Visualizzazione dei monocarbossilati e di altri metaboliti rilevanti nel cervello larvale ex vivo di Drosophila utilizzando sensori geneticamente codificati

Il cervello ha un elevato fabbisogno energetico a causa dell’elevato costo del ripristino dei gradienti ionici nei neuroni causati dalla generazione e dalla trasmissione del segnale elettrico neuronale, nonché dalla trasmissione sinaptica ^1,2. A lungo si è pensato che questa elevata richiesta di energia fosse soddisfatta dalla continua ossidazione del glucosio per produrre ATP³. Trasportatori specifici alla barriera emato-encefalica trasferiscono il glucosio nel sangue al cervello. Livelli glicemici costanti assicurano che il cervello riceva un apporto costante di glucosio⁴. È interessante notare che una crescente evidenza sperimentale suggerisce che le molecole derivate dal metabolismo del glucosio, come il lattato e il piruvato, svolgono un ruolo importante nella produzione di energia delle cellule cerebrali ^5,6. Tuttavia, c’è ancora un certo dibattito su quanto siano importanti queste molecole per la produzione di energia e quali cellule del cervello le producano o le utilizzino ^7,8. La mancanza di strumenti molecolari appropriati con l’alta risoluzione temporale e spaziale richiesta per questo compito è un problema significativo che ha impedito che questa controversia fosse completamente risolta.

Lo sviluppo e l’applicazione di diversi sensori metabolici fluorescenti ingegnerizzati hanno portato a un notevole aumento della nostra comprensione di dove e come i metaboliti vengono prodotti e utilizzati, nonché di come i flussi metabolici si verificano durante l’attività basale e neuronale^{elevata 9}. I sensori metabolici geneticamente codificati basati sulla microscopia a trasferimento di energia a risonanza di Förster (FRET), come ATeam (ATP), FLII¹²Pglu700μδ6 (glucosio), Laconic (lattato) e Pyronic (piruvato), hanno contribuito alla nostra comprensione del metabolismo energetico cerebrale 10,11,12,13. Tuttavia, a causa dei costi elevati e delle sofisticate attrezzature necessarie per condurre esperimenti su animali vivi o tessuti, i risultati nei modelli di vertebrati sono ancora principalmente limitati alle colture cellulari (cellule gliali e neuroni).

L’uso emergente del modello Drosophila per esprimere questi sensori ha rivelato che le caratteristiche metaboliche chiave sono conservate tra le specie e la loro funzione può essere facilmente affrontata con questo strumento. Ancora più importante, il modello di Drosophila ha fatto luce su come il glucosio e il lattato/piruvato vengono trasportati e metabolizzati nel cervello del moscerino, il legame tra il consumo di monocarbossilati e la formazione della memoria e la notevole dimostrazione di come gli aumenti dell’attività neurale e del flusso metabolico si sovrappongano 14,15,16,17. Il metodo qui presentato per misurare i livelli di monocarbossilato, glucosio e ATP utilizzando sensori FRET geneticamente codificati espressi nel cervello larvale consente ai ricercatori di saperne di più su come il cervello di Drosophila utilizza l’energia, che può essere applicata al cervello di altri animali.

Mostriamo che questo metodo è efficace per rilevare il lattato e il glucosio nelle cellule gliali e nei neuroni e che un trasportatore di monocarbossilati (Chaski) è coinvolto nell’importazione del lattato nelle cellule gliali. Dimostriamo anche un metodo semplice per studiare i cambiamenti dei metaboliti durante l’aumento dell’attività neuronale, che possono essere facilmente indotti dall’applicazione in bagno di un antagonista del recettore GABA_A . Infine, mostriamo che questa metodologia può essere utilizzata per misurare il trasporto di monocarbossilati e glucosio in altri tessuti metabolicamente significativi, come i corpi adiposi.