Mechanismen und funktionelle Konsequenzen der Chlorid-Homöostase in unreifen Neuronen des Neocortex

GABA, der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im adulten Gehirn, bewirkt im unreifen Nervensystem eine Membrandepolarisation, vermutlich aufgrund der erhöhten intrazellulären Chloridkonzentration ([Cl-]i) in unreifen Nervenzellen. GABAerge Membrandepolarisationen sind essentiell für die korrekte Entwicklung des zentralen Nervensystems und die Entstehung kortikaler Netzwerkaktivität. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe elektrophysiologischer und immunohistochemischer Methoden die Regulation der Chlorid-Homöostase in unreifen Neuronen des Neokortex untersucht. Die Experimente wurden an Cajal-Retzius (CR) Zellen, einem transienten Zelltyp der Marginalzone, in akuten Hirnschnittpräparaten neonataler Ratten (P0-P3) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass CR Zellen eine hohe native [Cl-]i von ~30 mM aufweisen. Die hohe [Cl-]i wurde ausschließlich durch Bumetanid sensitiven und Na+-abhängigen aktiven Cl--Transport aufrechterhalten, was auf eine Cl--Akkumulation durch den Kationen-Chlorid-Cotransporter NKCC1 schließen lässt. Diese pharmakologischen Hinweise konnten durch den Nachweis der Expression von NKCC1 in der gesamten Marginalzone, speziell in CR Zellen, bestätigt werden. Die Transportgeschwindigkeit der NKCC1-abhängigen Cl--Akkumulation war gering, was auf eine limitierte Transportkapazität schließen lässt. In Übereinstimmung mit diesem Befund konnte gezeigt werden, dass die Cl--Leitfähigkeit in CR Zellen äußerst klein ist, so dass die NKCC1-abhängige Cl--Akkumulation ausreichend war, um unter Ruhebedingungen eine hohe [Cl-]i zu gewährleisten. Aufgrund dieser hohen [Cl-]i waren GABAA-Rezeptor vermittelte Antworten in CR Zellen exzitatorisch. Die Kapazität des NKCC1-vermittelten Cl--Transportes in CR Zellen konnte durch höherfrequente Stimulation überschritten werden, was dazu führte, dass die [Cl-]i abnahm und GABAerge Antworten unter diesen Bedingungen inhibitorisch wurden. Die inhibitorische Wirkung von GABA in CR Zellen wurde überwiegend durch die Reduktion des Eingangswiderstandes der Zelle vermittelt und beruhte nicht auf einer Verschiebung der Aktionspotentialschwelle.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

On the function of proton-gated ion channels ASICs and TRPV1 : a patch-clamp study

