In isolated skeletal muscle arterioles, increasing transmural pressure causes an increase in constriction. This active myogenic response varies with age and fiber type. Increased transmural pressure activates both Ca2+-activated (KCa) potassium channels and voltage-dependent (Kv) potassium channels; these channels have a role in the negativefeedback pathways that modulate depolarization and myogenic constriction. We tested the hypothesis that increased KCa channel and Kv channel activity contribute to reduced myogenic responsiveness in skeletal muscle arterioles of aged rats. 1A arterioles were isolated from soleus, an oxidative muscle, and superficial gastrocnemius, a glycolytic muscle, of young (4 mos) and aged (24 mos) Fischer 344 rats. Myogenic responses were assessed by increasing intraluminal pressure (0-140 cm H2O) in increments of 20cm H2O. Vasoconstrictor response were determined in response to increasing concentrations of the KCa channel blocker, charybdotoxin (CTX; 10-10 to 10-7 M) and the Kv channel blocker, 4-Aminopyridine (4-AP; 10-5 to 10-2 M). To determine the role of potassium channels in modulating the myogenic response, cannulated arterioles from soleus and gastrocnemius were incubated with CTX (50 nM) and 4-AP (5mM) for 15 minutes prior to evaluation of the myogenic response. Increased Kv channel activity contributes to reduced myogenic constriction in soleus and gastrocnemius muscle arterioles from aged rats. In soleus muscle arterioles, KCa channel activity opposes myogenic tone in young but not old rats. In gastrocnemius muscle arterioles, treatment with CTX did not eliminate age-related differences in the myogenic response, and the KCa channel contribution to myogenic tone was, in fact, greater arterioles from young as compared to old rats. Kv channels contribute to greater myogenic constriction in soleus arterioles, KCa channels appear to be more active in gastrocnemius muscle arterioles as compared to soleus muscle arterioles. Therefore Kv and KCa channels are tonically active in skeletal muscle arterioles, contributing to a hyperpolarizing force that opposes myogenic constriction. Furthermore, increased Kv channel activity contributes to the age-related reduction of myogenic constriction in soleus and gastrocnemius muscle arterioles.

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En el presente trabajo, utilizamos técnicas de microfabricación, simulaciones numéricas, experimentos de electrofisiología para explorar la viabilidad en me- jorar la interface ordenador-neurona a través de microcanales, y la biofísica para la generación de señales en los dispositivos con microcanales. También demos- tramos que los microcanales pueden ser usados como una técnica prometedora con alto rendimiento en el muestreo automático de canales iónicos a nivel subce- lular. Finalmente, se ha diseñado, fabricado y probado el micropozo-microcanal como modificación adicional a los arreglos de multielectrodos, permitiendo una alta ganancia en la relación señal/ ruido (en inglés Signal to Noise Ratio SNR), y el registro de múltiples-lugares en poblaciones de baja densidad de redes neu- ronales del hipocampo in vitro. Primero, demostramos que son de alto rendimiento los microcanales de bajo costo con interface neurona-electrodo, para el registro extracelular de la activi- dad neuronal con baja complexidad, por periodos estables de larga duración y con alta ganancia SNR. En seguida, se realiza un estudio mediante experimentos y simulaciones nu- méricas de la biofísica para la generación de las señales obtenidas de los dispositi- vos con microcanales. Basados en los resultados, racionalizamos y demostramos como es que la longitud del canal (siendo 200 μm) y la sección transversal del microcanal (siendo 12 μm2) canaliza a los potenciales de acción para estar dentro del rango de milivolts. A pesar del bajo grado de complexidad envuelto en la fabricación y aplicación, los dispositivos con microcanales otorgan una sola media de valor SNR de 101 76, lo cual es favorablemente comparable con la SNR que se obtiene de desarrollos recientes que emplean electrodos curados con CNT y Si-NWFETs. Más aún, nosotros demostramos que el microcanal es una técnica promete- dora para el alto rendimiento del muestro automático de canales iónicos a nivel subcelular: (1) Información experimental y simulaciones numéricas sugieren que las señales registradas sólo afectan los parches membranales localizados dentro del microcanal o alrededor de 100 μm de las entradas del microcanal. (2) La transferencia de masa de los componentes químicos en los microcanales fue ana- lizada por experimentos y simulaciones FEM. Los resultados muestran que los microcanales que contienen glía y tejido neuronal