Use of cellular impedance to characterize ligand functional selectivity at G protein-coupled receptors

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent la plus grande famille de cibles thérapeutiques pour le traitement d’une panoplie de pathologies humaines. Bien que plusieurs décennies de recherche aient permis de façonner nos connaissances sur ces protéines membranaires, notre compréhension des déterminants moléculaires de leur activité signalétique reste encore limitée. De ces domaines de recherche, une avancée récente a mis à jour un nouveau phénomène, appelé sélectivité fonctionnelle des ligands, qui a bouleversé les paradigmes décrivant leu fonctionnement de ces récepteurs. Ce concept émane d’observations montrant que l’activité pharmacologique de certains ligands n’est pas nécessairement conservée sur tout le répertoire signalétiques connu du récepteur et peu se restreindre à l'activation sélective d’un sous-groupe de voies de signalisation.Ce nouveau modèle pharmacologique de l'activation des RCPG ouvre de nouvelles possibilités pour la découverte de médicaments plus efficace et sûr, ciblant les RCPGs. En effet, il permet la conception de molécules modulant spécifiquement les voies signalétiques d’intérêt thérapeutique, sans engager les autres voies qui pourraient mener à des effets secondaires indésirables ou de la tolérance. Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle approche sans marquage, basée sur la mesure du changement l'impédance cellulaire. Par la mesure des changements cellulaires, comme la morphologie, l’adhésion et/ou la redistribution des macromolécules, cette approche permet de mesurer de façon simultanée l'activité de plusieurs voies de signalisation impliqués dans ces réponses. Utilisant le récepteur β2-adrénergique (β2AR) comme modèle, nous avons démontré que les variations dans l’impédance cellulaire étaient directement liées à l’activation de multiples voies de signalisation suite à la stimulation du récepteur par son ligand. L’agoniste type du β2AR, l’isoprotérénol, s’est avéré induire une réponse d’impédance dose-dépendante constituée, dans le temps, de plusieurs caractéristiques distinctes pouvant être bloquées de façon compétitive par l’antagoniste ICI118,551 Par l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs, nous avons été en mesure de déterminer la contribution de plusieurs voies signalétiques canoniques, comme les voies dépendantes de Gs et Gi, la production d’AMPc et l’activation de ERK1/2, sur ces changements. De plus, la dissection de la réponse d’impédance a permis d’identifier une nouvelle voie de mobilisation du Ca2+ contribuant à la réponse globale des changements initiés par la stimulation du β2AR. Dans une autre étude, nous avons rapporté que la réponse calcique induite par le β2AR serait attribuable à une transactivation Gs-dépendant du récepteur purinergique P2Y11, lui-même couplé à la protéine Gq. La mesure d’impédance permettant de distinguer et de décrire une pléiade d’activités signalétiques, nous avons émis l’hypothèse que des ligands arborant des profils signalétiques différents généreraient des réponses d’impédance distinctes. Le criblage d’une librairie de ligands spécifiques au β2AR a révélé une grande variété de signatures d’impédance. Grâce au développement d’une approche computationnelle innovatrice, nous avons été en mesure de regrouper ces signatures en cinq classes de composés, un regroupement qui s’est avéré hautement corrélé avec le profil signalétique des différents ligands. Nous avons ensuite combiné le criblage de composés par impédance avec l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs de voies signalétiques afin d’augmenter la résolution du regroupement. En évaluant l’impact d’une voie signalétique donnée sur la signature d’impédance, nous avons été en mesure de révéler une plus grande variété de textures parmi les ligands. De plus, cette méthode s’est avérée efficace pour prédire le profil signalétique d’une librairie de composés non caractérisés, ciblant le β2AR. Ces travaux ont mené à l’élaboration d’une méthode permettant d’exprimer visuellement la sélectivité fonctionnelle de ligands et ont révélé de nouvelles classes de composés pour ce récepteur. Ces nouvelles classes de composés ont ensuite été testées sur des cardiomyocytes humains, confirmant que les composés regroupés dans différentes classes produisent des effets distincts sur la contractilité de ces cellules. Globalement, ces travaux démontrent la pertinence de l’utilisation de l’impédance cellulaire pour une évaluation précise des différences fonctionnelles parmi les composés ciblant les RCPGs. En fournissant une représentation pluridimensionnelle de la signalisation émanant des RCPGs à l’aide d’un seul essai ne requérant pas de marquage, les signatures d’impédance représentent une stratégie simple et innovante pour l’évaluation de la fonctionnalité sélective des ligands. Cette méthode pourrait être d’une grande utilité dans le processus de découverte de nouveaux médicaments.