AbstractAcidosis is encountered during tissue inflammation and triggers pain in humans. H+-gated ion channels are expressed at high levels in sensory neurons of the peripheral nervous system. Ion channels from two different families present the required pH sensitivity to detect the acidosis associated with peripheral inflammation: Acid-Sensing Ion Channels (ASICs) and the Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) channel.ASICs are members of the Degenerin/Epithelial Na+ Channel family of ion channels. Six ASIC subunits have been identified in mammals (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 and -4). ASICs form In-activated voltage-insensitive homo- or heterotrimeric Na+ channels. TRPV1 is a member of the TRP family of ion channels and forms non-selective cation channels that mediate a sustained current. TRPV1 is activated by H+, heat (T>43°C), lipids, capsaicin, voltage and other stimuli. A stimulus can increase TRPV1 response to a different stimulus. For example H+ can shift the capsaicin concentration dependence of TRPV1 to lower values. ASICs and TRPV1 have been shown to be involved in inflammatory pain. Using the patch-clamp technique, we studied different aspects of the function of ASICs and TRPV1 in the physiological context of pain.In the first part of this thesis, we characterize the effect of a temperature increase from 25 to 35°C on the function of ASICs and TRPV1 in transfected CHO cells and primary cultures of rat DRG sensory neurons. ASICs give rise to transient currents while TRPV1 mediates a sustained current. In addition, ASICs and TRPV1 respond to H+ with distinct pH dependences. We assess the relative contribution of ASICs and TRPV1 to H+-evoked electrical signaling in rat DRG neurons and we conclude that ASICs are the most important pH sensors in the pH range 7.4 to 6.0 at 35°C in sensory neurons.ASICs and TRPV1 are expressed in the epithelium lining the lumen of the bladder (urothelium). The Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) is a painful condition associated with a dysfunction of the urothelial barrier and with inflammation. In the second part of this thesis, we show that human urothelial cells -the cell line TEU2 and primary cultures of human bladder urothelium- express functional ASICs but no functional TRPV1 channels. In addition, we show that the levels of ASIC2 and ASIC3 mRNA are increased in the urothelium of patients suffering from BPS/IC. These data suggest that ASICs are involved in the pathology of BPS/IC.Finally, we demonstrate that APETx2 inhibits the sensory neuron specific voltage-dependent Na+ channel Nav1.8. APETx2 was previously shown to inhibit homo- or heterotrimeric ASIC3- containing channels with IC5o from 0.08 to 1 μΜ. We show that APETx2 also inhibits Nav1.8 with an ICsoof «2.6 μΜ. APETx2 reduces the maximal conductance and induces a depolarizing shift in the voltage dependence of activation of Nav1.8. In current-clamp experiments, APETx2 reduces the number of action potentials (APs) evoked by a current ramp. Nav1.8 mediates most of the current during the AP upstroke and has been shown to be an important mediator of inflammatory pain. The fact that APETx2 inhibits two ion channels involved in inflammatory pain suggests that APETx2 or derivatives may represent novel analgesic compounds.RésuméL'acidose tissulaire est observée durant l'inflammation et entraine la douleur chez l'humain. Des canaux ioniques activés par les protons (H+) sont fortement exprimés dans les neurones sensoriels du système nerveux périphérique. De ceux-ci, les Acid-Sensing Ion Channels [ASICs) et Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) présentent une sensibilité adéquate à l'acidité pour servir de détecteurs d'acidose.Les ASICs sont membres de la famille Degenerin/Epithelial Na* Channel. Six sous-unités ASIC ont été identifiées chez les mammifères (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 et -4). Les ASICs forment des canaux sélectifs au Na\ insensibles au voltage et activés par les H+. Les canaux fonctionnels sont des homo- ou hétérotrimères de sous-unités ASIC. TRPV1 est un membre de la famille TRP de canaux ioniques. Les canaux TRPV1 sont activés par les H+, la chaleur (T>43°Ç), les lipides, la capsaicine, le voltage et d'autres stimulus. L'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu non-sélectif. Un stimulus peut augmenter la réponse de TRPV1 à un autre stimulus. Les H+ peuvent, par exemple, induire un décalage vers des valeurs plus faibles de la courbe de dépendance à la concentration de TRPV1 pour la capsaicine. Il a été démontré que les ASICs et TRPV1 sont impliqués dans la douleur inflammatoire. En utilisant la technique du patch-clamp, nous avons étudié différents aspects de la fonction des ASICs et de TRPV1 dans des contextes associés à la douleur.Dans la première partie de cette thèse, nous caractérisons l'effet d'une augmentation de température de 25 à 35°C sur la fonction des canaux ASICs et TRPV1, dans des cellules CHO transfectées et dans des cultures primaires de neurones sensoriels (DRG) de rat. L'activation des ASICs entraine l'apparition d'un courant transitoire tandis que l'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu. De plus, les ASICs et TRPV1 possèdent des dépendances au pH différentes. Nous évaluons la contribution relative des ASICs et de TRPV1 au signalement électrique induit par les H+ et nous concluons que les ASICs sont les senseurs d'acidité les plus importants dans les neurones sensoriels, dans le domaine de pH de 7.4 à 6.0, à température corporelle.Les ASICs et TRPV1 sont exprimés dans l'épithélium recouvrant l'intérieur de la vessie (l'urothélium). Le Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) est une condition médicale douloureuse associée à une dysfonction de la barrière urothéliale et à une inflammation. Dans la seconde partie de cette thèse, nous démontrons que des cellules urothéliales (de la lignée cellulaire TEU2) et des cellules provenant de cultures primaires d'épithéliums de vessies humaines expriment des canaux ASIC fonctionnels mais pas de TRPV1 fonctionnels. De plus, nous montrons que le niveau d'expression de ASIC2 et -3 est augmenté dans l'urothélium de la vessie de patients souffrant de BPS/IC. Ces données suggèrent que les ASICs sont impliqués dans la pathologie BPS/IC.Pour finir, nous démontrons que la toxine APETx2 inhibe le canal spécifique aux neurones sensoriels Nav1.8, un membre de la famille des canaux sodiques dépendants du potentiel. Il a été démontré précédemment que la toxine APETx2 inhibe les canaux contenant une ou plusieurs sous-unités ASIC3 avec un ICso entre 0.08 et 1 μΜ. Nous montrons que la toxine APETx2 inhibe Nav1.8 avec un IC50 de «2.6 μΜ. La toxine APETx2 réduit la conductance maximale et induit un décalage de la dépendance au potentiel de Nav1.8 vers des valeurs plus positives. Dans des expériences de courant imposé sur des neurones sensoriels, la toxine APETx2 réduit le nombre de potentiels d'action induits par une rampe de courant. Nav1.8 est responsable de la majeure partie du courant durant la phase ascendante du potentiel d'action et a été démontré comme étant un médiateur important de la douleur inflammatoire. L'inhibition de deux types de canaux, impliqués dans la douleurs inflammatoire, par la toxine APETx2, suggère que cette dernière ou ses dérivés représentent des composés analgésiques prometteurs.

