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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les anomalies de l'activité des transporteurs d'ions et de l'expression des protéines de choc thermique (HSPs) ont été décrites dans les reins d'animaux hypertendus. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux co-transporteurs Na, K+, Cl- et Na, Pi. Les isoformes NKCC 1 et NKCC2 du co-transporteur Na, K+, Cl- sont inhibées par des diurétiques tels que le furosémide et le bumétanide et sont impliquées dans la sécrétion et la réabsorption transépithéliale du sodium et de l'eau. L'implication de l'isoforme NKCC 1 a aussi été démontrée dans la régulation du volume cellulaire, ainsi que dans la progression du cycle cellulaire et dans la prolifération. Le co-transporteur Na, Pi de type II joue un rôle majeur dans la réabsorption du phosphate par le tubule proximal, ainsi que dans la régulation des concentrations plasmatiques du phosphate inorganique et du Ca2+. La régulation de ces transporteurs est spécifique à chaque tissu et à chaque segment des tubules rénaux. Puisqu'il est connu que les HSPs sont impliquées dans la protection de certaines fonctions du transport transépithélial dans les tubules rénaux de poisson, notre hypothèse était que les HSPs modulent la régulation des transporteurs rénaux d'ions connus pour leur activité anormale dans l'hypertension artérielle. Toutefois, aucune étude n'avait évalué l'implication des HSPs dans la régulation des transporteurs d'ions dans des cellules d'épithélium rénal de mammifère. De plus, les HSPs peuvent jouer un rôle non seulement dans la modulation de l'activité basale des transporteurs d'ions, mais aussi dans leur régulation. Encore une fois, il n'existait aucune donnée sur ce sujet. Pour cette thèse de doctorat, nous avons donc choisi d'étudier un modèle physiologique d'épithélium rénal avant d'entreprendre des études sur un modèle pathologique tel que l'hypertension artérielle. Le but de nos travaux de recherche était d'examiner les voies de signalisation impliquées dans la régulation de différents transporteurs d'ions dans des cellules d'épithélium rénal de mammifère, ainsi que la modulation de ces transporteurs par le stress thermique et les HSPs. Nous avons choisi comme modèle d'épithélium rénal les cellules "Madin-Darby canine kidney" (MDCK) puisque cette lignée cellulaire a conservé, in vitro, plusieurs propriétés de l'épithélium rénal in vivo, dont le transport vectoriel et la régulation hormonale. De plus, des protéines de choc thermique HSPs peuvent être induites dans cette lignée. L'activité des transporteurs d'ions a été évaluée à l'aide d'isotopes radioactifs. L'effet des stress thermiques modéré et sévère, ainsi que du stress hyperosmotique, a été évalué. L'accumulation de l'ARN messager et l'expression des protéines HSP70 et HSP27 ont été étudiées par buvardages de type northern et western. Dans des études complémentaires, nous avons aussi mesuré les concentrations intracellulaires de Na, de K+, et de Cl- à l'aide d'isotopes radioactifs; les concentrations intracellulaires de Ca2+ à l'aide du fluo-3; la production d'inositol triphosphate par la mesure du composé marqué myo-[2-31P]-inositol et la phosphorylation de la protéine kinase activée par les mitogènes (MAPK) par immuno-buvardage de lysats cellulaires avec les anticorps anti-phospho ERK. Nous avons démontré que, dans les cellules MDCK, la régulation du co-transporteur Na, K+, Cl- s'effectue principalement via des voies de signalisation impliquant les isoformes de la protéine kinase C sensibles au 4β-phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) et via l'activation des purinocepteurs-P2X et/ou P2Y. Nous avons aussi démontré qu'aucun mécanisme connu de la signalisation induite par l'ATP n'est impliqué dans l'inhibition du co-transporteur Na, K+, Cl- par les purinocepteurs-P2X. Nos résultats suggèrent la présence d'une nouvelle voie de signalisation induite par les purinocepteurs-P2X. Le co-transporteur Na, Pi est aussi régulé par le PMA et par l'ATP. L'activation des purinocepteurs-P2 par l'ATP, ainsi que l'activation de la protéine kinase C par le PMA, diminuent de façon importante l'activité des co-transporteurs Na, K+, Cl- et Na, Pi. L'activité basale des co-transporteurs Na, K+, Cl- et Na, Pi est indépendante de la production des HSPs induites par le stress thermique. Nous avons observé que le stress