L’exocytose vésiculaire est une voie physiologique majeure de la communication intercellulaire. Dans ce contexte, le TIRFM (microscopie de fluorescence par réflexion totale interne) et l’ampérométrie sont aujourd'hui les deux méthodes analytiques les plus fréquemment utilisées dans l’étude de l’exocytose. En raison de la complémentarité de ces deux techniques d’analyse pour le suivi de la sécrétion exocytotique, leur combinaison pour suivre la sécrétion exocytotique a d'abord été réalisée par notre groupe en 2011. Ce couplage a permis un enregistrement simultané des signaux fluorescents et ampérométriques avec une bonne résolution spatiale et temporelle. L'inconvénient majeur de ce travail reste le chargement indépendant des sondes optique et électrochimique dans les vésicules de sécrétion, ce qui entraîne la détection d’évènements « orphelins » ampérométriques ou optiques ainsi que la faible efficacité de détection des évènements couplés. Par conséquent, dans cette thèse, nous avons tenté de mettre à profit une sonde unique à la fois fluorescente et électroactive pour suivre l’exocytose par la méthodologie couplée TIRFM/ampérométrie. Ainsi, un analogue de neurotransmetteurs monoamine primaire, la 4-(2-amino-éthyl)-6-chloro-7-hydroxy-2H-1-benzopyran-2-one (nommé 1 dans ce travail), a été synthétisé.1 présente une fluorescence forte, stable et pH-dépendante. Lorsque cette entité est excitée à 405 nm, son intensité de fluorescence est presque doublée de pH 5 (valeur intra-vésiculaire) à 7 (valeur milieu extracellulaire). De plus, des études en voltammétrie ont pu mettre en évidence que 1 est oxydable sur électrode de carbone vitreux, microélectrode à fibre de carbone et ITO (oxyde d’indium dopé à l’étain), montrant ainsi une bonne électroactivité. La pénétration cellulaire dans les vésicules de cellules BON N13 a également été démontrée, prouvant la spécificité de l’interaction entre 1 et ces vésicules équipées d’un transporteur de monoamines primaires (VMAT). L’utilisation de 1 comme sonde unique optique et électrochimique pour le suivi de l'exocytose a ensuite été validée séparément dans des cellules BON N13 par TIRFM et ampérométrie. L’enregistrement simultané par fluorescence et électrochimie en utilisant 1 comme sonde double a ensuite été réalisé dans un microdispositif constitué d’électrodes ITO conductrice et transparente. Nos résultats basés sur la sonde unique 1 montrent qu’elle semble plus adaptée que toutes les stratégies antérieures impliquant deux sondes indépendantes. Les résolutions spatiale et temporelle de cette méthode combinée ont permis d'analyser des sécrétions d’exocytose de cellules marquées par 1. Une analyse ultérieure de ces signaux couplés optique et électrochimique sera à même d’étudier la corrélation entre le comportement du pore de fusion (dynamique d'ouverture/de fermeture, stabilité..) détecté par ampérométrie et le mouvement d'une vésicule en trois dimensions (ancrage, amarrage, fusion puis retrait dans le cytoplasme) détecté par TIRFM. / Vesicular exocytosis is a ubiquitous way for intercellular communications. TIRFM (total internal reflection fluorescence microscopy) and amperometry are nowadays the two most frequently used analytical methods with complementary features for its investigation. The combination of these two analytical techniques to track exocytotic secretions was firstly achieved by our group in 2011 and this new technique was demonstrated to show both high temporal and spatial resolutions by simultaneously recording the fluorescent and amperometric signals. The major disadvantage of this former work was the independent loading of optical and electrochemical probes to the secretory vesicles, which resulted in 'sightless' amperometric or optical signals as well as low coupling efficiency. Therefore, in this thesis, we attempted to develop a unique probe with dual fluorescent/electrochemical characteristics to track exocytotic process by TIRFM/amperometry coupling technique. This is why an analog of biogenic monoamine neurotransmitters, 4-(2-aminoethyl)-6-chloro-7-hydroxy-2H-1-benzopyran-2-one hydrochloride (named as 1 in this work) was synthesized. 1 exhibited bright, stable, pH-dependent fluorescence. When excited at 405 nm, its fluorescence intensity was almost doubled with the increase of pH values from 5 (similar to that in the vesicular lumen) to 7 (similar to the extracellular medium). Furthermore, in voltammetry, 1 was demonstrated to be easily electrooxidized on GCE (glassy carbon electrode), CFE (carbon fiber electrode) and ITO (indium tin oxide) electrodes surfaces, showing good electroactivity. 1 was also shown to penetrate easily into the vesicles of BON N13 cells within 1 hour incubation, testifying its specific affinity with these VMAT-equipped (vesicular monoamine transporter) vesicles. The applications of 1 as optical and electrochemical probes for exocytosis monitoring were then separately validated in BON N13 cells by TIRFM and amperometry measurements, respectively. Simultaneous recording of fluorescent and amperometric information by using 1 dual probes loaded cells was subsequently acquired in a microfabricated device constituted by conductive and transparent ITO electrodes. Our results based on the unique probe 1 for electrochemical and fluorescent detection of exocytotic release seemed more adapted than all the previous works involving independent probes. The high spatial and temporal resolutions of this combined method also allowed analyzing consecutive exocytotic secretions as well as overlapped events in 1-stained cells. Further analysis of these two signals with complementary information will shed more light on the correlation of the fusion pore behavior (opening/closure dynamics, stability…) measured by amperometry and the motion of a secretory vesicle in three dimensions (tethering, docking, fusion and retrieval) detected by TIRFM.

