Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Introduction: During glutamate excitotoxicity, overstimulation of glutamate receptors leads to sustained elevation in cytosolic Ca2+ ([Ca2+]c), or delayed Ca2+ dysregulation (DCD), which is causally linked to cell death. There are two major hypothetical mechanisms for DCD: the continuous activation of N-methyl-D-aspartate-subtype of the ionotropic glutamate receptors (NMDAR) and the reversal of the plasmalemmal Na+/Ca2+ exchanger. However, the contribution of each of these mechanisms in DCD is not completely established. Major results: Neurons exposed to excitotoxic glutamate produced DCD, an increase in cytosolic Na+ ([Na+]c), and plasma membrane depolarization. MK801 and memantine, noncompetitive NMDAR inhibitors, added after glutamate, completely prevented DCD; however AP-5, a competitive NMDAR inhibitor, failed to do so. The NMDAR inhibitors had no effect on lowering elevated [Na+]c or on restoring plasma membrane potential, which are conditions suggesting NCXrev could be involved. In experiments inducing NCXrev, MK801 and memantine completely inhibited Ca2+ dysregulation after glutamate while AP-5 did not. Inhibition of NCXrev, either with KB-R7943 or by preventing the increase in [Na+]c, failed to avert DCD. However, NCXrev inhibition combined with NMDAR blocked by AP-5 completely prevented DCD. Overall, these data suggested that both NMDAR and NCXrev are essential for glutamate-induced DCD, and inhibition of only one mechanism is insufficient to prevent collapse of calcium homeostasis. Based on the data above, we investigated a NMDA receptor antagonist currently in clinical trials for reducing the effects of glutamate excitotoxicity, ifenprodil. Ifenprodil is an activity-dependent, NMDAR inhibitor selective for the NR2B subunit. We found that ifenprodil not only inhibited the NR2B-specific NMDAR, but also inhibited NCXrev. If ifenprodil is combined with PEAQX, a NMDAR inhibitor selective for the NR2A subunit, low concentrations of both inhibitors completely prevent DCD. Conclusion: The inhibition of a single Ca2+ influx mechanism is insufficient in preventing DCD, which requires simultaneous inhibition of both the NMDAR and NCXrev. These findings are critical for the correct interpretation of the experimental results obtained with these inhibitors and for better understanding of their neuroprotective actions.

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<p>Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal progressive neurodegenerative disease with no known cause. Despite the efforts of investigators over the past 150 years, there remains no effective cure which substantially prolongs life. Therapeutic strategies have explored all of the proposed underlying pathological pathways of the disease from increased oxidative damage to impaired axonal transport, with little to no success. In the following pages, a novel perspective will be presented outlining the preliminary investigations of a new line of research demonstrating that Sonic hedgehog (Shh) protein and its agonists have cytoprotective effects on motor neurons. To begin these investigations, initial experiments were conducted <em>in vitro</em> utilizing a mouse hippocampal cell-line (HT-22) which served as a model for transient transfection and oxidative challenge assays. The results are reported in Chapter 2. Building upon these introductory findings, further investigations were conducted exploiting the SOD1^G93A mouse model of ALS. Chapter 3 summarizes key observations pertaining to the abundance of a key cellular organelle in the sensing of Shh signalling, the primary cilium, in the spinal cord of SOD1^G93A mice. In Chapter 4, a semi-quantitative analysis of the effects of Shh and Shh agonists pre-treatment <em>in vitro </em>on primary mixed spinal cord cultures are described. Subsequent challenge with an excitotoxic NMDA treatment was also conducted, as well as an <em>in vivo</em> survival study exploring the potential therapeutic effects of chronic Shh administration on SOD1^G93A mice. The cumulative research presented here represents the very first investigation into the unique application of Shh and its agonists as potential therapeutic agents for the treatment of ALS, and our findings indicate that Shh has the potential of becoming a novel therapeutic agent for the treatment of ALS.</p> / Doctor of Philosophy (Medical Science)