Influence of the in vivo deregulation of the expression of ntrk3 (trkc) on cortical development of a murine model of panic/anxiety disorder

Alteracions durant el desenvolupament cerebral produirien canvis en la connectivitat neuronal i la bioquímica cel•lular que podrien resultar en una disfunció cognitiva i/o emocional, desembocant a trastorns psiquiàtrics. Les neurotrofines intervenen en els processos del neurodesenvolupament i en la funcionalitat del cervell adult i, conseqüentment, serien bons candidats com a factors de predisposició en diverses malalties mentals. S’ha suggerit la implicació del receptor de la neurotrofina 3, TrkC, en el trastorn de pànic. Nosaltres proposem que la sobreexpressió del gen NTRK3 (TrkC) és un mediador comú dels desencadenants genètics i ambientals d’aquest trastorn. Concretament, la seva desregulació podria produir canvis estructurals i funcionals a l’escorça cerebral dels pacients pel seu paper durant l’establiment dels circuïts corticals i la neuroplasticitat a l’adult, probablement esdevenint elements de predisposició a patir atacs de pànic. Els objectius principals d’aquest treball han estat: 1/determinar la contribució específica del gen NTRK3 a les alteracions de l’escorça cerebral observades en pacients, utilitzant un model murí modificat genèticament (TgNTRK3), i 2/analitzar l’impacte específic de la sobreexpressió de NTRK3 sobre la corticogènesi durant estadis embrionaris o postnatals estudiant la neurogènesi i la neuritogènesi. Els resultats indiquen que la sobreexpressió de NTRK3 als ratolins produeix una reducció del gruix de l’escorça frontal, recapitulant la hipofrontalitat dels pacients, que comportaria una menor inhibició dels nuclis subcorticals del sistema límbic com l’amígdala, i alteracions citoarquitectòniques a l’escorça prefrontal medial que recolzen la hipòtesi del seu mal funcionament. Tanmateix, els ratolins TgNTRK3 presenten canvis estructurals a l’escorça somatosensorial, suggerint que el processament de la informació sensorial podria estar alterat, el que encara no s’ha explorat en pacients. La sobreexpressió de NTRK3 també afecta la neuritogènesi en cultius primaris corticals i modifica la resposta de les neurones a l’estimulació amb neurotrofines. Per tant, el fenotip cortical adult dels TgNTRK3 podria dependre d’alteracions durant la corticogènesi.

The interplay of JNK and SCG10 during cortical development and in excitotoxic responses in brain

