Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrn

Développement et radiosynthèse de ligands du récepteur tyrosine kinase neurotrophique type 2 (TrkB) marqués aux carbone-11 et fluor-18 pour l’imagerie cérébrale par tomographie d’émission de positons

Ce mémoire présente mes travaux ayant menés au développement d’une première génération de radioligands marqués au fluor-18 (t1/2 = 110 min) et au carbone-11 (t1/2 = 20.4 min) destinés à l’imagerie cérébrale in vivo du récepteur tyrosine kinase neurotrophique de type 2 (TrkB) en tomographie par émission de positons (TEP). Ces travaux reposent sur l’identification récente de ligands de TrkB non peptidiques à hautes affinités dérivés du 7,8-dihydroxyflavone. La synthèse d’une série de dérivés du 7,8-dihydroxyflavone non-radioactifs de même que des précuseurs à l’incorporation du fluro-18 et du carbone-11 a d’abord été effectuée. Partant des précurseurs adéquats synthétisés, la radiosynthèse de deux radioligands, l’un marqué au fluor-18 et l’autre au carbone-11, a été développée. Ces radiosynthèses reposent respectivement sur une 18F-radiofluorination nucléophile aromatique nouvelle et hautement efficace et sur une 11C-méthylation N-sélective. Les radiotraceurs de TrkB ainsi obtenus ont ensuite été évalués in vitro en autoradiographie et in vivo en tant que traceurs TEP dans des rats. L’évaluation des propriétés physico-chimique de même que de la stabilité in vitro des radiotraceurs sont présentées. Partant d’une série d’analogues cristallisés de ces flavones synthétiques, une étude de relation structure-activité a été menée. La combinaison de cette étude, de pair avec l’évaluation in vivo de la première génération de radiotraceurs de TrkB a aussi permis d’investiguer les pharmacophores nécessaires à l’affinité de ces ligands de même que d’identifier des fragments structurels associés au métabolisme des radiotraceurs. La radiosynthèse d’un troisième radioligand de TrkB et son évaluation TEP in vivo de même que la mise en lumière des modifications structurelles utiles au développement d’une seconde génération de radioligands de TrkB avec des propriétés optimisées pour fin d’imagerie TEP sont aussi détaillés.

Delineating the mechanism(s) of BDNF/TrkB mediated proliferation in Neuroblastoma

Delineating the mechanism(s) of BDNF/TrkB mediated proliferation in Neuroblastoma Timothy Christopher Graham, B.S. Supervisory Professor: Patrick Zweidler-McKay, MD/PhD Neuroblastoma is the most common extra-cranial solid tumor in children, arising from neural crest precursor cells. The neurotrophin receptors (TrkA/B/C) have been implicated as important prognostic markers, linking the biology of the tumor to patient outcome. High expression of TrkA and TrkC receptors have been linked to favorable biological features and high patient survival, while TrkB is expressed in unfavorable, aggressive tumors. Several studies suggest that high levels and activation of TrkB by its ligand brain-derived neurotrophic factor (BDNF) stimulates tumor cell survival, proliferation, and chemoresistance. However, little is known about the molecular mechanisms that regulate proliferation. The TrkB signaling pathway in neuroblastoma cells has been difficult to evaluate due to the loss of TrkB expression when the cells are used in vitro. Here we determined the role of proximal signaling pathways downstream of TrkB on neuroblastoma proliferation. By analyzing a panel of neuroblastoma cell lines, we found that the SMS-KCN cells express detectable levels of protein and mRNA levels of TrkB as analyzed by western, RT-PCR, and surface expression by flow cytometry. By the addition of exogenous human recombinant BDNF, we showed that activation of TrkB is important in the proliferation of the cells and can be repressed by inhibiting TrkB kinase function. By BDNF stimulation and use of specific kinase inhibitors, the common pathways involving PLCg, PI3K/AKT, and MAPK were initially investigated in addition to PI3K/MTOR and FYN pathways. We demonstrate for the first time that Fyn plays a critical role in TrkB mediated proliferation in neuroblastoma. Constitutively active and over-expressed Fyn reduced neuroblastoma proliferation, as measured by PCNA expression. Knockdown of Fyn by shRNA was shown to cooperate with activated TrkB for an enhanced proliferative response. Although TrkB activation has been implicated in the proliferation of neuroblastoma cells, little is known about its effects on cell cycle regulation. Protein levels of pRB, CDK2, CDK4, CDC25A, cyclin D1, and cyclin E were analyzed following BDNF stimulation. We found that BDNF mediated activation of TrkB induces multiple common proximal signaling pathways including the anti-proliferative Fyn pathway and drives cell cycle machinery to enhance the proliferation of neuroblastoma cells.