La caractéristique neuropathologique majeure de la maladie de Parkinson (MP) est la perte progressive des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire (SN). Nous avons examiné si un dysfonctionnement aigu des EAATs pourrait contribuer au cercle vicieux entretenant la progression des pertes DA. Les effets du PDC, un inhibiteur substrat des EAATs, ont été analysés chez le rat. L'analyse cinétique (4-120 jours) des effets d'une seule injection intranigrale de PDC montre une perte progressive spécifique des neurones DA, avec une évolution unilatérale vers bilatérale et caudo-rostrale. Le processus dégénératif associe déplétion en glutathion et augmentation de l'activité de la γ-glutamyltranspeptidase, stress oxydatif, processus excitotoxiques, autophagie et réactivités gliales. L'antioxydant N-acétylcystéine et les antagonistes des récepteurs NMDA ifenprodil et mémantine exercent un effet neuroprotecteur. Des effets compensatoires transitoires au niveau de marqueurs de la fonction DA dans la SN et le striatum accompagnent la perte cellulaire et des dystrophies axonales. Des troubles moteurs apparaissent de façon tardive lorsque la perte neuronale ipsilatérale avoisine les 50%. Ces résultats montrent un lien fonctionnel entre dysfonctionnement des EAATs et plusieurs mécanismes pathogéniques ainsi que des caractéristiques neuropathologiques majeures de la MP, et fournissent le premier modèle progressif de la maladie induit de façon aiguë. / Parkinson's disease (PD) is characterized by the progressive degeneration of substantia nigra (SN) dopaminergic neurons. Central players in PD pathogenesis, including mitochondrial dysfunction and oxidative stress, might affect the function of excitatory amino acid transporters (EAATs). Here, we investigated whether acute EAATs dysfunction might in turn contribute to the vicious cycles sustaining the progression of dopamine neuron degeneration. PDC application on nigral slices triggered sustained glutamate-mediated excitation selectively in dopamine neurons. In vivo time-course study (4-120 days) revealed that a single intranigral PDC injection triggers progressive degeneration of exclusively dopamine neurons with unilateral to bilateral and caudorostral evolution. This degenerative process associates GSH depletion and specific increase in γ-glutamyltranspeptidase activity, oxidative stress, excitotoxicity, autophagy and glial reaction. The anti-oxidant N-acetylcysteine and the NMDA receptor antagonists ifenprodil and memantine provided significant neuroprotection Transient compensatory changes in dopamine function markers in SN and striatum accompanied cell loss and axonal dystrophy. Motor abnormalities (hypolocomotion and forelimb akinesia) showed late onset, when ipsilateral neuronal loss exceeded 50%. These findings outline a functional link between EAATs dysfunction and several PD pathogenic mechanisms and pathological hallmarks, and provide the first acutely-triggered rodent model of progressive parkinsonism.