Influence of posture and frequency modes in total body water estimation using bioelectrical impedance spectroscopy in boys and adult males

The aim of the study was to examine differences in total body water (TBW) measured using single-frequency (SF) and multi-frequency (MF) modes of bioelectrical impedance spectroscopy (BIS) in children and adults measured in different postures using the deuterium (2H) dilution technique as the reference. Twenty-three boys and 26 adult males underwent assessment of TBW using the dilution technique and BIS measured in supine and standing positions using two frequencies of the SF mode (50 kHz and 100 kHz) and the MF mode. While TBW estimated from the MF mode was comparable, extra-cellular fluid (ECF) and intra-cellular fluid (ICF) values differed significantly (p < 0.01) between the different postures in both groups. In addition, while estimated TBW in adult males using the MF mode was significantly (p < 0.01) greater than the result from the dilution technique, TBW estimated using the SF mode and prediction equation was significantly (p < 0.01) lower in boys. Measurement posture may not affect estimation of TBW in boys and adult males, however, body fluid shifts may still occur. In addition, technical factors, including selection of prediction equation, may be important when TBW is estimated from measured impedance.

Dendritic atrophy constricts functional maps in resonance and impedance properties of hippocampal model neurons

A gradient in the density of hyperpolarization-activated cyclic-nucleotide gated (HCN) channels is necessary for the emergence of several functional maps within hippocampal pyramidal neurons. Here, we systematically analyzed the impact of dendritic atrophy on nine such functional maps, related to input resistance and local/transfer impedance properties, using conductance-based models of hippocampal pyramidal neurons. We introduced progressive dendritic atrophy in a CA1 pyramidal neuron reconstruction through a pruning algorithm, measured all functional maps in each pruned reconstruction, and arrived at functional forms for the dependence of underlying measurements on dendritic length. We found that, across frequencies, atrophied neurons responded with higher efficiency to incoming inputs, and the transfer of signals across the dendritic tree was more effective in an atrophied reconstruction. Importantly, despite the presence of identical HCN-channel density gradients, spatial gradients in input resistance, local/transfer resonance frequencies and impedance profiles were significantly constricted in reconstructions with dendrite atrophy, where these physiological measurements across dendritic locations converged to similar values. These results revealed that, in atrophied dendritic structures, the presence of an ion channel density gradient alone was insufficient to sustain homologous functional maps along the same neuronal topograph. We assessed the biophysical basis for these conclusions and found that this atrophy-induced constriction of functional maps was mediated by an enhanced spatial spread of the influence of an HCN-channel cluster in atrophied trees. These results demonstrated that the influence fields of ion channel conductances need to be localized for channel gradients to express themselves as homologous functional maps, suggesting that ion channel gradients are necessary but not sufficient for the emergence of functional maps within single neurons.

Continuous non-destructive monitoring of cell health using impedance based interdigitated electrode structured sensors

This article examines some preliminary tests which were performed in order to evaluate the best electrode configuration (width and spacing) for cell culture analyses. Biochips packaged with indium tin oxide (ITO) interdigitated electrodes (IDEs) were used to perform impedance measurements on A549 cells cultured on the surface of the biochip. Several tests were carried out using a 10 mM solution of Sodium Chloride (NaCl), cell medium and the cell culture itself to characterize some of the configurations already fabricated in the facilities at Tyndall National Institute.

Utilization of electrochemical impedance spectroscopy for monitoring bornite (CU5FeS4) oxidation by Acidithiobacillus ferrooxidans

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