Visualisatie van monocarboxylaten en andere relevante metabolieten in het ex vivo Drosophila-larvale brein met behulp van genetisch gecodeerde sensoren

De hersenen hebben een hoge energiebehoefte vanwege de hoge kosten van het herstellen van ionengradiënten in neuronen veroorzaakt door het genereren en verzenden van neuronale elektrische signalen, evenals synaptische transmissie ^1,2. Lang werd gedacht dat aan deze hoge energievraag werd voldaan door de continue oxidatie van glucose om ATP³ te produceren. Specifieke transporters bij de bloed-hersenbarrière brengen de glucose in het bloed over naar de hersenen. Constante glykemische niveaus zorgen ervoor dat de hersenen een constante toevoer van glucose krijgen⁴. Interessant is dat er steeds meer experimenteel bewijs is dat moleculen die zijn afgeleid van het glucosemetabolisme, zoals lactaat en pyruvaat, een belangrijke rol spelen in de energieproductie van de^{hersencellen5,6}. Er is echter nog steeds enige discussie over hoe belangrijk deze moleculen zijn voor de energieproductie en welke cellen in de hersenen ze produceren of gebruiken ^7,8. Het gebrek aan geschikte moleculaire instrumenten met de hoge temporele en ruimtelijke resolutie die nodig is voor deze taak is een belangrijk probleem dat heeft verhinderd dat deze controverse volledig werd opgelost.

De ontwikkeling en toepassing van verschillende gemanipuleerde fluorescerende metabole sensoren hebben geresulteerd in een opmerkelijke toename van ons begrip van waar en hoe metabolieten worden geproduceerd en gebruikt, evenals hoe de metabole fluxen optreden tijdens basale en hoge neuronale activiteit⁹. Genetisch gecodeerde metabole sensoren op basis van Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET)-microscopie, zoals ATeam (ATP), FLII¹²Pglu700μδ6 (glucose), Laconic (lactaat) en Pyronic (pyruvaat), hebben bijgedragen aan ons begrip van het energiemetabolisme van de hersenen 10,11,12,13. Vanwege de hoge kosten en geavanceerde apparatuur die nodig is om experimenten uit te voeren op levende dieren of weefsels, zijn de resultaten in gewervelde modellen echter nog steeds voornamelijk beperkt tot celculturen (gliacellen en neuronen).

Het opkomende gebruik van het Drosophila-model om deze sensoren tot uitdrukking te brengen, heeft aangetoond dat belangrijke metabolische kenmerken bij verschillende soorten behouden blijven en dat hun functie gemakkelijk kan worden aangepakt met deze tool. Wat nog belangrijker is, het Drosophila-model heeft licht geworpen op hoe glucose en lactaat/pyruvaat worden getransporteerd en gemetaboliseerd in de hersenen van vliegen, het verband tussen monocarboxylaatconsumptie en geheugenvorming, en de opmerkelijke demonstratie van hoe toename van neurale activiteit en metabole flux elkaar overlappen 14,15,16,17. De hier gepresenteerde methode voor het meten van monocarboxylaat-, glucose- en ATP-niveaus met behulp van genetisch gecodeerde FRET-sensoren die tot expressie worden gebracht in het larvale brein, stelt onderzoekers in staat meer te weten te komen over hoe de hersenen van Drosophila energie gebruiken, die kan worden toegepast op de hersenen van andere dieren.

We laten zien dat deze methode effectief is voor het detecteren van lactaat en glucose in gliacellen en neuronen, en dat een monocarboxylaattransporter (Chaski) betrokken is bij de import van lactaat in gliacellen. We demonstreren ook een eenvoudige methode voor het bestuderen van metabolietveranderingen tijdens verhoogde neuronale activiteit, die gemakkelijk kan worden geïnduceerd door badtoepassing van een GABA A-receptorantagonist. Ten slotte laten we zien dat deze methodologie kan worden gebruikt om monocarboxylaat- en glucosetransport te meten in andere metabolisch significante weefsels, zoals vetlichamen.