Initially identified as stress activated protein kinases (SAPKs), the c-Jun Nterminal kinases (JNKs) are currently accepted as potent regulators of various physiologically important cellular events. Named after their competence to phosphorylate transcription factor c-Jun in response to UVtreatment, JNKs play a key role in cell proliferation, cell death or cell migration. Interestingly, these functions are crucial for proper brain formation. The family consists of three JNK isoforms, JNK1, JNK2 and JNK3. Unlike brain specific JNK3 isoform, JNK1 and JNK2 are ubiquitously expressed. It is estimated that ten splice variants exist. However, the detailed cellular functions of these remain undetermined. In addition, physiological conditions keep the activities of JNK2 and JNK3 low in comparison with JNK1, whereas cellular stress raises the activity of these isoforms dramatically. Importantly, JNK1 activity is constitutively high in neurons, yet it does not stimulate cell death. This suggests a valuable role for JNK1 in brain development, but also as an important mediator of cell wellbeing. The aim of this thesis was to characterize the functional relationship between JNK1 and SCG10. We found that SCG10 is a bona fide target for JNK. By employing differential centrifugation we showed that SCG10 co-localized with active JNK, MKK7 and JIP1 in a fraction containing endosomes and Golgi vesicles. Investigation of JNK knockout tissues using phosphospecific antibodies recognizing JNK-specific phosphorylation sites on SCG10 (Ser 62/Ser 73) showed that phosphorylation of endogenous SCG10 was dramatically decreased in Jnk1-/- brains. Moreover, we found that JNK and SCG10 co-express during early embryonic days in brain regions that undergo extensive neuronal migration. Our study revealed that selective inhibition of JNK in the cytoplasm significantly increased both the frequency of exit from the multipolar stage and radial migration rate. However, as a consequence, it led to ill-defined cellular organization. Furthermore, we found that multipolar exit and radial migration in Jnk1 deficient mice can be connected to changes in phosphorylation state of SCG10. Also, the expression of a pseudo-phosphorylated mutant form of SCG10, mimicking the JNK1- phopshorylated form, brings migration rate back to normal in Jnk1 knockout mouse embryos. Furthermore, we investigated the role of SCG10 and JNK in regulation of Golgi apparatus (GA) biogenesis and whether pathological JNK action could be discernible by its deregulation. We found that SCG10 maintains GA integrity as with the absence of SCG10 neurons present more compact fragmented GA structure, as shown by the knockdown approach. Interestingly, neurons isolated from Jnk1-/- mice show similar characteristics. Block of ER to GA is believed to be involved in development of Parkinson's disease. Hence, by using a pharmacological approach (Brefeldin A treatment), we showed that GA recovery is delayed upon removal of the drug in Jnk1-/- neurons to an extent similar to the shRNA SCG10-treated cells. Finally, we investigated the role of the JNK1-SCG10 duo in the maintenance of GA biogenesis following excitotoxic insult. Although the GA underwent fragmentation in response to NMDA treatment, we observed a substantial delay in GA disintegration in neurons lacking either JNK1 or SCG10.

Robotic multiwell planar patch-clamp for native and primary mammalian cells

Robotic multiwell planar patch-clamp has become common in drug development and safety programs because it enables efficient and systematic testing of compounds against ion channels during voltage-clamp. It has not, however, been adopted significantly in other important areas of ion channel research, where conventional patch-clamp remains the favored method. Here, we show the wider potential of the multiwell approach with the ability for efficient intracellular solution exchange, describing protocols and success rates for recording from a range of native and primary mammalian cells derived from blood vessels, arthritic joints and the immune and central nervous systems. The protocol involves preparing a suspension of single cells to be dispensed robotically into 4-8 microfluidic chambers each containing a glass chip with a small aperture. Under automated control, giga-seals and whole-cell access are achieved followed by preprogrammed routines of voltage paradigms and fast extracellular or intracellular solution exchange. Recording from 48 chambers usually takes 1-6 h depending on the experimental design and yields 16-33 cell recordings.

Late cardiac sodium current can be assessed using automated patch-clamp

The cardiac late Na (+) current is generated by a small fraction of voltage-dependent Na (+) channels that undergo a conformational change to a burst-gating mode, with repeated openings and closures during the action potential (AP) plateau. Its magnitude can be augmented by inactivation-defective mutations, myocardial ischemia, or prolonged exposure to chemical compounds leading to drug-induced (di)-long QT syndrome, and results in an increased susceptibility to cardiac arrhythmias. Using CytoPatch™ 2 automated patch-clamp equipment, we performed whole-cell recordings in HEK293 cells stably expressing human Nav1.5, and measured the late Na (+) component as average current over the last 100 ms of 300 ms depolarizing pulses to -10 mV from a holding potential of -100 mV, with a repetition frequency of 0.33 Hz. Averaged values in different steady-state experimental conditions were further corrected by the subtraction of current average during the application of tetrodotoxin (TTX) 30 μM. We show that ranolazine at 10 and 30 μM in 3 min applications reduced the late Na (+) current to 75.0 ± 2.7% (mean ± SEM, n = 17) and 58.4 ± 3.5% ( n = 18) of initial levels, respectively, while a 5 min application of veratridine 1 μM resulted in a reversible current increase to 269.1 ± 16.1% ( n = 28) of initial values. Using fluctuation analysis, we observed that ranolazine 30 μM decreased mean open probability p from 0.6 to 0.38 without modifying the number of active channels n, while veratridine 1 μM increased n 2.5-fold without changing p. In human iPSC-derived cardiomyocytes, veratridine 1 μM reversibly increased APD90 2.12 ± 0.41-fold (mean ± SEM, n = 6). This effect is attributable to inactivation removal in Nav1.5 channels, since significant inhibitory effects on hERG current were detected at higher concentrations in hERG-expressing HEK293 cells, with a 28.9 ± 6.0% inhibition (mean ± SD, n = 10) with 50 μM veratridine.