L’excitotoxicité est un mécanisme physiopathologique majeur impliqué dans la pathogenèse de la déficience en thiamine (DT). Dans les régions cérébrales vulnérables à la DT, on observe une mort cellulaire induite par excitotoxicité dont l’origine semble être la conséquence d’une perturbation du métabolisme énergétique mitochondrial, d’une dépolarisation membranaire soutenue et d’une diminution de l’absorption du glutamate par les astrocytes suite à la diminution de l’expression des transporteurs EAAT1 et EAAT2. Il est clairement établi que le glutamate joue un rôle central dans l’excitotoxicité lors de la DT. Ainsi, la mise en évidence des mécanismes impliqués dans la diminution de l’expression des transporteurs du glutamate est essentielle à la compréhension de la physiopathologie de la DT. L’objectif de cette thèse consiste en l’étude de la régulation des transporteurs astrocytaires du glutamate et la mise au point de stratégies thérapeutiques ciblant la pathogenèse de l’excitotoxicité lors de l’encéphalopathie consécutive à la DT. Les principaux résultats de cette thèse démontrent des perturbations des transporteurs du glutamate à la fois dans des modèles animaux de DT et dans des astrocytes en culture soumis à une DT. La DT se caractérise par la perte du variant d’épissage GLT-1b codant pour un transporteur du glutamate dans le thalamus et le colliculus inférieur, les régions cérébrales affectées lors d’une DT, en l’absence de modification des niveaux d’ARNm. Ces résultats suggèrent une régulation post-transcriptionnelle de l’expression des transporteurs du glutamate en condition de DT. Les études basées sur l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des facteurs de transcription NFkB et de l’enzyme nucléaire poly(ADP)ribose polymérase-1 (PARP-1) démontrent que la régulation de l’expression du transporteur GLT-1 est sous le contrôle de voies de signalisation NFkB dépendantes de PARP-1. Cette étude démontre une augmentation de l’activation de PARP-1 et de NFkB dans les régions vulnérables chez le rat soumis à une DT et en culture d’astrocytes DT. L’inhibition pharmacologique du facteur de transcription NFkB par le PDTC induit une augmentation des niveaux d’expression de GLT-1, tandis que l’inhibition de PARP-1 par le DPQ conduit à l’inhibition de l’hyperactivation de NFkB observée lors de DT. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de régulation des transporteurs du glutamate par l’activation de PARP-1. L’accumulation de lactate est une caractéristique de la DT. Un traitement avec le milieu de culture d’astrocytes en condition de DT sur des cultures d’astrocytes naïfs induit une diminution de l’expression de GLT-1 ainsi qu’une inhibition de la capacité d’absorption du glutamate par les astrocytes naïfs. En revanche, l’administration de lactate exogène ne modifie pas le niveau d’expression protéique de GLT-1. Ainsi, des facteurs solubles autres que le lactate sont sécrétés par des astrocytes en condition de perturbation métabolique et peuvent potentiellement réguler l’activité des transporteurs du glutamate et contribuer à la pathogenèse du syncytium astroglial. En outre, la ceftriaxone, un antibiotique de la famille des β-lactamines, augmente de façon différentielle l’expression du variant-d’épissage GLT-1 dans le colliculus inférieur chez le rat DT et en culture d’astrocytes DT. Ces résultats suggèrent que la ceftriaxone peut constituer une avenue thérapeutique dans la régulation de l’activité des transporteurs du glutamate lors de DT. Pour conclure, la mort cellulaire d’origine excitotoxique lors de DT survient en conséquence d’une dysfonction mitochondriale associée à une perturbation du métabolisme énergétique cérébral. La modification de l’expression des transporteurs du gluatamate est sous le contrôle des voies de signalisation NFkB dépendantes du facteur PARP-1. De plus, l’inhibition métabolique et l’augmentation des sécrétions de lactate observées lors de DT peuvent également constituer un autre mécanisme physiopathologique expliquant la diminution d’expression des transporteurs de glutamate. Enfin, la ceftriaxone pourrait représenter une stratégie thérapeutique potentielle dans le traitement de la régulation de l’expression des transporteurs du glutamate et de la perte neuronale associés à l’excitotoxicité observée lors de