Bibliography: leaves 180-199. / xvii, 199, [68] leaves, [1] leaf of plates : ill. ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Primary aim was to determine whether levels of the endogenous peptide substance P (SP) would parallel and reflect the reported increased levels of the trophic agent nerve growth factor which is associated with the development of sympathetic hyperinnervation (and ultimately hypertension) in the genetic animal model for hypertension, the spontaneously hypertensive rat. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Clinical and Experimental Pharmacology, 1995

Graduation date: 1993

Thesis (Ph. D.)--University of Hong Kong, 2001. / Includes bibliographical references (leaves 150-191).

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri--Columbia, 2002. / Typescript. Vita. Includes bibliographical references (leaves 117-119). Also issued on the Internet.

Delay classical eyeblink conditioning is an important model of associative, cerebellar dependent learning. Norepinephrine (NE) plays a significant modulatory role in the acquisition of learning; other neurotransmitter systems are also at play. The goal of this dissertation was to determine whether NE, GABA and glutamate (Glu) release is observed in cerebellar cortex during delay eye blink conditioning, and whether such release was selectively associated with training and not due only to stimulatory sensory input. The data support the hypothesis of noradrenergic and GABAergic system involvement in motor learning with NE as a modulator of early responding and GABA as a mediator of the learned response. In addition to neurotransmitter levels, we found that the local administration into the cerebellum of Rp-cAMP and propranolol impair the consolidation of learning when administered post training on the eyeblink conditioning task indicating that the B-adrenergic receptor and the cAMP downstream signaling cascade are essential for memory consolidation. These results support the hypothesis of NE acting as a neuromodulator in the cerebellum for the acquisition of motor learning. A similar experimental design was applied to aged animals and the neurochemical pattern of release was haracterized by a delay in the response to eyeblink conditioning and smaller amounts of the neurotransmitter evoked by the paired US-CS. It is hypothesized that the impairment in aging could be due to excitotoxicity caused by chronic inflammation. The present study also approached this issue by targeting the pro-inflammatory cytokine TNF-a and we found that suppression of TNF-a in aged animals improved learning.

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The project described in this thesis began with a broad analysis of the changes to amino acid and biogenic amine concentrations in the central nervous system (CNS) during experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in mice, an animal model of Multiple Sclerosis (MS). That study identified deficits in specific neurotransmitters during EAE that I targeted pharmacologically using the antidepressant drug phenelzine. Phenelzine administration substantially influenced the concentrations of amino acids and biogenic amines in EAE mice in a manner likely to be therapeutic. In the final experiment, I treated EAE mice chronically with phenelzine; This treatment was associated with significant improvements in motor abilities compared to vehicle treated animals. In an open field, improvements were also observed in behavioural indices of depression, physical sickness and anxiety. The results of this thesis may offer new insights into the pathogenesis of EAE and MS and indicate the disease-modifying potential of phenelzine treatment in MS.