pueden funcionar como barre- ra de fluido/química. Los componentes químicos pueden ser solamente aplicados a diferentes compartimentos a nivel subcelular. Finalmente, basado en simulaciones numéricas y resultados experimentales, se propone que del micropozo-microcanal, obtenido de la modificación de MEA (MWMC-MEA), la longitud óptima del canal debe ser 0,3 mm y la posición 1 óptima del electrodo intracanal, hacia la entrada más cercana del microcanal, debe ser 0,1 mm. Nosotros fabricamos un prototipo de MWMC-MEA, cuyo hoyo pasante sobre las películas de Polydimethylsiloxane (PDMS) fue microtrabajado a través de la técnica de grabados reactivos de plasma de iones. La baja densidad del cultivo (57 neuronas /mm2) en el MWMC-MEAs permitió que las neuronas vivieran al menos 14 días, con lo que la señal neuronal con la máxima SNR obtenida fue de 142. 2 / In this present work, we used microfabrication techniques, numerical simulations, electrophysiological experiments to explore the feasibility of enhancing neuron-computer interfaces with microchannels and the biophysics of the signal generation in microchannel devices. We also demonstrate the microchannel can be used as a promising technique for high-throughput automatic ion-channel screening at subcellular level. Finally, a microwell-microchannel enhanced multielectrode array allowing high signal-to-noise ratio (SNR), multi-site recording from the low-density hippocampal neural network in vitro was designed, fabricated and tested. First, we demonstrate using microchannels as a low-cost neuron-electrode interface to support low-complexity, long-term-stable, high SNR extracellular recording of neural activity, with high-throughput potential. Next, the biophysics of the signal generation of microchannel devices was studied by experiments and numerical simulations. Based on the results, we demonstrate and rationalize how channels with a length of 200 μm and channel cross section of 12 μm2 yielded spike sizes in the millivolt range. Despite the low degree of complexity involved in their fabrication and use, microchannel devices provided a single-unit mean SNR of 101 76, which compares favourably with the SNR obtained from recent developments employing CNT-coated electrodes and Si-NWFETs. Moreover, we further demonstrate that the microchannel is a promising technique for high-throughput automatic ion-channel screening at subcellular level: (1) Experimental data and numerical simulations suggest that the recorded signals are only affected by the membrane patches located inside the microchannel or within 100 μm to the microchannel entrances. (2) The mass transfer of chemical compounds in microchannels was analyzed by experiments and FEM simulations. The results show that the microchannel threaded by glial and neural tissue can function as fluid/chemical barrier. Thus chemical compounds can be applied to different subcellular compartments exclusively. Finally, a microwell-microchannel enhanced MEA (MWMC-MEA), with the optimal channel length of 0.3 mm and the optimal intrachannel electrode position of 0.1 mm to the nearest channel entrance, was proposed based on numerical simulation and experiment results. We fabricated a prototype of the MWMCMEA, whose through-hole feature of Polydimethylsiloxane film (PDMS) was micromachined by reactive-ion etching. The low-density culture (57 neurons/mm2) were survived on the MWMC-MEAs for at least 14 days, from which the neuronal signal with the maximum SNR of 142 was obtained.

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:54:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo6489_1.pdf: 1208262 bytes, checksum: c1b40f981f11c014c773e3922d544d81 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A caracterização de canais iônicos em células tronco é importante pelo fato destas estruturas atuarem no controle da proliferação e diferenciação destas células. Há poucos trabalhos focados nos canais iônicos presentes nas membranas plasmáticas das células tronco e nenhum deles trata das células tronco mesenquimais da geléia de Wharton do cordão umbilical humano (whMSC). O cordão umbilical é uma fonte importante de células tronco para tão esperada terapia celular. Estes fatos motivaram o estudo dos canais iônicos das whMSC como objetivo maior do presente trabalho. Foi utilizada a técnica de patch-clamp na configuração whole-cell e a atuação de inibidores específicos para identificar os canais iônicos presentes nas whMSC. Os inibidores escolhidos foram: tetraetilamonio (TEA) e 4-aminopiridina (4-AP) como inibidores de canais de potássio dependentes de voltagem e de Ca2+, Glibenclamida (GB) um inibidor de canais de potássio dependentes de ATP, canais aniônicos dependentes de volume celular e CFTR