DT. / Excitotoxicity has been implicated as a major pathophysiological mechanism in the pathogenesis of thiamine deficiency (TD). Excitotoxic-mediated cell death is localized in areas of focal vulnerability in TD and may occur as a consequence of impairment in mitochondrial energy metabolism, sustained cell membrane depolarization and decreased uptake of glutamate by astrocytes due to the loss of excitatory amino acid transporters, (EAAT1 and EAAT2). Over the years, a number of studies have identified glutamate as being a major contributor to excitotoxicity in the pathophysiology of TD. Thus, downregulation of astrocytic glutamate transporters resulting in excitotoxicity is a key feature of TD and understanding the regulation of these transporters is essential to understanding the pathophysiology of the disorder. The objective of the present thesis project was to examine the underlying basis of astrocytic glutamate transporter regulation during TD encephalopathy. Major findings of the studies presented in this thesis project provide evidence for glutamate transporter abnormalities in TD animal models and astrocyte cultures exposed to TD. TD results in the loss of the glutamate transporter splice variant-1b (GLT-1b) in vulnerable areas of brain, i.e. thalamus and inferior colliculus, with no significant alteration in the mRNA levels of the transporters, suggesting that glutamate transporter regulation under conditions of TD is a posttranscriptional event. Studies using a specific inhibitor of the transcription factor, Nuclear factor-kappa B (NF-κB) and a nuclear enzyme poly (ADP)ribose polymerase-1 (PARP-1) provided evidence for the regulation of GLT-1 by PARP-1 dependent NF-κB signalling pathways. The major findings of this study suggested an increase in the activation of PARP-1 and NF-κB molecule in the vulnerable areas of TD rat brain and TD astrocyte cultures. Pharmacological inhibition of NF-κB showed an increase in the levels of GLT-1, while inhibition of PARP-1 using a specific PARP-1 inhibitor, DPQ inhibited the increased activation of NF-κB that was observed during TD. Overall results of this finding provided evidence for a mechanism involving PARP-1 activation in the regulation of glutamate transporters. Given the increased lactate accumulation as a classical feature of TD, we studied the effect of soluble factors produced by astrocytes on glutamate transporter function. Treatment of naïve astrocyte cultures with TD conditioned media resulted in decreased levels of GLT-1 and inhibition of glutamate uptake capacity concomitant with a loss of mitochondrial membrane potential. Administration of exogenous lactic acid produced a similar reduction in glutamate uptake to that resulting from conditioned media. However, lactic acid treatment did not result in a change in GLT-1 protein levels. In addition, the pro-inflammatory cytokine TNF-α was shown to be increased in astrocytes treated with TD along with elevated levels of the phospho-IκB fragment, indicative of increased activation of NFκB. Inhibition of NFκB led to an amelioration of the decrease in GLT-1 that occurs in TD, along with recovery of glutamate uptake. Thus, soluble factors released from astrocytes under conditions of metabolic impairment such as lactate and TNF-α impairment appear to exert a regulatory influence on glutamate transporter function. Ceftriaxone, a β-lactam antibiotic, has the ability to differentially stimulate GLT-1b (splice-variant) expression in the inferior colliculus in TD rats and under in vitro conditions with TD astrocyte cultures. Thus, ceftriaxone may be a potential therapeutic strategy in the regulation of glutamate transporter function during TD. In summary, excitotoxic cell death in TD occurs as a consequence of mitochondrial dysfunction associated with cerebral energy impairment and abnormal glutamate transporter status. A major underlying mechanism for glutamate transporter abnormalities is mediated by PARP-1 dependent NF-κB signaling pathways. In addition, metabolic inhibition with substantial production of lactate and TNF-α may be perhaps another mechanism responsible for glutamate transporter downregulation in TD.