BDNF-TrkB Signaling in Single-Spine Structural Plasticity

Multiple lines of evidence reveal that activation of the tropomyosin related kinase B (TrkB) receptor is a critical molecular mechanism underlying status epilepticus (SE) induced epilepsy development. However, the cellular consequences of such signaling remain unknown. To this point, localization of SE-induced TrkB activation to CA1 apical dendritic spines provides an anatomic clue pointing to Schaffer collateral-CA1 synaptic plasticity as one potential cellular consequence of TrkB activation. Here, we combine two-photon glutamate uncaging with two photon fluorescence lifetime imaging microscopy (2pFLIM) of fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based sensors to specifically investigate the roles of TrkB and its canonical ligand brain derived neurotrophic factor (BDNF) in dendritic spine structural plasticity (sLTP) of CA1 pyramidal neurons in cultured hippocampal slices of rodents. To begin, we demonstrate a critical role for post-synaptic TrkB and post-synaptic BDNF in sLTP. Building on these findings, we develop a novel FRET-based sensor for TrkB activation that can report both BDNF and non-BDNF activation in a specific and reversible manner. Using this sensor, we monitor the spatiotemporal dynamics of TrkB activity during single-spine sLTP. In response to glutamate uncaging, we report a rapid (onset less than 1 minute) and sustained (lasting at least 20 minutes) activation of TrkB in the stimulated spine that depends on N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR)-Ca2+/Calmodulin dependent kinase II (CaMKII) signaling as well as post-synaptically synthesized BDNF. Consistent with these findings, we also demonstrate rapid, glutamate uncaging-evoked, time-locked release of BDNF from single dendritic spines using BDNF fused to superecliptic pHluorin (SEP). Finally, to elucidate the molecular mechanisms by which TrkB activation leads to sLTP, we examined the dependence of Rho GTPase activity - known mediators of sLTP - on BDNF-TrkB signaling. Through the use of previously described FRET-based sensors, we find that the activities of ras-related C3 botulinum toxin substrate 1 (Rac1) and cell division control protein 42 (Cdc42) require BDNF-TrkB signaling. Taken together, these findings reveal a spine-autonomous, autocrine signaling mechanism involving NMDAR-CaMKII dependent BDNF release from stimulated dendritic spines leading to TrkB activation and subsequent activation of the downstream molecules Rac1 and Cdc42 in these same spines that proves critical for sLTP. In conclusion, these results highlight structural plasticity as one cellular consequence of CA1 dendritic spine TrkB activation that may potentially contribute to larger, circuit-level changes underlying SE-induced epilepsy.

Highly efficient Nd:YAG ceramic CW laser with 59.8% slope-efficiency

In this paper, a highly efficient Ti:sapphire end-pumped 1 at.-% Nd:YAG ceramic laser that is comparable in efficiency with Nd:YAG single crystal lasers has been developed. Optical absorption and emission spectra for Nd:YAG ceramics have been measured. With 673-mW pumping, 295-mW laser output at 1064 nm has been obtained. The laser threshold is only 13 mW. Deducted the transmitted light, the corresponding optical-to-optical conversion efficiency is 58.4%. The lasing characteristics of Nd:YAG ceramic are nearly equal to those of Nd:YAG single crystal.

