قياس لوني سائل عالي الأداء كينورينيني وحمض كينورينيك: الكيمياء الحيوية المتعلقة بالإدراك والنوم في الفئران
Summary
التعديلات في الأيض نيورواكتيفي المسار (KP) كينورينيني متورطون في الأمراض النفسية. تحقق النتائج الفنية كينورينيني غيرت مسار الأيض في فيفو في القوارض قد تساعد في توضيح نهج علاجية جديدة. البروتوكول الحالي يجمع بين نهج الكيمياء الحيوية والسلوكية للتحقيق أثر تحديا كينورينيني الحاد في الفئران.
Abstract
مسار كينورينيني (KP) تدهور التربتوفان متورط في الاضطرابات النفسية. على وجه التحديد، المستمدة من أستروسيتي المستقلب كينورينيك الحامض (كينا)، خصم في كلا ن-الميثيل-د-اسبارتاتي (نمدا) ومستقبلات النيكوتين أستيل (α7nACh) α7، كان متورطا في العمليات الإدراكية في الصحة والمرض. كما كينا مستويات مرتفعة في أدمغة المرضى الذين يعانون من مرض الفصام، وعطل فني في جلوتاماتيرجيك والمستقبلات اتروبين يعتقد أن تكون مرتبطة سببياً بالخلل المعرفي، في أحد المجالات أساسية للأمراض النفسية للمرض. كينا قد تلعب دوراً هاما باثوفيسيولوجيكالي في الأفراد مع مرض الفصام. من الممكن رفع كينا الذاتية في الدماغ القوارض بمعاملة الحيوانات مع كينورينيني بيوبريكورسور مباشرة، وقد أثبتت الدراسات الإكلينيكية في الفئران أن الارتفاعات الحادة في كينا قد يؤثر على عمليات التعلم والذاكرة. البروتوكول الحالي يصف هذا النهج التجريبي بالتفصيل، ويجمع بين أ) تحليل الكيمياء الحيوية من مستويات كينورينيني في الدم والدماغ تشكيل كينا (باستخدام كروماتوغرافيا سائلة عالية الأداء)، اختبار ب) السلوكية للتحقيق هيبوكامبال تعتمد على الذاكرة السياقية (نموذج تجنب السلبية)، وج) تقييما للنوم-اليقظة سلوك [تسجيلات القياس البعدي الجمع بين للالكهربائي (EEG) وإشارات electromyogram (EMG)] في الفئران. مجتمعة، هو دراسة علاقة بين كينا مرتفعة، والنوم، والإدراك، ووصف هذا البروتوكول بالتفصيل نهج تجريبي لفهم نتائج الدالة من ارتفاع كينورينيني وكينا تشكيل في فيفو في الفئران. النتائج التي تم الحصول عليها من خلال أشكال مختلفة من هذا البروتوكول سيتم اختبار الفرضية القائلة بأن عملية كيمبرلي وكينا يخدم دور محوري في تحوير النوم والإدراك في الصحة والمرض.
Introduction
عملية كيمبرلي المسؤولة على اللاإنسانية ما يقرب من 95 في المائة من التربتوفان من الأحماض الأمينية الأساسية1. في الدماغ الثدييات، ويتم استقلاب كينورينيني في أستروسيتيس في جزيء صغير نيورواكتيفي كينا أساسا من الإنزيم كينورينيني aminotransferase (كات) ثانيا2. كينا بمثابة خصم في مستقبلات NMDA و α7nACh في المخ2،،من34، وأيضا أهداف إشارات مستقبلات بما في ذلك مستقبلات هيدروكربون أريل (فهرس) وز-البروتين إلى جانب مستقبلات 35 (GPR35)5 ،6. في الحيوانات التجريبية، أظهرت ارتفاعات في الدماغ كينا يضر بأدائهم المعرفي في صفيف من فحوصات السلوكية2،،من78،9،10 . وتقترح فرضية ناشئة أن كينا يلعب دوراً أساسيا في تحوير الوظائف المعرفية التي تؤثر على سلوك النوم-اليقظة11، ومن ثم زيادة دعم دور الجزيئات المشتقة من أستروسيتي في تحوير بيولوجيا الأعصاب للنوم و 12من الإدراك.