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Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde immer deutlicher, dass einwärts-gleichrichtende Kaliumkanäle (Kir) neben ihrer klassischen Rolle im Aufbau und der Konstanthaltung des Ruhemembranpotentials weitere zellspezifische Aufgaben erfüllen.In der vorliegenden Arbeit konnte mittels transgener Maustechnologie gezeigt werden, dass Kir4.1 früh postnatal zunächst Zellkörper-assoziiert auf Oligodendrozyten in der weißen Substanz des Rückenmarks exprimiert wird. Im weiteren Verlauf der Entwicklung kommt es zu einer Hochregulation der Proteinexpression auf perivaskulären und perineuralen astrozytären Fortsätzen in der grauen Substanz. Hier konnte die Kolokalisation von Kir4.1 und einem Wasserkanal (AQP4) auf astroglialen Endfüßen nachgewiesen werden. Das Kir4.1-Expressionsmuster im Rückenmark legt eine Rolle des Kanals in der Kaliumpufferung und möglicherweise in der Kalium-gesteuerten Volumenregulation nahe.Basierend auf den Ergebnissen der Expressionsstudie dieser Arbeit wurde die konkrete Hypothese aufgestellt, dass Kir4.1-Kanäle mittels Kontrolle des transmembranösen Kaliumtransports einen Einfluss auf die osmotische Volumenregulation von Astrozyten haben. Anhand eines Modellsystems konnte unter Verwendung konfokaler 2-Photonen-Lasermikroskopie gezeigt werden, dass die genetische Inaktivierung von Kir4.1 im Knock-Out-Mausmodell zu einer Beeinträchtigung der Wassersekretion aus astrozytären Fortsätzen mit nachfolgender Schwellung führt. Dies zeigt, dass Kir4.1-Kanäle wesentlich zur Volumenregulation in Astrozyten beitragen und dass der Kalium-sekretorische Volumenausgleich über astrogliale Endfüße vermittelt wird. Eine Beeinträchtigung von Expression oder Funktion astroglialer Kir4.1-Kanäle könnte unter pathophysiologischen Bedingungen zu einer Anschwellung von Astrozyten und Verringerung des extrazellulären Raumes beitragen.Eine mögliche pathogenetische Bedeutung von glialen Kir4.1-Kanälen bei neurodegenerativen Erkrankungen wurde anhand eines etablierten Tiermodells für die Motoneuronerkrankung Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) untersucht. Erstmals konnte eine Krankheits-assoziierte, fortschreitende Reduktion der Kir4.1-Expression im Ventralhorn des Rückenmarks im SOD1-vermittelten ALS-Mausmodell nachgewiesen werden. Die daraus resultierende extrazelluläre Akkumulation von Kalium könnte durch chronische Depolarisation der Membran der Motoneurone zu deren Tod beitragen. Diese Schlussfolgerung unterstützend konnte in einem in vitro Modellsystem gezeigt werden, dass eine erhöhte extrazelluläre Kaliumkonzentration neurotoxisch wirkt. Die differentielle Expression von Kir4.1 im Rückenmark und die daraus abgeleitete Bedeutung für die Neuron-Glia Interaktion unter physiologischen und pathophysiologischen Aspekten unterstützt die Sichtweise einer dynamischen Interaktion von neuronalen und glialen Zellen im gesunden und kranken Gewebe.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der NMDA-Rezeptorantagonisten, Memantin, MK-801, CGS und Ifenprodil auf die hypoxieinduzierte Zellschädigung an kortikalen Zellen der Ratte. Außerdem wurde der Einfluss von subtoxischen Konzentrationen von NMDA sowie von Roscovitin, einem Hemmer Cyclin-abhängiger Kinasen, auf die hypoxiebedingte Zellschädigung untersucht. Ziel dieser Arbeit war es, die neuroprotektive Wirkung dieser Substanzen zu erfassen. Zur Untersuchung der hypoxischen Schädigung wurden zwei 48-Well-Zellkulturplatten mit 15 Tage alten kortikalen Zellen der Ratte verwendet. Eine Kulturplatte wurde für vier Stunden mit HEPES(N-2-Hydroxyethylpiperazine-N’-2-Ethansulfonsäure)-Puffer (ohne Glucose) unter