injury is still a serious clinical problem, which is responsible for many cases of perinatal mortality, cerebral palsy, motor impairment and cognitive deficits. Resveratrol, a natural polyphenol with important anti-oxidant and anti-inflammatory properties, is present in grapevines, peanuts and pomegranates. The aim of the present work was to evaluate the possible neuroprotective effect of resveratrol when administered before or immediately after a hypoxic-ischemic brain event in neonatal rats by analyzing brain damage, the mitochondrial status and long-term cognitive impairment. Our results indicate that pretreatment with resveratrol protects against brain damage, reducing infarct volume, preserving myelination and minimizing the astroglial reactive response. Moreover its neuroprotective effect was found to be long lasting, as behavioral outcomes were significantly improved at adulthood. We speculate that one of the mechanisms for this neuroprotection may be related to the maintenance of the mitochondrial inner membrane integrity and potential, and to the reduction of reactive oxygen species. Curiously, none of these protective features was observed when resveratrol was administered immediately after hypoxia-ischemia.

Análise do efeito do etanol sobre a expressão de proteínas de diferenciação do epitélio escamoso no esôfago de camundongos BALB/c

Câncer de esôfago (CE) é um dos tipos de câncer mais frequentes e agressivos, estando entre os dez tipos de câncer mais incidentes e letais no mundo. Entre as regiões mais incidentes do CE estão os países em desenvolvimento, como o Brasil. Apesar de recentes avanços em terapias anticâncer, menos de 10% dos pacientes acometidos por esta doença possuem uma sobrevida maior que cinco anos após seu diagnóstico e este fato é consequência do diagnóstico tardio, uma vez que os sintomas só aparecem em estádios bem avançados. Devido a este panorama há uma grande busca por métodos e, principalmente, biomarcadores de diagnóstico que possam detectar a doença em estádios iniciais e assim aumentar a sobrevida dos pacientes. A discriminação entre tumor e mucosa normal é possível ser feita endoscopicamente, porém, para detecção precoce de tumores esofágico seria importante discriminar mucosa saudável de lesão precursora, como displasia. Uma diferença típica entre tecido normal e displasia é a perda de diferenciação celular, sugerindo que proteínas de diferenciação possam ser um potencial alvo para serem usadas como biomarcadores de detecção precoce em câncer. Citoqueratinas (CKs) e esofagina (SPRR3) são importantes proteínas envolvidas na diferenciação das células no epitélio escamoso. A proteína (SPRR3) vem sendo estudada como um possível biomarcador de detecção de tumores em estádios iniciais de desenvolvimento. Em CE tem sido descrito perda da expressão de SPRR3 quando comparada com a mucosa saudável. Além disso, já foi mostrado que a análise combinada da expressão das duas variantes de SPRR3 (SPRR3-v1 e SPRR3-v2) é capaz de discriminar a mucosa esofágica de indivíduos saudáveis da mucosa adjacente e do tumor com alta sensibilidade e especificidade. Porém, uma associação significativa foi encontrada entre uma menor expressão de SPRR3-v2 e o consumo de álcool. Este dado gerou a hipótese de que o álcool pode levar a carcinogênese por estimular a proliferação e/ou perda de diferenciação do epitélio escamoso e desta forma contribuir para o surgimento do tumor. Para testar esta hipótese, foi realizado um modelo experimental utilizando camundongos BABL/c que receberam diariamente etanol em diferentes concentrações por diferentes intervalos de tempo. Foram analisados critérios de toxicidade dos animais e critérios para avaliação histopátológica no tecido esofágico. Além disso, foi analisado o perfil de expressão de proteínas envolvidas em diferenciação e proliferação celular que pudessem sugerir alterações no epitélio esofágico induzidas pelo etanol, sendo estas SPRR3, CK5/8 e CK14 e Ki67. Inflamação foi a única alteração histológica encontrada, porém ocorreu de forma aleatória, não podendo, portanto, ser associada ao etanol. Alteração no padrão de expressão das proteínas analisadas foi encontrada em regiões inflamadas. Porém, a maioria das amostras não apresentou alterações histopatológicas, nem tampouco alteração de expressão das proteínas, sugerindo que em epitélio esofágico de camundongos BALB/c o etanol não é capaz de induzir isoladamente alteração na proliferação e perda de diferenciação celular.