سريرياً، وجدت ارتفاعات في كينا في السائل الدماغي النخاعي وأنسجة الدماغ بعد الوفاة من المرضى الذين يعانون من مرض الفصام13،14،،من1516، اضطراب نفسية المنهكة وتتميز بالإعاقات الإدراكية. المرضى الذين يعانون من مرض الفصام وغالباً ما تعاني من اضطرابات النوم التي قد تؤدي إلى تفاقم المرض17. فهم دور KP الأيض وكينا في تحوير علاقة بين النوم والإدراك، لا سيما بين التعلم والذاكرة، وقد يؤدي إلى تطوير علاجات جديدة لعلاج هذه النتائج السيئة في مرض الفصام وغيرها الأمراض النفسية.
طريقة موثوقة ومتسقة لقياس نواتج الأيض عملية كيمبرلي من المهم أن أؤكد أن البحوث الناشئة من مختلف المؤسسات يمكن أن تدمج في الفهم العلمي للبيولوجيا عملية كيمبرلي. في الوقت الحاضر، يمكننا وصف المنهجية قياس كينورينيني في بلازما الفئران وكينا في الدماغ الفئران بواسطة كروماتوغرافيا سائلة عالية الأداء ([هبلك]). هذا البروتوكول، الذي يستفيد من الكشف عن فلوريميتريك حضور Zn2 +، وضعت أولاً شيباتا18 وتكييفها مؤخرا والأمثل ديريفاتيزي مع خلات الزنك 500 ملم ككاشف العمود بعد، مما يسمح لأكثر الكشف عن كميات nanomolar الذاتية، من كينا في الدماغ11.
لتحفيز إنتاج كينا حيثياته الذاتية كما هو موضح في هذا البروتوكول، يتم حقن كينورينيني بيوبريكورسور مباشرة إينترابيريتونيلي (القائمة) بالنسبة للفئران. في تركيبة مع تقييمات البيوكيميائية تحديد درجة إنتاج كينا، آثار كينورينيني التحدي على الذاكرة هيبوكامبال المعتمدة (نموذج الأبطال السلبي) وبنية النوم-اليقظة (إشارات EEG وفريق الإدارة البيئية) أيضا 11من التحقيق. مزيج من هذه التقنيات تسمح لدراسة أثر البيوكيميائية والوظيفية من كينورينيني التحدي في فيفو في الفئران.
Protocol
Representative Results
Discussion
لتقييم موثوق كينا في الدماغ بعد إقامة كينورينيني طرفية، من المهم لجمع وتفسير التجارب البيوكيميائية والوظيفية. نقدم هنا، بروتوكول تفصيلية تسمح للمستخدمين الجدد وضع أساليب فعالة لقياس كينورينيني البلازما والمخ كينا فئران. قياس كينورينيني في البلازما وأكدت حقن دقيقة وقياس المستقلب كينا ي…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
بتمويل هذه الدراسة في جزء من “المعاهد الوطنية للصحة” (R01 NS102209) ومنحة من “صندوق فوربس كلير هاء”.