hypoxischen Bedingungen inkubiert. Die zweite Platte, mit glukorisiertem HEPES-Puffer, wurde für vier Stunden unter normoxischen Bedingungen inkubiert. Der HEPES-Puffer wurde nach vier Stunden entfernt, die Kulturplatten mit Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) gewaschen und mit diesem Medium für 24 Stunden unter normoxischen Bedingungen inkubiert. Anschließend wurde das Medium ent¬fernt, durch NMDA, Memantin, Roscovitin, CGS und Ifenprodil ersetzt und die Ansätze für weitere 24 Stunden unter normoxischen Bedingungen inkubiert. Zur Beurteilung der Zellschädigung wurden der Aktivitätsanstieg der Laktat-Dehydrogenase (LDH), die Freisetzung freier Sauerstoffradikale und die Steigerung der Caspase-Aktivität bestimmt. Während die Bestimmung der LDH-Aktivität und die Freisetzung der freien Sauer¬stoff¬radikale nekrotische Veränderungen der Zellen charakterisiert, zeigt eine Zunahme der Caspase-Aktivität apoptotische Vorgänge an. LDH ist ein stabiles zytoplasmatisches Enzym, das in fast allen Körperzellen vorkommt. Beim Absterben der Zelle wird das Enzym durch die Schädigung der Plasmamembran aus der Zelle freigesetzt, so dass es zu einem Anstieg der LDH-Aktivität proportional zur Anzahl der toten Zellen kommt. Diese Aktivität wurde spektrophotometrisch mit einem Mikrotiterplatten-Lesegerät bestimmt. Die Ergebnisse des LDH-Tests zeigen, dass nach der 24-stündigen Behandlung der Zellen mit MK-801 die LDH-Aktivität um 11%, bei Roscovitin um 13%, bei Memantin (5 µM) um 56%, bei Memantin (0,5 µM) um 52% und mit NMDA (5 µM) um 44% signifikant vermindert wurde. Bei einer hypoxiebedingten Schädigung kortikaler Zellen kommt es auch zur Bildung freier Sauer¬stoff¬radikale. 2’,7’-Dichlorfluorescein Diacetat (2’,7’-H2DCF-DA) wird von den Zellen auf¬ge¬nommen und intrazellulär mit Sauerstoff- und Stickstoffspezies zum Fluoreszenz¬farb-stoff 2’,7’-Dichlorodihydrofluorescein (DCF) deacetyliert. DCF verbleibt dabei in den Zellen, so dass die Messung der Fluoreszenz der Zellen als Maß für intrazelluläre Oxidationsprozesse verwendet werden kann. Die DCF-Fluoreszenz-Änderung wurde mittels eines Fluorimeters gemessen und die daraus resultierenden Daten mit einer im Fluorimeter integrierten Software bearbeitet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Freisetzung der freien Sauerstoffradikale, der hypoxiegeschädigten Zellen, signifikant durch Ifenprodil (10 µM) um 119%, Memantin (50 µM) um 88% und NMDA (5 µM) um 134% reduziert wurde. Die hypoxieinduzierte Zellmembranschädigung führt desweiteren zu einem Anstieg der Caspase-Aktivität. Mit Hilfe des Apo-One Homogeneous Caspase-3/7-Assays (Promega) wurde die Aktivität der Caspasen 3 und 7 fluorimetrisch bestimmt. Um die unterschiedliche Zelldichte in den Kulturschalen zu berücksichtigen, wurde eine Proteinbestimmung nach der Bicinchoninsäure-Methode (Smith et al. 1985) durchgeführt. Einen protektiven Effekt auf die Zellschädigung zeigen Memantin und NMDA in Bezug auf die Beeinflussung dieser Caspase-Aktivität. Der hypoxiebedingte Anstieg der Caspase-3-Aktivität konnte nach 24-stündiger Inkubation mit Memantin (5 µM) um 24%, mit Memantin (0,5 µM) um 28% und mit NMDA (5 µM) um 24% vermindert werden. CGS hat in diesen Versuchen keinen protektiven Einfluss auf die hypoxie¬induzierte Zellschädigung. Diese Arbeit zeigt, dass die Applikation niedriger NMDA-Konzentrationen neuroprotektive Effekte auf die Entwicklung der hypoxischen Schädigung von kortikalen Zellen der Ratte hat. Darüber hinaus wird vermutet, dass NMDA sogar einen trophischen Effekt auf das Über-leben der kortikalen Neurone ausübt. Dieser schützende Mechanismus von NMDA scheint denselben, wenn nicht sogar einen größeren protektiven Effekt wie Memantin zu induzieren. Um die Therapiemöglichkeiten der zerebralen Hypoxie durch neuroprotektive Medikamente zu optimieren, wären jedoch weitergehende Untersuchungen besonders als In-vivo-Modelle wünschenswert.