e 5-nitro-2-(3-phenylpropylamino) ácido benzóico (NPPB) um potente bloqueador dos canais de cloreto, mas que também é capaz de bloquear os canais de potássio dependentes de Ca2+ de condutância intermediária. Os resultados mostraram que as correntes iônicas ativadas por voltagem das whMSC podem ser bloqueadas consideravelmente por TEA (10 mM), 4-AP (5 mM) e NPPB (100 μM) indicando a presença dos canais de K+ dependentes de voltagem e de Ca2+ e de canais de Cl- dependentes de voltagem conforme descrito para células tronco de outras origens. Utilizando GB (100 μM) observamos um aumento (estimulação) significativo da corrente. Este é um resultado inédito, pois estudos anteriores demonstram que o GB atua inibindo a corrente iônica transmembrana. Em todos os casos, com todos os inibidores testados, os efeitos foram reversíveis. Estes resultados demonstram que as membranas citoplasmáticas das whMSC possuem canais de K+ dependentes de voltagem e de Ca2+ e canais de Cl- dependentes de voltagem. O surpreendente efeito da glibenclamida indica a presença de canais iônicos desconhecidos nas membranas das whMSC

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l’Université de Montréal / Les canaux ioniques présents dans la membrane des cellules musculaires lisses vasculaires, et surtout des cellules retrouvées au niveau des artères de résistance, jouent des rôles prépondérants dans le contrôle du potentiel membranaire et de la contractilité vasculaire. Nos deux études ont porté sur l) les propriétés biophysiques et pharmacologiques des canaux potassiques (K+) et 2) les propriétés fonctionnelles des canaux perméables au chlore (Cl') dans la régulation de l'activité électromécanique des cellules artérielles. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons le mécanisme de l'interaction entre la 4-aminopyridine et un courant K+ sortant à rectification retardée (Kdr) dans des cellules d'artères coronaires de conductance de lapin. Parmi les multiples canaux K identifies au niveau des cellules musculaires lisses vasculaires, Kdr joue un rôle majeur dans le maintien du potentiel membranaire de repos entre -70 et -40 mV. La 4-aminopyridine (4- AP) est un inhibiteur relativement spécifique du canal Kdr et a été utilisée abondamment pour caractériser ses propriétés biophysiques et son rôle physiologique. Malgré son usage répandu, on ne connaît pas la nature de l'interaction entre la 4-AP et le canal Kdr concernant les canaux Kdr, nous estimons que le canal Kdr coronaire est possiblement un hétéro-multimère de plusieurs sous-unités fonctionnelles a et modulatrices P. Le but de notre deuxième étude a été d'évaluer le rôle des canaux Cl' dans la contraction vasculaire induite par la stimulation des récepteurs αi-adrénergiques, et de mesurer l'influence de changements de la pression transmurale sur cette réponse. Malgré l'importance des canaux calciques de type L (CaL) dans la contraction vasculaire, des études récentes suggèrent que deux canaux perméables au Cl' dépendants du Ca2+ intracellulaire (CICa) ou sensibles aux changements de volume (Clvol) sont impliqués, respectivement, dans la dépolarisation et contraction engendrées par certains agonistes vasoconstricteurs ou lors d'une élévation de la pression transmurale ("réponse myogénique"), propriété à laquelle on attribue un rôle important dans les mécanismes d'autorégulation dans plusieurs lits vasculaires. En condition isobarique, nous avons évalué le rôle des canaux Cl' dans les réponses αi-adrénergique (stimulée par la phényléphrine - PE) et myogénique des artérioles (70 -100 pm diamètre interne) mésentériques de lapin. Nos observations nous ont permis de tirer les conclusions suivantes. i) La PE cause une vasoconstriction liée à l'activation des canaux CICaet CaL. ii) L'acide niflumique (NfA) ou le 4,4'-diisothiocyanatostilbene-2,2'-disulfonic acid (DIDS) ne modifie pas la contraction induite par l'activation des canaux CaL. iii) La dilatation induite par l'inhibition de dca par la NfA est dépendante de la pression pour des concentrations faibles et modérées (0.5 à 1 µM) de l'agoniste PE. iv) L'étirement de la paroi causée par une hausse de la pression transmurale active possiblement un courant sensible au DIDS qui "masque" en partie la vasoconstriction induite par la PE attribuée à l'activité des canaux CICa. v) La dépolarisation induite par la PE est renversée complètement par la NfA. vi) Le courant sensible au DIDS contribue à la réponse myogénique. Ces travaux mettent donc en évidence l'importance physiologique des canaux Cl' dans la dépolarisation et la contraction de la microcirculation mésentérique associées à la stimulation par le système nerveux autonome sympathique dans des conditions normales de pression transmurale.