Force-controlled patch clamp of beating cardiac cells.

From its invention in the 1970s, the patch clamp technique is the gold standard in electrophysiology research and drug screening because it is the only tool enabling accurate investigation of voltage-gated ion channels, which are responsible for action potentials. Because of its key role in drug screening, innovation efforts are being made to reduce its complexity toward more automated systems. While some of these new approaches are being adopted in pharmaceutical companies, conventional patch-clamp remains unmatched in fundamental research due to its versatility. Here, we merged the patch clamp and atomic force microscope (AFM) techniques, thus equipping the patch-clamp with the sensitive AFM force control. This was possible using the FluidFM, a force-controlled nanopipette based on microchanneled AFM cantilevers. First, the compatibility of the system with patch-clamp electronics and its ability to record the activity of voltage-gated ion channels in whole-cell configuration was demonstrated with sodium (NaV1.5) channels. Second, we showed the feasibility of simultaneous recording of membrane current and force development during contraction of isolated cardiomyocytes. Force feedback allowed for a gentle and stable contact between AFM tip and cell membrane enabling serial patch clamping and injection without apparent cell damage.

Malformations of Cortical Development in Patients With Mid line Facial Defects and Ocular Hypertelorism

Objectives: We studied the neuroimaging and neurophysiological aspects of 17 patients with midline facial defects with ocular hypertelorism (MFDH). Methods: The investigation protocol included a previous semistructured questionnaire about family history; gestational, neonatal, and postnatal development; and dysmorphologic and neurologic evaluation. Recognized monogenic disorders and individuals with other well-known conditions were excluded. All patients had high resolution magnetic resonance imaging (MRI) with multiplanar reconstruction (MPR) and routine electroencephalograms (EEGs). Results: We detected abnormalities in five patients whose MRIs had been previously reported as normal. MRI showed central nervous system (CNS) structural abnormalities in all patients, which included commissural alterations in 16/17 (94%), malformations of cortical development in 10/17 (58%), disturbances of neural tube closure in 7/17(42%), and posterior fossa anomalies in 6/17 (35%). Some patients had more than one type of malformation occurring at different stages of the embryonary process. EEGs showed epileptiform activity in 4/17 (24%) and background abnormalities in 5/17 (29%) of patients. Conclusion: This study clearly demonstrated the presence of structural and functional neurologic alterations related to MFDH. Therefore, the CNS anomalies cannot be considered incidental findings but an intrinsic part of this condition, which could be related to environmental effects and/or genetic mutations. These findings would provide a basis for future investigations on MFDH and should also be considered when planning rehabilitation.

Mutations in tubulin genes are frequent causes of various foetal malformations of cortical development including microlissencephaly.

Complex cortical malformations associated with mutations in tubulin genes are commonly referred to as "Tubulinopathies". To further characterize the mutation frequency and phenotypes associated with tubulin mutations, we studied a cohort of 60 foetal cases. Twenty-six tubulin mutations were identified, of which TUBA1A mutations were the most prevalent (19 cases), followed by TUBB2B (6 cases) and TUBB3 (one case). Three subtypes clearly emerged. The most frequent (n = 13) was microlissencephaly with corpus callosum agenesis, severely hypoplastic brainstem and cerebellum. The cortical plate was either absent (6/13), with a 2-3 layered pattern (5/13) or less frequently thickened (2/13), often associated with neuroglial overmigration (4/13). All cases had voluminous germinal zones and ganglionic eminences. The second subtype was lissencephaly (n = 7), either classical (4/7) or associated with cerebellar hypoplasia (3/7) with corpus callosum agenesis (6/7). All foetuses with lissencephaly and cerebellar hypoplasia carried distinct TUBA1A mutations, while those with classical lissencephaly harbored recurrent mutations in TUBA1A (3 cases) or TUBB2B (1 case). The third group was polymicrogyria-like cortical dysplasia (n = 6), consisting of asymmetric multifocal or generalized polymicrogyria with inconstant corpus callosum agenesis (4/6) and hypoplastic brainstem and cerebellum (3/6). Polymicrogyria was either unlayered or 4-layered with neuronal heterotopias (5/6) and occasional focal neuroglial overmigration (2/6). Three had TUBA1A mutations and 3 TUBB2B mutations. Foetal TUBA1A tubulinopathies most often consist in microlissencephaly or classical lissencephaly with corpus callosum agenesis, but polymicrogyria may also occur. Conversely, TUBB2B mutations are responsible for either polymicrogyria (4/6) or microlissencephaly (2/6).