Materials
| Wistar rats | Charles River Laboratories | adult male, 250-350 g | |
| L-kynurenine sulfate | Sai Advantium | ||
| ReproSil-Pur C18 column (4 x 150 mm) | Dr. Maisch GmbH | ||
| EZ Clips | Stoelting Co. | 59022 | |
| Mounting materials screws | PlasticsOne | 00-96 X 1/16 | |
| Nonabsorbable Sutures | MedRep Express | 699B | CP Medical Monomid Black Nylon Sutures, 4-0, P-3, 18", BOX of 12 |
| Absorbable Sutures | Ethicon | J310H | 4-0 Coated Vicryl Violet 1X27'' SH-1 |
| Dental Cement | Stoelting Co. | 51458 | |
| Drill Bit | Stoelting Co. | 514551 | 0.45 mm |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alliance HPLC system | |||
| E2695 separation module | Waters | 176269503 | |
| 2475 fluorescence detector | Waters | 186247500 | |
| post-column reagent manager | Waters | 725000556 | |
| Lenovo computer | Waters | 668000249 | |
| Empower software | Waters | 176706100 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Passive avoidance box for rat | |||
| Extra tall MDF sound attenuating cubicle | MedAssociates | ENV-018MD | Interior: 22"W x 22"H x 16"D |
| Center channel modulator shuttle box chamber | MedAssociates | ENV-010MC | |
| Stainless steel grid floor for rat | MedAssociates | ENV-010MB-GF | |
| Auto guillotine door | MedAssociates | ENV-010B-S | |
| Quick disconnect shuttle grid floor harness for rat | MedAssociates | ENV-010MB-QD | |
| Stimulus light, 1" white lens, mounted on modular panel | MedAssociates | ENV-221M | |
| Sonalert module with volume control for rat chamber | MedAssociates | ENV-223AM | |
| SmartCtrl 8 input/16 output package | MedAssociates | DIG-716P2 | |
| 8 Channel IR control for shuttle boxes | MedAssociates | ENV-253C | |
| Infrared source and dectector array strips | MedAssociates | ENV-256 | |
| Tabletop interface cabinet, 120 V 60 Hz | MedAssociates | SG-6080C | |
| Dual range constant current aversive stimulation module | MedAssociates | ENV-410B | |
| Solid state grid floor scrambler module | MedAssociates | ENV-412 | |
| Dual A/B shock control module | MedAssociates | ENV-415 | |
| 2' 3-Pin mini-molex extension | MedAssociates | SG-216A-2 | |
| 10' Shock output cable, DB-9 M/F | MedAssociates | SG-219G-10 | |
| Shuttle shock control cable 15', 6 | MedAssociates | SG-219SA | |
| Small tabletop cabinet and power supply, 120 V 60 Hz | MedAssociates | SG-6080D | |
| PCI interface package | MedAssociates | DIG-700P2-R2 | |
| Shuttle box avoidance utility package | MedAssociates | SOF-700RA-7 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sleep-Wake Monitoring Equipment | |||
| Ponehmah software | Data Sciences International (DSI) | PNP-P3P-610 | |
| MX2 8 Source Acquisition interface | Data Sciences International (DSI) | PNM-P3P-MX204 | |
| Dell computer, Optiplex 7020, Windows 7, 64 bit | Data Sciences International (DSI) | 271-0112-013 | |
| Dell 19" computer monitor | Data Sciences International (DSI) | 271-0113-001 | |
| Receivers for plastic cages, 8x | Data Sciences International (DSI) | 272-6001-001 | |
| Cisco RV130 VPN router | Data Sciences International (DSI) | RV130 | |
| Matrix 2.0 | Data Sciences International (DSI) | 271-0119-001 | |
| Network switch | Data Sciences International (DSI) | SG200-08P | |
| Neuroscore software | Data Sciences International (DSI) | 271-0171-CFG | |
| Two biopotential channels transmitter, model TL11M2-F40-EET | Data Sciences International (DSI) | 270-0134-001 |
References
- Leklem, J. E. Quantitative aspects of tryptophan metabolism in humans and other species: a review. The American Journal of Clinical Nutrition. 24 (6), 659-672 (1971).
- Pocivavsek, A., Notarangelo, F. M., Wu, H. Q., Bruno, J. P., Schwarcz, R., Pletnikov, M. V., Waddington, J. L. Astrocytes as Pharmacological Targets in the Treatment of Schizophrenia: Focus on Kynurenic Acid. Modeling the Psychophathological Dimensions of Schizophrenia – From Molecules to Behavior. , 423-443 (2016).