thermique sévère augmente l'activité basale des co-transporteurs Na, K+, Cl- et Na, Pi et abolit complètement la régulation de ces transporteurs par le PMA, sans modifier significativement celle obtenue par l'activation des purinocepteurs-P2. La production de HSP70 induite par le stress thermique modéré n'empêche pas l'activation des co-transporteurs Na, K+, Cl- et Na, Pi à la suite d'un stress thermique sévère ni leur inhibition par les purinocepteurs-P2. En conclusion, dans les cellules MDCK, les purinocepteurs-P2 et les isoformes de la protéine kinase C sensibles au PMA sont impliqués dans la régulation de l'activité des co-transporteurs Na, K+, Cl- et Na, Pi par des mécanismes différents, l'un insensible et l'autre sensible au stress thermique, respectivement. Mais cette régulation est indépendante de l'induction des HSP70 et HSP27. De plus, la régulation du co-transporteur Na, K+, Cl- par les purinocepteurs-P2 ne se fait pas par les mécanismes connus de la signalisation induite par l'ATP. Compte tenu de l'importance relative des membranes apicale et basolatérale pour la fonction de plusieurs transporteurs rénaux d'ions, dont les co-transporteurs Na, K+, Cl- et Na, Pi, des travaux sur le rôle des HSPs dans la régulation de ces transporteurs dans des cellules d'épithélium rénal cultivées sur un support perméable méritent d'être entrepris.

La grossesse s’accompagne d’importantes modifications hormonales et hémodynamiques. Parmi celles-ci, le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) est activé très tôt durant la grossesse. De plus, cette augmentation du SRAA est accompagnée d’élévations du débit cardiaque et du volume plasmatique ainsi que des baisses paradoxales de la pression artérielle et de la résistance vasculaire périphérique. Ceci suggère que la grossesse induit un remaniement des réponses physiologiques normales au SRAA. Une résistance vasculaire à l’action des vasopresseurs est également observée durant la gestation. Ce phénomène serait causé par la modification de la fonction des canaux calciques et potassiques. De plus, il serait possiblement dû à la participation de la Na+/K+-ATPase, par son influence sur le potentiel membranaire des cellules des muscles lisses vasculaires (VSMC). La présence des récepteurs minéralocorticoïdes (MR) dans les VSMC laisse croire que l’aldostérone peut influencer le tonus vasculaire par des effets génomiques et non-génomiques. Compte tenu des connaissances actuelles, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation des taux sériques d’aldostérone durant la grossesse est responsable des changements hémodynamiques observés et que ces effets sont causés par l’activation des MR. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate de potassium (20 mg/kg•jr), un antagoniste des MR, durant la dernière semaine de gestation (sur 3). Sur des anneaux aortiques dénudés de leur endothélium, nous avons mesuré les réponses contractiles à la phényléphrine (PhE) et au KCl en présence d’un bloqueur des canaux calciques dépendants du voltage (VDCC), la nifédipine, et d’activateurs des canaux potassiques à large conductance (BKCa) et ceux dépendants de l’ATP (KATP), respectivement le NS-1619 et la cromakalim. Les réponses à la PhE et au KCl sont réduites à partir du 17e jour de gestation et le traitement au canrénoate augmente ces réponses dans tous les groupes. Les modulateurs de canaux ioniques atténuent les réponses à la PhE et au KCl. Cependant, le canrénoate modifie aussi les effets des modulateurs sur les aortes. Aucun effet ou une baisse des réponses est observable chez les rates non gestantes, tandis qu’une hausse de leur effet inhibiteur est notée chez les rates gestantes. Ces effets du canrénoate font croire que l’aldostérone participe à l’adaptation de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Par ailleurs, le potentiel membranaire des VSMC pourrait être affecté dans la gestation. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons évalué l’activité de la Na+/K+-ATPase, impliquée dans le contrôle du potentiel membranaire. Nos résultats démontrent que l’activité de la pompe est inhibée à partir du 19e jour de gestation. Cet effet est renversé par le canrénoate. Toutefois, comme le renversement de l’inhibition de la pompe est également présent chez les rates gestantes traitées avec du PST 2238, un antagoniste de l’ouabaïne sur la Na+/K+-ATPase, et que le canrénoate agit également comme agoniste partiel de la pompe, nous croyons que la diminution d’activité associée à la gestation est liée à une inhibition de la Na+/K+-ATPase par des stéroïdes cardiotoniques plutôt qu’à un effet des minéralocorticoïdes. L’augmention d’activité de la pompe liée au canrénoate s’accompagne d’une diminution de l’expression de la sous-unité α1, suggérant que la sous-unité α2 est responsable des variations de contractilité de l’aorte, puisque son expression n’est pas modifiée par le canrénoate. Les effets de la diminution de l’expression de la sous-unité α1, influencée par la signalisation du MR, restent à être déterminés. Néanmoins, nos résultats montrent que les modifications d’activité de la Na+/K+-ATPase influencent l’activité des canaux potassiques et que la pompe pourraient être un des éléments primordiaux dans le contrôle de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Comme le canrénoate modifie la réactivité vasculaire, nous voulions déterminer ses impacts sur la pression artérielle. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate (20 ou 60 mg/kg•jr) et les paramètres hémodynamiques ont été évalués par radiotélémétrie. Aucune modification de la pression artérielle, du rythme cardiaque et de la pression pulsée ne sont mesurées chez les rates recevant le traitement. Toutefois, des augmentations de l’osmolalité, des taux sériques d’aldostérone et de corticostérone ainsi que de l’activité rénine plasmatique sont observées chez les animaux recevant 60 mg/kg•jr. Le canrénoate bloque donc le rétrocontrôle du SRAA. Par contre, les MR ne sont pas les principaux responsables du contrôle de la pression artérielle durant la grossesse. En conclusion, nous avons démontré que le traitement des rates au canrénoate influence la réactivité vasculaire de l’aorte durant la gestation. Cet effet est causé par la modification de l’activité de certains canaux ioniques (VDCC, BKCa et KATP). De plus, le canrénoate renverse l’inhibition de la Na+/K+-ATPase observée durant la gestation. Finalement, les actions locales de cet antagoniste des MR sur les vaisseaux sanguins ne se répercutent pas sur l’effet systémique global et aucune modification de la pression artérielle n’est observée. D’autres études seront toutefois nécessaires pour déterminer les voies de signalisation par lesquelles l’aldostérone module les réponses des canaux ioniques dans les VSMC. / Pregnancy is accompanied by important hormonal and hemodynamic modifications. Among them, the renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS) is activated early during pregnancy. Furthermore, this increase of RAAS is accompanied by raises of cardiac output and blood volume as well as paradoxal decreases in blood pressure and peripheral vascular resistance. These suggest that pregnancy induces reorganization of the normal physiological responses to RAAS. In addition, a decreased vascular reactivity to vasoconstrictive agents is observed during pregnancy. Modifications of calcium and potassium channels function would be implicated in this phenomenon. Furthermore, an implication of the Na+/K+-ATPase is suspected, through its influence on the membrane potential of vascular smooth muscle cells (VSMC). Aldosterone, through the presence of mineralocorticoid receptors (MR) in VSMC, could control vascular tone by its genomic and non-genomic effects. With our knowledge at this time, we submit the hypothesis that the increased serum aldosterone levels of pregnancy are responsible for the hemodynamic changes associated with pregnancy and that these effects are caused by the activation of MR. Pregnant rats were treated with potassium canrenoate (20 mg/kg•d), a MR antagonist, during the last week of pregnancy (out of 3 weeks). Vascular reactivity of endothelium-denuded aortic rings was measured. Contractile responses to phenylephrine (PhE) and KCl were studied in the presence of a voltage-dependent calcium channel (VDCC) blocker, nifedipine, as well as calcium-actived (BKCa) and ATP-dependent (KATP) potassium channels activators, NS-1619 and cromakalim respectively. Vascular responses to PhE and KCl were reduced as of the 17th day of gestation. Canrenoate increased the responses to both agonists in the aortas of all the groups. Ionic channel modulators reduced the contractile responses to PhE and KCl. However, canrenoate also modified the responses to the modulators. In the aortas of non