Visualisierung von Monocarboxylaten und anderen relevanten Metaboliten im ex vivo Drosophila-Larvengehirn mit genetisch kodierten Sensoren

Das Gehirn hat einen hohen Energiebedarf aufgrund der hohen Kosten für die Wiederherstellung von Ionengradienten in Neuronen, die durch neuronale elektrische Signalerzeugung und -übertragung sowie synaptische Übertragung verursacht^{werden 1,2}. Lange Zeit wurde angenommen, dass dieser hohe Energiebedarf durch die kontinuierliche Oxidation von Glukose zur Herstellung von ATP³ gedeckt wird. Spezifische Transporter an der Blut-Hirn-Schranke übertragen die Glukose im Blut ins Gehirn. Konstante glykämische Werte sorgen dafür, dass das Gehirn eine stetige Versorgung mit Glukose^{erhält 4}. Interessanterweise deuten wachsende experimentelle Beweise darauf hin, dass Moleküle, die aus dem Glukosestoffwechsel stammen, wie Laktat und Pyruvat, eine wichtige Rolle bei der Energieproduktion der Gehirnzellen spielen ^5,6. Es gibt jedoch immer noch einige Diskussionen darüber, wie wichtig diese Moleküle für die Energiegewinnung sind und welche Zellen im Gehirn sie produzieren oder verwenden ^7,8. Der Mangel an geeigneten molekularen Werkzeugen mit der für diese Aufgabe erforderlichen hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung ist ein wichtiges Problem, das eine vollständige Lösung dieser Kontroverse verhindert hat.

Die Entwicklung und Anwendung mehrerer technisch hergestellter fluoreszierender Stoffwechselsensoren hat zu einem bemerkenswerten Verständnis unseres Verständnisses geführt, wo und wie Metaboliten produziert und verwendet werden und wie die Stoffwechselflüsse während der basalen und hohen neuronalen Aktivität auftreten⁹. Genetisch kodierte Stoffwechselsensoren, die auf der Förster-Resonanzenergietransfer-Mikroskopie (FRET) basieren, wie ATeam (ATP), FLII¹²Pglu700μδ6 (Glukose), Lakonisch (Laktat) und Pyronisch (Pyruvat), haben zu unserem Verständnis des Energiestoffwechsels im Gehirn beigetragen 10,11,12,13. Aufgrund der hohen Kosten und der ausgeklügelten Geräte, die für die Durchführung von Experimenten an lebenden Tieren oder Geweben erforderlich sind, beschränken sich die Ergebnisse in Wirbeltiermodellen jedoch immer noch hauptsächlich auf Zellkulturen (Gliazellen und Neuronen).

Die aufkommende Verwendung des Drosophila-Modells zur Expression dieser Sensoren hat gezeigt, dass wichtige Stoffwechselmerkmale artenübergreifend erhalten sind und ihre Funktion mit diesem Werkzeug leicht angegangen werden kann. Noch wichtiger ist, dass das Drosophila-Modell Aufschluss darüber gegeben hat, wie Glukose und Laktat/Pyruvat im Fliegengehirn transportiert und metabolisiert werden, den Zusammenhang zwischen Monocarboxylatkonsum und Gedächtnisbildung und die bemerkenswerte Demonstration, wie sich Steigerungen der neuronalen Aktivität und des Stoffwechselflusses überlappen 14,15,16,17. Die hier vorgestellte Methode zur Messung des Monocarboxylat-, Glukose- und ATP-Spiegels mit genetisch kodierten FRET-Sensoren, die im Larvengehirn exprimiert werden, ermöglicht es den Forschern, mehr darüber zu erfahren, wie das Gehirn von Drosophila Energie verbraucht, die auf die Gehirne anderer Tiere angewendet werden kann.

Wir zeigen, dass diese Methode für den Nachweis von Laktat und Glukose in Gliazellen und Neuronen wirksam ist und dass ein Monocarboxylattransporter (Chaski) am Laktatimport in Gliazellen beteiligt ist. Wir demonstrieren auch eine einfache Methode zur Untersuchung von Metabolitenveränderungen bei erhöhter neuronaler Aktivität, die leicht durch Badapplikation eines GABA-A-Rezeptor-Antagonisten induziert werden kann. Schließlich zeigen wir, dass diese Methodik verwendet werden kann, um den Monocarboxylat- und Glukosetransport in anderen metabolisch bedeutsamen Geweben, wie z.B. Fettkörpern, zu messen.