- Hilmas, C., et al. The brain metabolite kynurenic acid inhibits alpha7 nicotinic receptor activity and increases non-alpha7 nicotinic receptor expression: physiopathological implications. Journal of Neuroscience. 21 (19), 7463-7473 (2001).
- Perkins, M. N., Stone, T. W. An iontophoretic investigation of the actions of convulsant kynurenines and their interaction with the endogenous excitant quinolinic acid. Brain Research. 247 (1), 184-187 (1982).
- DiNatale, B. C., et al. Kynurenic acid is a potent endogenous aryl hydrocarbon receptor ligand that synergistically induces interleukin-6 in the presence of inflammatory signaling. Toxicological Sciences. 115 (1), 89-97 (2010).
- Wang, J., et al. Kynurenic acid as a ligand for orphan G protein-coupled receptor GPR35. The Journal of Biological Chemistry. 281 (31), 22021-22028 (2006).
- Alexander, K. S., Wu, H. Q., Schwarcz, R., Bruno, J. P. Acute elevations of brain kynurenic acid impair cognitive flexibility: normalization by the alpha7 positive modulator galantamine. Psychopharmacology (Berlin). 220 (3), 627-637 (2012).
- Chess, A. C., Landers, A. M., Bucci, D. J. L-kynurenine treatment alters contextual fear conditioning and context discrimination but not cue-specific fear conditioning. Behavioural Brain Research. 201 (2), 325-331 (2009).
- Chess, A. C., Simoni, M. K., Alling, T. E., Bucci, D. J. Elevations of endogenous kynurenic acid produce spatial working memory deficits. Schizophrenia Bulletin. 33 (3), 797-804 (2007).
- Pocivavsek, A., et al. Fluctuations in endogenous kynurenic acid control hippocampal glutamate and memory. Neuropsychopharmacology. 36 (11), 2357-2367 (2011).
- Pocivavsek, A., Baratta, A. M., Mong, J. A., Viechweg, S. S. Acute Kynurenine Challenge Disrupts Sleep-Wake Architecture and Impairs Contextual Memory in Adult Rats. Sleep. 40 (11), (2017).
- Halassa, M. M., et al. Astrocytic modulation of sleep homeostasis and cognitive consequences of sleep loss. Neuron. 61 (2), 213-219 (2009).
- Erhardt, S., et al. Kynurenic acid levels are elevated in the cerebrospinal fluid of patients with schizophrenia. Neuroscience Letters. 313 (1-2), 96-98 (2001).
- Linderholm, K. R., et al. Increased levels of kynurenine and kynurenic acid in the CSF of patients with schizophrenia. Schizophrenia Bulletin. 38 (3), 426-432 (2012).
- Sathyasaikumar, K. V., et al. Impaired kynurenine pathway metabolism in the prefrontal cortex of individuals with schizophrenia. Schizophrenia Bulletin. 37 (6), 1147-1156 (2011).
- Schwarcz, R., et al. Increased cortical kynurenate content in schizophrenia. Biological Psychiatry. 50 (7), 521-530 (2001).
- Pocivavsek, A., Rowland, L. M. Basic Neuroscience Illuminates Causal Relationship Between Sleep and Memory: Translating to Schizophrenia. Schizophrenia Bulletin. 44 (1), 7-14 (2018).
- Shibata, K. Fluorimetric micro-determination of kynurenic acid, an endogenous blocker of neurotoxicity, by high-performance liquid chromatography. Journal of Chromatography. 430 (2), 376-380 (1988).
- Buzsaki, G. Memory consolidation during sleep: a neurophysiological perspective. Journal of Sleep Research. 7, 17-23 (1998).
- Graves, L. A., Heller, E. A., Pack, A. I., Abel, T. Sleep deprivation selectively impairs memory consolidation for contextual fear conditioning. Learning & Memory. 10 (3), 168-176 (2003).
- Yamashita, M., Yamamoto, T. Tryptophan circuit in fatigue: From blood to brain and cognition. Brain Research. 1675, 116-126 (2017).