pregnant rats, no effect or a decrease of their inhibitory effect were observed while with the pregnant rats we noticed an increased effect. These results suggest that aldosterone could be implicated in the adaptation of vascular responses to pregnancy. On the other hand, VSMC membrane potential could be affected during pregnancy. To verify this hypothesis, Na+/K+-ATPase activity was evaluated since it is implicated in its control. Our results demonstrated that the pump is inhibited as of the 19th day of pregnancy. This effect was reversed by canrenoate. However, since the reversal of the inhibition of the pump was also present in pregnant rats treated with PST 2238, an ouabain antagonist on the Na+/K+-ATPase, and because canrenoate can also act as a partial agonist of the pump, we believe that the decreased activity associated with pregnancy is linked to the inhibition of the Na+/K+-ATPase by cardiotonic steroids rather than the effect of mineralocorticoids. The increased activity of the pump by canrenoate is linked with a decreased of the α1 subunit expression. This suggests that the α2 subunit of the pump would be responsible for the variations of aortic contractility since its expression is not modified by canrénoate. The effects of the diminished expression of the α1 subunit, influenced by the MR signalization, still need to be determined. Nevertheless, our results showed that modifications of Na+/K+-ATPase activity had an impact on the activity of potassium channels and that the pump could be one of the principal elements implicated in the control of vascular reactivity during pregnancy. Since canrenoate modified vascular reactivity, we wanted to determine its impact on blood pressure. Pregnant rats were treated with canrenoate (20 or 60 mg/kg•d) and hemodynamic functions were determined by radiotelemetry. No modification was observed in blood pressure, cardiac output and pulse pressure among the treated rats. However, increases in osmolality, aldosterone and corticosterone levels as well as plasma renin activity were observed in the animal receiving the 60 mg/kg•d canrénoate. Thus, canrenoate blocks the negative feedback of the RAAS. However, MR are not the principal element responsible for the control of blood pressure during pregnancy. In conclusion, we have demonstrated that canrenoate affects aortic vascular reactivity during pregnancy. This effect is perpetuated by modifying the activity of certain ionic channels (VDCC, BKCa and KATP). Furthermore, canrenoate is able to reverse the inhibition of the Na+/K+-ATPase observed during pregnancy. Finally, the local actions of this MR antagonist on blood vessels are not reflected by the global systemic effect and no modification of the blood pressure was observed. Other studies will be necessary to determine the signaling pathways by which aldosterone modulate ionic channel responses in VSMC.

La grossesse s’accompagne d’importantes modifications hormonales et hémodynamiques. Parmi celles-ci, le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) est activé très tôt durant la grossesse. De plus, cette augmentation du SRAA est accompagnée d’élévations du débit cardiaque et du volume plasmatique ainsi que des baisses paradoxales de la pression artérielle et de la résistance vasculaire périphérique. Ceci suggère que la grossesse induit un remaniement des réponses physiologiques normales au SRAA. Une résistance vasculaire à l’action des vasopresseurs est également observée durant la gestation. Ce phénomène serait causé par la modification de la fonction des canaux calciques et potassiques. De plus, il serait possiblement dû à la participation de la Na+/K+-ATPase, par son influence sur le potentiel membranaire des cellules des muscles lisses vasculaires (VSMC). La présence des récepteurs minéralocorticoïdes (MR) dans les VSMC laisse croire que l’aldostérone peut influencer le tonus vasculaire par des effets génomiques et non-génomiques. Compte tenu des connaissances actuelles, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation des taux sériques d’aldostérone durant la grossesse est responsable des changements hémodynamiques observés et que ces effets sont causés par l’activation des MR. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate de potassium (20 mg/kg•jr), un antagoniste des MR, durant la dernière semaine de gestation (sur 3). Sur des anneaux aortiques dénudés de leur endothélium, nous avons mesuré les réponses contractiles à la phényléphrine (PhE) et au KCl en présence d’un bloqueur des canaux calciques dépendants du voltage (VDCC), la nifédipine, et d’activateurs des canaux potassiques à large conductance (BKCa) et ceux dépendants de l’ATP (KATP), respectivement le NS-1619 et la cromakalim. Les réponses à la PhE et au KCl sont réduites à partir du 17e jour de gestation et le traitement au canrénoate augmente ces réponses dans tous les groupes. Les modulateurs de canaux ioniques atténuent les réponses à la PhE et au KCl. Cependant, le canrénoate modifie aussi les effets des modulateurs sur les aortes. Aucun effet ou une baisse des réponses est observable chez les rates non gestantes, tandis qu’une hausse de leur effet inhibiteur est notée chez les rates gestantes. Ces effets du canrénoate font croire que l’aldostérone participe à l’adaptation de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Par ailleurs, le potentiel membranaire des VSMC pourrait être affecté dans la gestation. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons évalué l’activité de la Na+/K+-ATPase, impliquée dans le contrôle du potentiel membranaire. Nos résultats démontrent que l’activité de la pompe est inhibée à partir du 19e jour de gestation. Cet effet est renversé par le canrénoate. Toutefois, comme le renversement de l’inhibition de la pompe est également présent chez les rates gestantes traitées avec du PST 2238, un antagoniste de l’ouabaïne sur la Na+/K+-ATPase, et que le canrénoate agit également comme agoniste partiel de la pompe, nous croyons que la diminution d’activité associée à la gestation est liée à une inhibition de la Na+/K+-ATPase par des stéroïdes cardiotoniques plutôt qu’à un effet des minéralocorticoïdes. L’augmention d’activité de la pompe liée au canrénoate s’accompagne d’une diminution de l’expression de la sous-unité α1, suggérant que la sous-unité α2 est responsable des variations de contractilité de l’aorte, puisque son expression n’est pas modifiée par le canrénoate. Les effets de la diminution de l’expression de la sous-unité α1, influencée par la signalisation du MR, restent à être déterminés. Néanmoins, nos résultats montrent que les modifications d’activité de la Na+/K+-ATPase influencent l’activité des canaux potassiques et que la pompe pourraient être un des éléments primordiaux dans le contrôle de la réactivité vasculaire durant la grossesse. Comme le canrénoate modifie la réactivité vasculaire, nous voulions déterminer ses impacts sur la pression artérielle. Des rates gestantes ont été traitées avec du canrénoate (20 ou 60 mg/kg•jr) et les paramètres hémodynamiques ont été évalués par radiotélémétrie. Aucune modification de la pression artérielle, du rythme cardiaque et de la pression pulsée ne sont mesurées chez les rates recevant le traitement. Toutefois, des augmentations de l’osmolalité, des taux sériques d’aldostérone et de corticostérone ainsi que de l’activité rénine plasmatique sont observées chez les animaux recevant 60 mg/kg•jr. Le canrénoate bloque donc le rétrocontrôle du SRAA. Par contre, les MR ne sont pas les principaux responsables du contrôle de la pression artérielle durant la grossesse. En conclusion, nous avons démontré que le traitement des rates au canrénoate influence la réactivité vasculaire de l’aorte durant la gestation. Cet effet est causé par la modification de l’activité de certains canaux ioniques (VDCC, BKCa et KATP). De plus, le canrénoate renverse l’inhibition de la Na+/K+-ATPase observée durant la gestation. Finalement, les actions locales de cet antagoniste des MR sur les vaisseaux sanguins ne se répercutent pas sur l’effet systémique global et aucune modification de la pression artérielle n’est observée. D’autres études seront toutefois nécessaires pour déterminer les voies de signalisation par lesquelles l’aldostérone module les réponses des canaux ioniques dans les VSMC. / Pregnancy is accompanied by important hormonal and hemodynamic modifications. Among them, the renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS) is activated early during pregnancy. Furthermore, this increase of RAAS is accompanied by raises of cardiac output and blood volume as well as paradoxal decreases in blood pressure and peripheral vascular resistance. These suggest that pregnancy induces reorganization of the normal physiological responses to RAAS. In addition, a decreased