Raman Converting laser systems (US 8,494,012 B2)

Preprint

Expression of a dominant negative TrkB receptor, T1, reveals a requirement for presynaptic signaling in BDNF-induced synaptic potentiation in cultured hippocampal neurons

We have developed a method to analyze the relative contributions of pre- and postsynaptic actions of a particular gene product in neurons in culture and potentially in slices using adenovirus-mediated gene transfer. A recombinant virus directed the expression of both a GFP reporter protein and TrkB.T1, a C-terminal truncated dominant negative TrkB neurotrophin receptor. When expressed in the presynaptic cell at synapses between embryonic hippocampal neurons in culture, the dominant negative TrkB.T1 inhibited two forms of synaptic potentiation induced by the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF): (i) greater evoked synaptic transmission and (ii) higher frequency of spontaneous miniature synaptic currents. These inhibition effects are not seen if the transgene is expressed only in the postsynaptic cell. We conclude that BDNF-TrkB signal transduction in the presynaptic terminal leads to both types of potentiation and is therefore the primary cause of synaptic enhancement by BDNF in these neurons.

Deciphering the mechanisms underlying the loss of BDNF neuroprotection in an Alzheimer’s disease model

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2016

Neue 18 F-markierte Liganden zur Visualisierung des GABA A, alpha 5-Rezeptorstatus mittels PET

Die heutige Verfügbarkeit der molekularen Bildgebung ermöglicht einen signifikanten Einfluss auf die Diagnostik und die Therapiekontrolle von neurodegenerativen Erkrankungen, die unter anderem durch Fehlsteuerungen im GABAergen System auftreten können. Die Visualisierung und Quantifizierung des GABAA-alpha5-Subtyps durch PET könnte dabei zu einem besseren Verständnis von Erkrankungen wie Alzheimer und traumatischen Neurosen (emotionales Langzeitgedächtnis) beitragen. Ferner eröffnen GABAA/alpha5-subtypselektive Liganden die Möglichkeit, wesentliche Grundlagen der elementaren Vorgänge von Lernen und Erinnern zu untersuchen. 7,8,9,10-Tetrahydro-(7,10-ethan)-1,2,4-triazol[3,4-alpha]phthalazine stellen sich als vielverspre-chende Leitstrukturen zur Entwicklung neuer 18F-markierter alpha5-subtypselektiver GABAA-Rezeptorliganden für die PET dar. Um diese neuartigen Substanzen hinsichtlich ihrer Potenz als GABAA-alpha5-subtypselektive Radioliganden zu verifizieren, wurden zunächst die entsprechenden 19F-Derivate TC07-TC12 synthetisiert. Diese Referenzverbindungen wurden in Rezeptor-bindungsassays und in Autoradiographien mit [3H]Ro 15-4513 als zu verdrängender Radioligand evaluiert. In beiden Experimenten als auch in in vivo-Verdrängungsexperimenten an Ratten konnte eine hohe Affinität im nanomolaren Bereich als auch eine hohe Selektivität bezüglich der GABAA/alpha5-Untereinheit für einige der dargestellten Referenzverbindungen nachgewiesen werden. Gemäß diesen vielversprechenden Ergebnissen wurden verschiedene Markie-rungsvorläufer für eine 18F-Direktmarkierung der relevantesten Substanz TC07 in einer mehrstufigen organischen Synthese dargestellt. Die anschließende 18F-Markierung erfolgte über eine nukleophile Substitution mit [18F]Fluorid. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionstemperatur und dauer, Markierungsvorläuferkonzentration, Basenabhängigkeit und verschiedenen Markierungsmethoden optimiert. Daraus resultierend konnte [18F]TC07 mit bis zu 45 % radiochemischer Ausbeute erhalten werden. Die zerfallskorrigierte, gesamtradiochemische Ausbeute von nca [18F]TC07 in isotonischer NaCl-Lösung betrug 15 %. Basierend auf den bisher erhaltenen Ergebnissen wurde der Radioligand in in vitro-, ex vivo- und in vivo µPET-Experimenten evaluiert. Die zunächst durchgeführten in vitro-Experimente deuteten auf eine homogene Verteilung der Aktivität hin und zeigten keine spezifische Anreicherung. Diese Ergebnisse wurden sowohl in ex vivo- als auch in in vivo-µPET-Studien bestätigt. Auch hier konnte nur eine niedrige Aktivitätsanreicherung, eine homogene Verteilung im gesamten Gehirn und keine Übereinstimmung mit der bekannten GABAA/alpha5-Subtypverteilung gefunden werden. Eine im Anschluss durchgeführte Metabolismusstudie zeigte eine langsame Metabolisierungsrate des [18F]TC07 und auch eine Organverteilungsstudie zeigte keine außergewöhnlichen Anreicherungen. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der Radioligand [18F]TC07 kein geeigneter Tracer zur in vivo-Visualisierung der alpha5-Untereinheit des GABAA-Rezeptors ist.

