Itoforese em tempo real com tetrametilamônio para quantificar fração de volume e tortuosidade do espaço extracelular cerebral

O espaço extracelular (ECS) é a rede de canais interligados para todas as células cerebrais e contém fluido intersticial e matriz extracelular ( Figura 1a e Figura 1b ). A distribuição de muitas substâncias necessárias para a função das células cerebrais, incluindo nutrientes, hormônios e neurotransmissores, ocorre por difusão através da ECS. As mudanças nos parâmetros físicos deste espaço, incluindo o volume, a geometria e a matriz extracelular, podem afetar drasticamente a difusão através do ECS e as concentrações de íons locais que banham as células cerebrais, que têm um impacto profundo na função celular ^{1 , 2 do} cérebro.

A iontoforese em tempo real (RTI) é usada para determinar duas características estruturais de uma região do cérebro: fração volumétrica e tortuosidade ^{3 , 4 ,}"Xref"> 5. A fração de volume ( α ) é a proporção de volume de tecido ocupado pelo ECS ( V _ECS ) em relação ao volume total de tecido ( _tecido V ) em um volume elementar representativo;

A tortuosidade ( λ ) é o impedimento relativo que uma substância encontra quando se difunde através de uma região do cérebro em comparação com um meio sem obstruções;

Onde D ^* (cm ² s ^-1 ) é o coeficiente de difusão efetivo da substância no cérebro e D (cm ² s ^-1 ) é o coeficiente de difusão livre da substância em meio livre, como o gel de agarose diluído.

Hoje, a substância de sonda mais usada para o RO método TI é o pequeno catião tetrametilamônio (TMA). TMA tem um peso molecular de 74 g / mol, dissocia-se completamente em solução e tem uma carga positiva. Os estudos RTI com este íon demonstraram que α 0,2 e λ 1.6 ^{1 , 2} . Isso significa que o ECS é aproximadamente 20% do volume total do cérebro e que a difusão de uma molécula pequena e inerte ocorre aproximadamente 2,5 vezes mais devagar no ECS do que em um meio sem obstruções ³ . No entanto, tanto α como λ variam com a idade cerebral, região e estado e em condições patológicas ¹ . As alterações desses parâmetros foram ligadas ao desenvolvimento do cérebro, envelhecimento, sono, epilepsia e muitos outros processos e doenças fundamentais do cérebro ^{1, 6} . Enquanto outras técnicas medem α e λ , RTI pode medir tanto em regiões localizadas de tecido vivo em tempo real. Por esta razão, RTI tornou-se uma ferramenta indispensável para investigar as mudanças em α e λ durante os desafios agudos e reversíveis.

A teoria que suporta RTI foi originalmente validada por Nicholson e Phillips, e a técnica tem sido amplamente utilizada desde então ^{4 , 7} . As experiências que empregam RTI começam com a liberação de um pulso de TMA a partir de um microeletrodo de fonte por iontoforese em um gel de agarose diluído. Uma vez ejetados, os íons se difundem livremente da fonte pontual, escolhendo de um número potencialmente infinito de caminhos aleatórios ( Figura 1d ). A alteração da concentração do íon é medida ao longo do tempo usando um microeletrodo seletivo de íons (ISM) posicionado aproximadamente100 um de distância ( Figura 1c ). As mudanças na concentração de TMA são graficadas e ajustadas a uma curva que permite o cálculo tanto de D como do número de transporte do microeletrodo de iontoforese (parâmetros discutidos no Protocolo). Com estes valores, o procedimento é repetido numa região cerebral de interesse para obter D ^* e calcular tanto α como λ . O controle do microeletrodo de iontoforese, a coleta de dados, a representação gráfica e o ajuste da curva de concentração de TMA e o cálculo dos parâmetros experimentais são tipicamente realizados pelos programas Wanda e Walter, que foram especificamente projetados para esse fim (o software e seus manuais são Livremente disponível dos autores mediante solicitação).

A seção de protocolo desta revisão descreve os procedimentos básicos necessários para projetar e executar RTI em fatias de cérebro de roedores. A técnica também foi usada em não-hasteent modelos, incluindo fatias de cérebro de humanos e em preparações in vivo cerebrais ^{1, 4, 6, 8, 9.} A seção Resultados representativos fornece resultados ideais e não ideais para destacar nuances na interpretação de dados. Finalmente, a seção de Discussão abrange brevemente as técnicas de solução de problemas, as limitações de RTI, as técnicas alternativas utilizadas para estudar o ECS e as futuras aplicações de RTI.

Figura 1: Diagramas de difusão através de ECS. (A) Diagrama de ECS: Demonstra o tamanho e localização do ECS em uma secção de cérebro normal. Amarelo marca o ECS entre os processos das células cerebrais cinzentas. O volume do ECS é aproximadamente 20% do volume total do tecido ( ou seja, fração volumétrica = 0.2) sob condições fisiológicas. ( B ) Diagrama ampliado do ECS: Destaca os parâmetros físicos que contribuem para a tortuosidade, incluindo a geometria das células cerebrais (cinza) e a matriz extracelular (diagrama como uma malha de glicosaminoglicanos e proteoglicanos multicoloridos). ( C ) Diagrama 3D de difusão a partir de uma fonte pontual: demonstra o movimento líquido de moléculas inertes de uma fonte iontoforética para um ISM. Excluindo barreiras de difusão e absorção celular, as moléculas se difundem para fora em todas as direções, produzindo uma frente de concentração esférica. O ISM quantifica a concentração local das moléculas inertes liberadas da fonte iontoforética. ( D ) Simulação computacional de difusão em ECS do cérebro: [Far left] Configuração para simulação de Monte Carlo; As esferas verdes representam processos de células cerebrais e a cruz vermelha representa uma fonte pontual. Esta configuração modela o tecido cerebral diagramado na Figura 1a . [Imagens do meio] 3 e6 moléculas que realizam movimentos aleatórios à medida que se difundem através do espaço extracelular do cérebro, mostrado em 2 dimensões. [Extremamente à direita] Caminhos aleatórios de muitas moléculas liberadas da fonte pontual. O movimento líquido de todas as moléculas da fonte pontual é para fora como descrito na Figura 1c . Os passeios aleatórios cumulativos descrevem os espaços entre as células ( ou seja, o ECS, veja a referência ⁵ para mais explicações). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.