vascular reactivity to vasoconstrictive agents is observed during pregnancy. Modifications of calcium and potassium channels function would be implicated in this phenomenon. Furthermore, an implication of the Na+/K+-ATPase is suspected, through its influence on the membrane potential of vascular smooth muscle cells (VSMC). Aldosterone, through the presence of mineralocorticoid receptors (MR) in VSMC, could control vascular tone by its genomic and non-genomic effects. With our knowledge at this time, we submit the hypothesis that the increased serum aldosterone levels of pregnancy are responsible for the hemodynamic changes associated with pregnancy and that these effects are caused by the activation of MR. Pregnant rats were treated with potassium canrenoate (20 mg/kg•d), a MR antagonist, during the last week of pregnancy (out of 3 weeks). Vascular reactivity of endothelium-denuded aortic rings was measured. Contractile responses to phenylephrine (PhE) and KCl were studied in the presence of a voltage-dependent calcium channel (VDCC) blocker, nifedipine, as well as calcium-actived (BKCa) and ATP-dependent (KATP) potassium channels activators, NS-1619 and cromakalim respectively. Vascular responses to PhE and KCl were reduced as of the 17th day of gestation. Canrenoate increased the responses to both agonists in the aortas of all the groups. Ionic channel modulators reduced the contractile responses to PhE and KCl. However, canrenoate also modified the responses to the modulators. In the aortas of non pregnant rats, no effect or a decrease of their inhibitory effect were observed while with the pregnant rats we noticed an increased effect. These results suggest that aldosterone could be implicated in the adaptation of vascular responses to pregnancy. On the other hand, VSMC membrane potential could be affected during pregnancy. To verify this hypothesis, Na+/K+-ATPase activity was evaluated since it is implicated in its control. Our results demonstrated that the pump is inhibited as of the 19th day of pregnancy. This effect was reversed by canrenoate. However, since the reversal of the inhibition of the pump was also present in pregnant rats treated with PST 2238, an ouabain antagonist on the Na+/K+-ATPase, and because canrenoate can also act as a partial agonist of the pump, we believe that the decreased activity associated with pregnancy is linked to the inhibition of the Na+/K+-ATPase by cardiotonic steroids rather than the effect of mineralocorticoids. The increased activity of the pump by canrenoate is linked with a decreased of the α1 subunit expression. This suggests that the α2 subunit of the pump would be responsible for the variations of aortic contractility since its expression is not modified by canrénoate. The effects of the diminished expression of the α1 subunit, influenced by the MR signalization, still need to be determined. Nevertheless, our results showed that modifications of Na+/K+-ATPase activity had an impact on the activity of potassium channels and that the pump could be one of the principal elements implicated in the control of vascular reactivity during pregnancy. Since canrenoate modified vascular reactivity, we wanted to determine its impact on blood pressure. Pregnant rats were treated with canrenoate (20 or 60 mg/kg•d) and hemodynamic functions were determined by radiotelemetry. No modification was observed in blood pressure, cardiac output and pulse pressure among the treated rats. However, increases in osmolality, aldosterone and corticosterone levels as well as plasma renin activity were observed in the animal receiving the 60 mg/kg•d canrénoate. Thus, canrenoate blocks the negative feedback of the RAAS. However, MR are not the principal element responsible for the control of blood pressure during pregnancy. In conclusion, we have demonstrated that canrenoate affects aortic vascular reactivity during pregnancy. This effect is perpetuated by modifying the activity of certain ionic channels (VDCC, BKCa and KATP). Furthermore, canrenoate is able to reverse the inhibition of the Na+/K+-ATPase observed during pregnancy. Finally, the local actions of this MR antagonist on blood vessels are not reflected by the global systemic effect and no modification of the blood pressure was observed. Other studies will be necessary to determine the signaling pathways by which aldosterone modulate ionic channel responses in VSMC.