Structural and functional roles of KCC2 in developing cortex

Cation chloride cotransporters (CCCs) are critical for controlling intracellular chloride homeostasis. The CCC family is composed of four isoforms of K-Cl cotransporters (KCC1-4), two isoforms of Na-K-2Cl cotransporters (NKCC1-2), one Na-Cl cotransporter (NCC) and two the structurally related proteins with unknown function, CCC8 also known as cation-chloride cotransporter interaction protein, CIP, and CCC9. KCC2 is a neuron-specific isoform, which plays a prominent role in controlling the intracellular Cl- concentration in neurons and is responsible for producing the negative shift of GABAA responses from depolarizing to hyperpolarizing during neuronal maturation. In the present studies we first used in situ hybridization to examine the developmental expression patterns of the cation-chloride cotransporters KCC1-4 and NKCC1. We found that they display complementary expression patterns during embryonic brain development. Most interestingly, KCC2 expression in the embryonic central nervous system strictly follows neuronal maturation. In vitro data obtained from primary and organotypic neuronal cultures support this finding and revealed a temporal correlation between the expression of KCC2 and synaptogenesis. We found that KCC2 is highly expressed in filopodia and mature spines as well as dendritic shaft and investigated the role of KCC2 in spine formation by analyzing KCC2-/- neurons in vitro. Our studies revealed that KCC2 is a key factor in the maturation of dendritic spines. Interestingly, the effect of KCC2 in spine formation is not due to Cl- transport activity, but mediated through the interaction between KCC2 C-terminal and intracellular protein associated with cytoskeleton. The interacting protein we found is protein 4.1N by immunoprecipitation. Our results indicate a structural role for KCC2 in the development of functional glutamatergic synapses and suggest KCC2 as a synchronizer for the functional development of glutamatergic and GABAergic synapses in neuronal network. Studies on the regulatory mechanisms of KCC2 expression during development and plasticity revealed that synaptic activity of both the glutamatergic and GABAergic system is not required for up-regulation of KCC2 during development, whereas in acute mature hippocampal slices which undergo continuous synchronous activity induced by the absence of Mg2+ solution, KCC2 mRNA and protein expression were down-regulated in CA1 pyramidal neurons subsequently leading to a reduced capacity for neuronal Cl- extrusion. This effect is mediated by endogenous BDNF-TrkB down-stream cascades involving both Shc/FRS-2 and PLCγ-CREB signaling. BDNF mediated changes in KCC2 expression indicate that KCC2 is significantly involved in the complex mechanisms of neuronal plasticity during development and pathophysiological conditions.