<div>Glutamate is the principal excitatory neurotransmitter in the central nervous system. As one of the most abundant neurotransmitters, glutamate plays an essential role in many processes of the central nervous system and beyond. As a result, any disruption that causes an abnormal glutamate level can significantly impact the central nervous system's neurological functions. Glutamate excitotoxicity is a neuropathology that persists in many neurodegenerative disorders such as Parkinson's and Alzheimer's disease as well as in the traumatic brain and spinal cord injuries. Thus, the ability to obtain precise information about the extracellular glutamate level in the living brain and spinal cord tissue may provide new insights into the fundamental understanding of glutamate in neurological disorders and neurophysiological phenomena.</div><div><br></div><div>Conventional bioanalytical techniques that characterize glutamate levels <i>in vivo</i> have a low spatiotemporal resolution that has impeded our understanding of this dynamic event. The electrochemical sensor has emerged as a promising solution that can satisfy the requirement for highly reliable and continuous monitoring methods with an excellent spatiotemporal resolution for the characterization of extracellular glutamate concentration. In this thesis, I present various amperometric biosensors fabricated using a simple direct ink writing technique for<i> ex vivo </i>and <i>in vivo</i> glutamate monitoring.</div><div><br></div><div>The amperometric biosensor is fabricated by immobilizing glutamate oxidase on nanocomposite electrodes made of platinum nanoparticles, multiwalled carbon nanotubes, and a conductive polymer. The biosensors demonstrate good sensitivity and selectivity that can be inserted into a spinal cord and measure extracellular glutamate concentration. Additionally, another type of glutamate biosensor is fabricated from commercially available activated carbon with platinum microparticles. We utilize astrocyte cell culture to demonstrate our biosensor's ability to monitor the glutamate uptake process. We also present a direct measurement of glutamate release from optogenetic stimulation in mouse primary visual cortex brain slides. </div><div><br></div><div>Moreover, we explore a new type of material, perovskite nickelate-Nafion heterostructure, to fabricate biosensors and measure glutamate inside the mouse brain. Finally, by utilizing the nanocomposite ink and direct ink writing technique, we also fabricate the gold-ruthenium non-enzymatic glucose biosensor. We apply a modified Butler-Volmer non-linear model to evaluate the impact of geometrical and chemical design parameters of non-enzymatic biosensor performance. </div><div><br></div>

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Glutamate clearance by astrocytes is an essential part of physiological excitatory neurotransmission. Failure to adapt or maintain low levels of glutamate in the central nervous system is associated with multiple acute and chronic neurodegenerative diseases. The primary excitatory amino acid transporters (EAATs) in human astrocytes are EAAT1 and EAAT2 (GLAST and GLT-1 respectively in rodents). While the inhibition of a ubiquitously-expressed serine/threonine protein kinase, the calcium/calmodulindependent kinase (CaMKII) results in diminished glutamate uptake in cultured primary rodent astrocytes, the molecular mechanism underlying this regulation is unknown. In order to delineate this mechanism, we use a heterologous expression model to explore CaMKII regulation of EAAT1 and EAAT2. In transiently transfected HEK293T cells, pharmacological inhibition of CaMKII and overexpression of a dominant-negative version of CaMKII (Asp136Asn) reduces [3H]-glutamate uptake by EAAT1, without altering EAAT2 mediated glutamate uptake. Surprisingly, overexpression of a constitutively active autophosphorylation mutant (Thr287Asp) to increase autonomous CaMKII activity and a mutant incapable of autophosphorylation (Thr287Val) had no effect on either EAAT1 or EAAT2 mediated glutamate uptake. Pulldown of FLAGtagged glutamate transporters suggests CaMKII does not interact with EAAT1 or EAAT2. SPOTS peptide arrays and recombinant GST-fusion proteins of the intracellular N- and C-termini of EAAT1 identified two potential phosphorylation sites at residues Thr26 and Thr37 in the N-terminus. Introducing an Ala (a non-phospho mimetic) but not an Asp (phosphomimetic) at Thr37 diminished EAAT1-mediated glutamate uptake, suggesting that the phosphorylation state of this residue is important for constitutive EAAT1 function. In sum, this is the first report of a glutamate transporter being identified as a direct CaMKII substrate. These findings indicate that CaMKII signaling is a critical driver of homeostatic glutamate uptake by EAAT1. Aberrations in basal CaMKII activity disrupt glutamate uptake, which can perpetuate glutamate-mediated excitotoxicity and result in cellular death.