Visualização de monocarboxilatos e outros metabólitos relevantes no cérebro de larvas ex vivo de Drosophila usando sensores codificados geneticamente

O cérebro apresenta elevadas necessidades energéticas devido ao alto custo de restauração de gradientes iônicos em neurônios causados pela geração e transmissão de sinais elétricos neuronais, bem como pela transmissão sináptica ^1,2. Há muito se pensa que essa alta demanda energética é atendida pela oxidação contínua da glicose para produzir ATP³. Transportadores específicos na barreira hematoencefálica transferem a glicose no sangue para o cérebro. Níveis glicêmicos constantes garantem que o cérebro receba um suprimento constante de glicose⁴. Curiosamente, crescentes evidências experimentais sugerem que moléculas derivadas do metabolismo da glicose, como o lactato e o piruvato, desempenham um papel importante na produção de energia das células cerebrais ^5,6. No entanto, ainda há algum debate sobre a importância dessas moléculas para a produção de energia e quais células do cérebro as produzem ou utilizam ^7,8. A falta de ferramentas moleculares apropriadas com a alta resolução temporal e espacial necessárias para esta tarefa é uma questão significativa que tem impedido que esta controvérsia seja completamente resolvida.

O desenvolvimento e a aplicação de vários sensores metabólicos fluorescentes projetados resultaram em um aumento notável em nossa compreensão de onde e como os metabólitos são produzidos e usados, bem como como os fluxos metabólicos ocorrem durante a atividade neuronal basal e alta⁹. Sensores metabólicos codificados geneticamente, baseados na microscopia de transferência de energia por ressonância de Förster (FRET), como ATeam (ATP), FLII¹²Pglu700μδ6 (glicose), lacônico (lactato) e pirônico (piruvato), têm contribuído para o entendimento do metabolismo energético cerebral 10,11,12,13. No entanto, devido aos altos custos e equipamentos sofisticados necessários para a realização de experimentos em animais vivos ou tecidos, os resultados em modelos de vertebrados ainda são primariamente limitados a culturas de células (células gliais e neurônios).

O uso emergente do modelo de Drosophila para expressar esses sensores revelou que as principais características metabólicas são conservadas em todas as espécies e sua função pode ser facilmente abordada com esta ferramenta. Mais importante, o modelo de Drosophila lançou luz sobre como a glicose e o lactato/piruvato são transportados e metabolizados no cérebro das moscas, a ligação entre o consumo de monocarboxilato e a formação da memória, e a notável demonstração de como aumentos na atividade neural e fluxo metabólico se sobrepõem 14,15,16,17. O método apresentado aqui para medir os níveis de monocarboxilato, glicose e ATP usando sensores FRET codificados geneticamente expressos no cérebro da larva permite que os pesquisadores aprendam mais sobre como o cérebro de Drosophila usa energia, que pode ser aplicada aos cérebros de outros animais.

Mostramos que este método é eficaz na detecção de lactato e glicose em células gliais e neurônios, e que um transportador monocarboxilato (Chaski) está envolvido na importação de lactato para as células gliais. Também demonstramos um método simples para estudar as alterações dos metabólitos durante o aumento da atividade neuronal, que pode ser facilmente induzido pela aplicação em banho de um antagonista do receptor_{GABA A} . Finalmente, mostramos que esta metodologia pode ser usada para medir o transporte de monocarboxilato e glicose em outros tecidos metabolicamente significativos, como corpos adiposos.