Diferenciação genética do golfinho-de-dentes-rugosos, Steno bredanensis (Cuvier in Lesson, 1828) (Cetartiodactyla: Delphinidae): taxonomia molecular e estrutura populacional

O gênero Steno pertence à Ordem Cetartiodactyla, Família Delphinidae, e compreende apenas uma espécie: o golfinho-de-dentes-rugosos, Steno bredanensis. O golfinho-de-dentes-rugosos é encontrado nos Oceanos Atlântico, Pacífico e Índico, em águas profundas tropicais, subtropicais e temperadas quentes. Entretanto, em algumas localidades como as regiões Sudeste e Sul do Brasil, esta espécie é conhecida por apresentar hábitos costeiros, o que a torna suscetível a ameaças antropogênicas como a degradação do hábitat, as capturas acidentais e diversos tipos de poluição. Conhecer a magnitude destes impactos e o grau de diferenciação genética das populações usando marcadores moleculares são aspectos importantes para a conservação da espécie. Os marcadores moleculares são segmentos específicos de DNA que podem ou não fazer parte de um gene e que apresentam grau de polimorfismo adequado para responder questões sobre as relações genéticas de indivíduos, populações ou diferentes espécies. O DNA mitocondrial é um dos marcadores moleculares mais utilizados em estudos sobre estrutura populacional, sistemática e filogenia de cetáceos. Estudos genéticos têm mostrado que várias espécies de delfinídeos apresentam estrutura populacional genética, entre e dentro das bacias oceânicas. No presente estudo foi investigada a diferenciação genética do golfinho-de-dentes-rugosos usando sequências da região controle mitocondrial de várias localidades em todo o mundo (Oceano Pacífico Centro-Sul: N=59; Pacífico Tropical Leste: N= 4; Pacífico Noroeste: N=1; Oceano Índico: N=1; Atlântico - Caribe: N=3; Atlântico Sudoeste: N=44; N total = 112). Análises preliminares indicaram grande diferenciação genética entre os Oceanos Atlântico e Pacífico/Índico (distância p = 0,031), que foram posteriormente investigadas utilizando sequências do citocromo b e mitogenomas completos. As análises filogenéticas de Neighbor-Joining e Bayesianas não foram conclusivas sobre a existência de especiação críptica em Steno. No entanto, a grande diferenciação entre as bacias oceânicas merece uma análise mais aprofundada, utilizando outros marcadores genéticos (por ex., sequências nucleares) bem como dados morfológicos. Não obstante, as análises AMOVA e FST par-a-par revelaram forte diferenciação populacional, não só entre os oceanos Atlântico e Pacífico, mas também no Atlântico, onde foram detectadas três populações: Caribe, região Sudeste e região Sul do Brasil. As populações detectadas no Atlântico Sudoeste devem ser aceitas como Unidades de Manejo (Management Units, MU) e dados demográficos básicos precisam ser levantados para essas MU, a fim de possibilitar uma melhor avaliação dos impactos antrópicos sobre elas. Este estudo fornece a primeira perspectiva sobre a diferenciação genética mundial de S. bredanensis.

A Tenascina-C e a sinalização celular na diferenciação tubulogênica endotelial

A matriz extracelular (MEC) é capaz de modular a adesão celular, induzindo processos de sinalização celular. No estado de aderência intermediária, induzido por proteínas matricelulares, as células tendem a se diferenciar, migrar e proliferar. A tenascina-C é uma proteína matricelular amplamente secretada em gliomas que está envolvida na proliferação e angiogênese tumoral. A MEC de gliomas, possui elevada incorporação de tenascina-C (TN-C), uma glicoproteína matricelular desadesiva que compete com a glicoproteína adesiva fibronectina (FN), desestabilizando os contatos focais e induzindo proliferação celular em gliomas. Neste trabalho nós nos propusemos a investigar o papel da TN-C tumoral no fenótipo angiogênico de células endoteliais. Recentemente em um trabalho publicado pelo nosso grupo observamos que as células endoteliais semeadas sobre matrizes de glioma (U373 MG) aderem menos e são deficientes na capacidade de formar tubos quando comparadas com àquelas plaqueadas sobre MEC de HUVECs. No entanto, neste trabalho, reproduzimos este fenótipo semeando as células endoteliais em suportes de TN-C /FN miméticos da composição da matriz tumoral nativa. Por western blotting, observamos um aumento na fosforilação em treonina 638 da proteína PKCα, um possível sítio inibitório, e um aumento na ativação de PKCδ. O efeito antagônico na regulação dessas isoformas de PKC foi demonstrado quando usamos inibidores seletivos de PKC α e δ e um ativador de PKCα (PMA). Observamos que quando tratamos as HUVECs plaqueadas sobre MEC de U373 com PMA, resgatamos a capacidade dessas células de formar tubos, o pré-tratamento dessas HUVECs com inibidor de PKC δ (rotlerina) resgatou parcialmente a capacidade tubulogênica dessas células. O pré-tratamento das HUVECs que foram semeadas sobre MEC da HUVEC (que formam tubos normalmente) com um inibidor de PKC α (RO320432) levou a diminuição da capacidade tubulogênica. Além disso, esta matriz também induz ativação de ERK e AKT. Investigamos também se o bloqueio dos diferentes domínios da TN-C na matriz derivada de glioma poderia, de alguma forma, reverter o defeito angiogênico das células, propiciado pela interação com a matriz extracelular de gliomas. O pré-tratamento da matriz extracelular de glioma com anticorpos anti-TN-C (contra os domínios FNIII 1-3, 4-5 FNIII e N-terminal) resgatou parcialmente a capacidade das células endoteliais de formar tubos. Nossos dados sugerem que a indução do fenótipo vascular observado em muitos gliomas, com predomínio de vasos mal formados e sub-funcionais, pode ser parcialmente devido ao comprometido da sinalização mediada por PKCs em células endoteliais, bem como do aumento da ativação das vias de ERK e Akt.