Differentiation of neural stem cells in fragile X syndrome

Multipotent stem cells can self-renew and give rise to multiple cell types. One type of mammalian multipotent stem cells are neural stem cells (NSC)s, which can generate neurons, astrocytes and oligodendrocytes. NSCs are likely involved in learning and memory, but their exact role in cognitive function in the developing and adult brain is unclear. We have studied properties of NSCs in fragile X syndrome (FXS), which is the most common form of inherited mental retardation. FXS is caused by the lack of functional fragile X mental retardation protein (FMRP). FMRP is involved in the regulation of postsynaptic protein synthesis in a group I metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5)-dependent manner. In the absence of functional FMRP, the formation of functional synapses is impaired in the forebrain which results in alterations in synaptic plasticity. In our studies, we found that FMRP-deficient NSCs generated more neurons and less glia than control NSCs. The newborn neurons derived from FMRP-deficient NSCs showed an abnormally immature morphology. Furthermore, FMRP-deficient NSCs exhibited aberrant oscillatory Ca2+ responses to glutamate, which were specifically abolished by an antagonist of the mGluR5 receptor. The data suggested alterations in glutamatergic differentiation of FMRP-deficient NSCs and were further supported by an accumulation of cells committed to glutamatergic lineage in the subventricular zone of the embryonic Fmr1-knockout (Fmr1-KO) neocortex. Postnatally, the aberrant cells likely contributed to abnormal formation of the neocortex. The findings suggested a defect in the differentiation of distinct glutamatergic mGluR5 responsive cells in the absence of functional FMRP. Furthermore, we found that in the early postnatal Fmr1-KO mouse brain, the expression of mRNA for regulator of G-protein signalling-4 (RGS4) was decreased which was in line with disturbed G-protein signalling in NSCs lacking FMRP. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) promotes neuronal differentiation of NSCs as the absence of FMRP was shown to do. This led us to study the effect of impaired BDNF/TrkB receptor signaling on NSCs by overexpression of TrkB.T1 receptor isoform. We showed that changes in the relative expression levels of the full-length and truncated TrkB isoforms influenced the replication capacity of NSCs. After the differentiation, the overexpression of TrkB.T1 increased neuronal turnover. To summarize, FMRP and TrkB signaling are involved in normal differentiation of NSCs in the developing brain. Since NSCs might have potential for therapeutic interventions in a variety of neurological disorders, our findings may be useful in the design of pharmacological interventions in neurological disorders of learning and memory.

In-situ measurements of concentration and temperature during transient solidification of aqueous solution of ammonium chloride using laser interferometry

The variation in temperature and concentration plays a crucial role in predicting the final microstructure during solidification of a binary alloy. Most of the experimental techniques used to measure concentration and temperature are intrusive in nature and affect the flow field. In this paper, the main focus is laid on in-situ, non-intrusive, transient measurement of concentration and temperature during the solidification of a binary mixture of aqueous ammonium chloride solution (a metal-analog system) in a top cooled cavity using laser based Mach-Zehnder Interferometric technique. It was found from the interferogram, that the angular deviation of fringe pattern and the total number of fringes exhibit significant sensitivity to refractive index and hence are functions of the local temperature and concentration of the NH4Cl solution inside the cavity. Using the fringe characteristics, calibration curves were established for the range of temperature and concentration levels expected during the solidification process. In the actual solidification experiment, two hypoeutectic solutions (5% and 15% NH4Cl) were chosen. The calibration curves were used to determine the temperature and concentration of the solution inside the cavity during solidification of 5% and 15% NH4Cl solution at different instants of time. The measurement was carried out at a fixed point in the cavity, and the concentration variation with time was recorded as the solid-liquid interface approached the measurement point. The measurement exhibited distinct zones of concentration distribution caused by solute rejection and Rayleigh Benard convection. Further studies involving flow visualization with laser scattering confirmed the Rayleigh Benard convection. Computational modeling was also performed, which corroborated the experimental findings. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Surface amorphous and crystalline microstructure by alloying zirconium using Nd : YAG pulsed laser

A novel composite coating was synthesized by laser alloying of zirconium nanoparticles on an austenite stainless steel surface using a pulsed Nd:YAG laser. The coating contained duplex microstructures comprising an amorphous phase and an austenitic matrix. A discontinuous zirconium-containing region formed at a depth of 16 mum below the surface. The amorphous phase was present in the zirconium-rich region, with the composition of zirconium ranging from 7.8 to 14.5 at. pet. The formation of the amorphous phase was attributed to the zirconium addition. The hardness, corrosion, and wear-corrosion resistance of the irradiated coating were evidently enhanced compared to those of the stainless steel.