Dopamine affects parvalbumin expression during cortical development in vitro.

This study was undertaken to determine how dopamine influences cortical development. It focused on morphogenesis of GABAergic neurons that contained the calcium-binding protein parvalbumin (PV). Organotypic slices of frontoparietal cortex were taken from neonatal rats, cultured with or without dopamine, harvested daily (4-30 d), and immunostained for parvalbumin. Expression of parvalbumin occurred in the same regional and laminar sequence as in vivo. Expression in cingulate and entorhinal preceded that in lateral frontoparietal cortices. Laminar expression progressed from layer V to VI and finally II-IV. Somal labeling preceded fiber labeling by 2 d. Dopamine accelerated PV expression. In treated slices, a dense band of PV-immunoreactive neurons appeared in layer V at 7 d in vitro (DIV), and in all layers of frontoparietal cortex at 14 DIV, whereas in control slices such labeling did not appear until 14 and 21 DIV, respectively. The laminar distribution and dendritic branching of PV-immunoreactive neurons were quantified. More labeled neurons were in the superficial layers, and their dendritic arborizations were significantly increased by dopamine. Treatment with a D1 receptor agonist had little effect, whereas a D2 agonist mimicked dopamine's effects. Likewise, the D2 but not the D1 antagonist blocked dopamine-induced changes, indicating that they were mediated primarily by D2 receptors. Parvalbumin expression was accelerated by dopaminergic reinnervation of cortical slices that were cocultured with mesencephalic slices. Coapplication of the glutamate NMDA receptor antagonist MK801 or AP5 blocked dopamine-induced increases in dendritic branching, suggesting that changes were mediated partly by interaction with glutamate to alter cortical excitability.

Patch-clamp detection of macromolecular translocation along nuclear pores

The present paper reviews the application of patch-clamp principles to the detection and measurement of macromolecular translocation along the nuclear pores. We demonstrate that the tight-seal 'gigaseal' between the pipette tip and the nuclear membrane is possible in the presence of fully operational nuclear pores. We show that the ability to form a gigaseal in nucleus-attached configurations does not mean that only the activity of channels from the outer membrane of the nuclear envelope can be detected. Instead, we show that, in the presence of fully operational nuclear pores, it is likely that the large-conductance ion channel activity recorded derives from the nuclear pores. We conclude the technical section with the suggestion that the best way to demonstrate that the nuclear pores are responsible for ion channel activity is by showing with fluorescence microscopy the nuclear translocation of ions and small molecules and the exclusion of the same from the cisterna enclosed by the two membranes of the envelope. Since transcription factors and mRNAs, two major groups of nuclear macromolecules, use nuclear pores to enter and exit the nucleus and play essential roles in the control of gene activity and expression, this review should be useful to cell and molecular biologists interested in understanding how patch-clamp can be used to quantitate the translocation of such macromolecules into and out of the nucleus

Seal Formation in Silicon Planar Patch-Clamp Microstructures

This paper presents a microfabricated planar patch-clamp electrode design and looks at the impact of several physical characteristics on seal formation. The device consists of a patch aperture, 1.5-2.5 mum in diameter and 7-12 mum in depth, with a reverse-side deep-etched 80-mum well. The patch aperture was coated with either thermal oxide or plasma-enhanced chemical vapor deposited (PECVD) SiO2. Some of the thermal oxide devices were converted into protruding nozzle structures, and some were boron-doped. Seal formation was tested with cultured N2a neuroblastoma cells. The PECVD oxide devices produced an average seal resistance of 34 MOmega(n = 24), and the thermal oxide devices produced an average seal resistance of 96 MOmega(n = 59). Seal resistance was found to positively correlate with patch aperture depth. Whole-cell recordings were obtained from 14% of cells tested with the thermal oxide devices, including a single recording where a gigaohm seal was obtained.