Monosialoganglioside (GM1) is a component of most cell membranes and is thought to play a role in development, recognition and cellular differentiation. Furthermore, GM1 is a neuroprotective agent that has been reported to scavenge free radicals generated during reperfusion and to protect receptors and enzymes from oxidative damage. In the present study we investigate the effect of GM1 on the catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD) and glutathione peroxidase (GSH-Px) activities, on the spontaneous chemiluminescence and total radical-trapping potential (TRAP) in cortex of rats ex vivo and in vitro. Systemic GM1 administration (50 mg/kg, i.p.; twice) reduced spontaneous chemiluminescence and increased CAT activity ex vivo. On the other hand, GM1 (103-104 nM) reduced CAT activity in vitro. The other parameters were not affected by GM1 administration. These findings agree with the view that the antioxidant action of GM1 is not due to an intrinsic antioxidant activity of this glycolipid, but due to a secondary decrease of reactive species generation and/or increase of antioxidant defenses. Moreover, we evaluated whether GM1 could have a neuroprotective action on the experimental model of glutaric acidemia, an inherited metabolic disorder characterized by glutaric acid (GA) accumulation and neurological dysfunction, as striatal degeneration and convulsion. The systemic GM1 administration (50 mg/kg, i.p. twice) protected against the convulsions, oxidative damage markers increase (total protein carbonylation and thiobarbituric acid-reactive substances - TBARS) production and Na+,K+-ATPase activity inhibition induced by GA (4 mol/ 2 l) in striatum of rats. Furthermore, convulsive episodes induced by GA strongly correlated with Na+,K+-ATPase activity inhibition in the injected striatum, but not with oxidative stress marker measures. In addition, GM1 (50-200 M) protected against Na+,K+-ATPase inhibition induced by GA (6 mM), but not against oxidative damage in vitro. Intrastriatal administration of muscimol (46 pmol/striatum), a GABAA receptor agonist, but not glutamatergic receptor antagonists MK-801 (3 nmol/striatum) and DNQX (8 nmol/striatum), prevented GA-induced convulsions and inhibition of Na+,K+-ATPase activity. The protection of GM1 and muscimol against GA-induced seizures strongly correlated with Na+,K+-ATPase activity maintenance in the injected striatum with GA. Since GM1 and muscimol prevented neurotoxic effects induced by GA, we investigated the GM1 action after intrastriatal administration of pentylenetetrazole (PTZ), a GABAA receptor antagonist. GM1 treatment prevented seizures, Na+,K+-ATPase inhibition, and increase of TBARS and protein carbonyl induced by PTZ (1.8 mol/striatum) in the rats striatum. Furthermore, these data suggest that Na+,K+-ATPase and GABAA receptor-mediated mechanisms may play important roles in GA-induced seizures and in their prevention by GM1. / O monossialogangliosídeo (GM1) é um componente natural de membrana plasmática que está envolvido no crescimento, reconhecimento e diferenciação celular, além de proteger o SNC da ação dos radicais livres. No presente estudo investigou-se o efeito do GM1 sobre a atividade das enzimas antioxidantes catalase (CAT), superóxido dismutase (SOD) e glutationa peroxidase (GPx), assim como na quimiluminescência e capacidade antioxidante total (TRAP) em córtex cerebral de ratos machos adultos ex vivo e in vitro. A administração sistêmica de GM1 (50 mg/kg, i.p.; duas doses: 24 horas e 30 minutos antes do sacrifício) reduziu a quimiluminescência e aumentou significativamente a atividade da CAT ex vivo. A adição de GM1 (103-104 nM) ao meio de incubação diminuiu a atividade da CAT in vitro. Estes resultados sugerem que o efeito neuroprotetor do GM1 não é devido à ação antioxidante intrínseca deste glicoesfingolipídeo, mas devido ao aumento secundário das defesas antioxidantes e/ou uma redução da geração de radicais livres. Além disso, avaliamos se o GM1 tinha efeito neuroprotetor em um modelo experimental da acidemia glutárica, um erro inato do metabolismo caracterizado pelo acúmulo tecidual de ácido glutárico (GA) e alterações neurológicas, como degeneração estriatal e convulsões. A administração de GM1 preveniu as convulsões, o aumento da produção dos marcadores do dano oxidativo (carbonilação protéica total e substâncias