Katecholamine (Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin) und Serotonin sind wichtige Monoamin-Neurotransmitter im menschlichen zentralen Nervensystem, deren quantitative Bestimmung von großem medizinischen Interesse ist, weil damit Aussagen zum Verlauf von Nervenkrankheiten und zur Tumorgefährdung des sympathoadrenalen bzw. neuroendokrinen Systems möglich sind. Ascorbinsäure und Harnsäure finden sich in vielen Körperflüssigkeiten. Ihre Bestimmung ist klinisch ebenfalls bedeutend, da deren Konzentration als Indikatoren bekannter Krankheitsbilder dienen. Etablierte Standardmethoden, wie die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) und immunologische Nachweisverfahren (ELISA) werden im klinischen Bereich zur Bestimmung der Neurotransmitter genutzt. Diese sind kostenintensiv und zeitaufwändig und daher für die Anwendung in den Arztpraxen, vor allem in Entwicklungsländern nicht geeignet. Elektrochemische Verfahren, insbesondere voltammetrische Messmethode haben den Vorteil, solche Bestimmungen in einfacher Weise zu ermöglichen. In der Literatur finden sich Angaben zu eingesetzten Elektroden auf Kohlenstoffbasis mit hoher Sensitivität für die Katecholamine. Allerdings wurden diese Elektroden meist einzeln hergestellt. Der kommerzielle Durchbruch ist deshalb bisher, hauptsächlich infolge der mangelnden Reproduzierbarkeit der Elektrodeneigenschaften und der Verfügbarkeit einfacher elektronischer Geräte ausgeblieben. Es war daher Ziel dieser Arbeit, durch industrienahe Herstellungsverfahren Graphitelektroden mit reproduzierbaren Eigenschaften zu entwickeln und diese auf ihre Eignung für den quantitativen Nachweis bioaktiver Stoffe zu erproben. Dazu waren Verfahrensschritte zu optimieren, die es erlauben, diese siebgedruckten Graphitelektroden reproduzierbar und kostengünstig zu fertigen und sie auf verschiedene Weise, z.B. durch halbleitende Polymere und nanoskalige Metalle zu modifizieren. Neben den Neurotransmittern enthalten Körperflüssigkeiten unter anderem Ascorbinsäure und Harnsäure in hohen Konzentrationen. Daher waren zunächst Modellanalyten unter Verwendung dieser Stoffe herzustellen. Die voltammetrischen Methoden, wie die zyklische Voltammetrie (CV), die Differentielle Puls-Voltammetrie (DPV) und die Square-Wave-Voltammetrie (SWV) sollten auf ihre Eignung zum Nachweis der bioaktiven Substanzen erprobt werden. Schließlich waren die Elektroden in realen Analyten zu testen. Insgesamt konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass ausgewählte Neurotransmitter, Ascorbinsäure und Harnsäure sich mit differentiellen voltammetrischen Verfahren an industrienah hergestellten modifizierten Dickschichtelektroden bestimmen lassen. Es ist erstmalig gelungen, eine modifizierte Dickschichtelektrode zu entwickeln, mit der es möglich ist, Katecholamine unabhängig von Ascorbinsäure (3 mM) und Harnsäure (2 mM) quantitativ nachzuweisen. Damit eröffnen sich neue Wege für den Einsatz von elektrochemischen Sensoren für die einfache Bestimmung der Neurotransmitter vor Ort. Die beschriebenen modifizierten Dickschichtelektroden sind ohne Verlust an elektrochemischer Aktivität an der Luft oder im Grundelektrolyten monatelang lagerfähig. Die Elektroden lassen sich im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Elektroden mit Einzelfertigung kostengünstig in großer Stückzahl mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen.

Bibliography: leaves 282-354 / 354 leaves : ill ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Physiology, 1986