Controlled adhesion and growth of long term glial and neuronal cultures on Parylene-c

This paper explores the long term development of networks of glia and neurons on patterns of Parylene-C on a SiO 2 substrate. We harvested glia and neurons from the Sprague-Dawley (P1-P7) rat hippocampus and utilized an established cell patterning technique in order to investigate cellular migration, over the course of 3 weeks. This work demonstrates that uncontrolled glial mitosis gradually disrupts cellular patterns that are established early during culture. This effect is not attributed to a loss of protein from the Parylene-C surface, as nitrogen levels on the substrate remain stable over 3 weeks. The inclusion of the anti-mitotic cytarabine (Ara-C) in the culture medium moderates glial division and thus, adequately preserves initial glial and neuronal conformity to underlying patterns. Neuronal apoptosis, often associated with the use of Ara-C, is mitigated by the addition of brain derived neurotrophic factor (BDNF). We believe that with the right combination of glial inhibitors and neuronal promoters, the Parylene-C based cell patterning method can generate structured, active neural networks that can be sustained and investigated over extended periods of time. To our knowledge this is the first report on the concurrent application of Ara-C and BDNF on patterned cell cultures. © 2011 Delivopoulos, Murray.

Effects of parylene-C photooxidation on serum-assisted glial and neuronal patterning.

The increasing use of patterned neural networks in multielectrode arrays and similar devices drives the constant development and evaluation of new biomaterials. Recently, we presented a promising technique to guide neurons and glia reliably and effectively. Parylene-C, a common hydrophobic polymer, was photolithographically patterned on silicon oxide (SiO(2)) and subsequently activated via immersion in serum. In this article, we explore the effects of ultraviolet (UV)-induced oxidation on parylene's ability to pattern neurons and glia. We exposed parylene-C stripe patterns to increasing levels of UV radiation and found a dose-dependent reduction in the total mass of patterned cells, as well as a gradual loss of glial and neuronal conformity to the patterns. In contrast, nonirradiated patterns had superior patterning results and increased presence of cells. The reduced cell adhesion and patterning after the formation of aldehyde and carboxyl groups on UV-radiated parylene-C supports our hypothesis that cell adhesion and growth on parylene is facilitated by hydrophobic adsorption of serum proteins. We conclude that unlike other cell patterning schemes, our technique does not rely on photooxidation of the polymer. Nonetheless, the precise control of oxygenated groups on parylene could pave the way for the differential binding of proteins and other molecules on the surface, aiding in the adhesion of alternative cell types. (c) 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res, 2010.

Dynamic changes in orbitofrontal neuronal activity in rats during opiate administration and withdrawal

The orbitofrontal cortex is involved in the reinforcing effects of drugs of abuse. However, how the dynamic activity in OFC changes during opiate administration and withdrawal period has not been investigated. We first tested the effects of opiates and dr

Spatially directed movement and neuronal activity in freely moving monkey

The abilities to plan a series of movements and to navigate within the environment require the functions of the frontal and ventromedial temporal lobes, respectively. Neuropsychological studies posit the existence of egocentric (prefrontal) and allocentri

Neuronal activity in dorsomedial frontal cortex and prefrontal cortex reflecting irrelevant stimulus dimensions

Previous studies of the dorsomedial frontal cortex (DMF) and the prefrontal cortex (PF) have shown that, when monkeys respond to nonspatial features of a discriminative stimulus (e.g., color) and the stimulus appears at a place unrelated to the movement t

Distracters Impair and Create Working Memory-Related Neuronal Activity in the Prefrontal Cortex

The prefrontal cortex (PFC) has a central role in working memory (WM). Resistance to distraction is considered a fundamental feature of WM and PFC neuronal activity. However, although unexpected stimuli often disrupt our work, little is known about the un