reativas do ácido tiobarbitúrico - TBARS) e a inibição da atividade da Na+,K+-ATPase induzidas pelo GA (4 mol/2 µl) em estriado de ratos. Além disso, os episódios convulsivos induzidos por GA apresentaram uma correlação significativa com a inibição da atividade da Na+,K+-ATPase no estriado injetado, mas não com os níveis dos marcadores do estresse oxidativo. A adição de GM1 (50 200  ao meio de incubação preveniu a inibição da Na+,K+-ATPase, mas não reduziu o dano oxidativo induzido por GA (6 mM) in vitro. A administração intraestriatal de muscimol (46 pmol/0,5 l), um agonista de receptor GABAA, mas não dos antagonistas de receptores glutamatérgicos, MK-801 (3 nmol/0,5 l) e DNQX (8 nmol/0,5 l), preveniu as convulsões e a inibição da atividade da Na+,K+-ATPase induzidas por GA. A proteção do GM1 e muscimol contra as convulsões induzidas por GA apresentou uma correlação significativa com a manutenção da atividade da Na+,K+-ATPase no estriado injetado com GA. Desde que o GM1 e o muscimol preveniram os efeitos neurotóxicos induzidos pelo GA, investigou-se a ação do GM1 após a administração intraestriatal de pentilenotetrazol (PTZ), um antagonista de receptores GABAA. O tratamento com GM1 preveniu as convulsões, o dano oxidativo e a inibição da atividade da Na+,K+-ATPase induzidas por PTZ (1,8 µmol/2 µl). Esses dados sugerem que a atividade da Na+,K+-ATPase e mecanismos mediados pela ativação de receptores GABAérgicos podem ser de grande importância para a atividade convulsiva induzida por GA, bem como nos mecanismos de neuroproteção induzidos pelo GM1.

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Neuronen sind bei der Informationsübertragung des zentralen Nervensystems von entscheidender Bedeutung. Ihre Aktivität liegt der Signalverarbeitung und höheren kognitiven Prozessen zugrunde. Neuronen sind in den extrazellulären Raum eingebettet, der mehrere Teilchen, darunter auch Ionen, enthält. Ionenkonzentrationen sind nicht statisch. Intensive neuronale Aktivität kann intrazelluläre und extrazelluläre Ionenkonzentrationen verändern. In dieser Arbeit untersuche ich das Wechselspiel zwischen neuronaler Aktivität und der Dynamik der Ionenkonzentrationen. Dabei konzentriere ich mich hauptsächlich auf extrazelluläre Kalium- und intrazelluläre Natriumkonzentrationen. Mit Hilfe der Theorie dynamischer Systeme zeige ich, wie moderate Änderungen dieser Ionenkonzentrationen die neuronale Aktivität qualitativ verändern können, wodurch sich möglicherweise die Signalverarbeitung verändert. Dann modelliere ich ein leitfähigkeitsbasiertes neuronales Netzwerk mit Spikes. Das Modell sagt voraus, dass eine moderate Änderung der Konzentrationen, die einen Mikroschaltkreis von Neuronen umgeben, die Leistungsspektraldichte der Populationsaktivität verändern könnte. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung der Dynamik der Ionenkonzentrationen für das Verständnis neuronaler Aktivität auf langen Zeitskalen und liefert technische Erkenntnisse darüber, wie das Zusammenspiel zwischen ihnen modelliert und analysiert werden kann. / Neurons are essential in the information transfer mechanisms of the central nervous system. Their activity underlies both basic signal processing, and higher cognitive processes. Neurons are embedded in the extracellular space, which contains multiple particles, including ions which are vital to their functioning. Ionic concentrations are not static, intense neuronal activity alters the intracellular and extracellular ionic concentrations which in turn affect neuronal functioning. In this thesis, I study the interplay between neuronal activity and ionic concentration dynamics. I focus specifically on the extracellular potassium and intracellular sodium concentrations. Using dynamical systems theory, I illustrate how moderate changes in these ionic concentrations can qualitatively change neuronal activity, potentially altering signal processing. I then model a conductance-based spiking neural network. The model predicts that a moderate change in the concentrations surrounding a microcircuit of neurons could modify the power spectral density of the population activity. Altogether, this work highlights the need to consider ionic concentration dynamics to understand neuronal activity on long time scales and provides technical insights on how to model and analyze the interplay between them.