Changes of the eExtracellular space diffusion parameters during acute pathological states in the rodent brain and the role of AQP4 channels in cell swelling

Abstract

1. SOUHRN Difúze neuroaktivních látek v extracelulárním prostoru (ECP) je základním mechanizmem extrasynaptického přenosu. Rychlost extracelulární difúze je určena difúzními parametry ECP, které se výrazně mění během stavů, spojených se změnami objemu buněk. V naší práci jsme porovnávali změny difúzních parametrů ECP v průběhu akutního zvýšení objemu buněk in vivo v modelech pilokarpinem vyvolaného status epilepticus (SE) a během terminální ischemie/anoxie. Úlohu aquaporinového kanálu AQP4 v mechanizmech změn buněčného objemu jsme studovali pomocí aplikace hypotonického roztoku nebo roztoku se zvýšenou koncentrací K+ na řezech geneticky modifikovaných myší. Difúzní parametry ECP, t.j. objemová frakce  ( = objem ECS/celkový objem tkáně), tortuozita  (2 = aparentní difúzní koeficient/difúzní koeficient ve volném médiu) a nespecifický uptake (k'), byly stanoveny iontoforetickou metodou v realném čase ("real-time iontophoretic method" - RTI). RTI představovala hlavní použitou metodu v mé diplomové práci. Změny extracelulární koncentrace K+ ([K+ ]e) byly měřeny pomocí iontově-selektivních mikroelektrod. Apparentní difúzní koeficient vody (ADCW) byl stanoven difúzní váženou MRI. V obou použitých modelech in vivo došlo ke snížení hodnot objemové frakce ECP a ADCW; tyto změny byly větší a rychlejší během...

1. SUMMARY The diffusion properties of the extracellular space (ECS), which govern the movement of neuroactive substances through its volume and thus extrasynaptic transmission, are profoundly affected in states associated with cell swelling. In this work we compared ECS diffusion parameter changes during acute cell swelling in vivo in models of pilocarpine-induced status epilepticus (SE) and ischemia/anoxia evoked by cardiac arrest. To elucidate mechanisms involving the aquaporin 4 (AQP4) water channel in pathological cell swelling, we used models of hypotonic stress and elevated K+ in coronal slices of genetically modified mice. The ECS diffusion parameters volume fraction  ( = ECS volume/total tissue volume), tortuosity factor  (2 = apparent diffusion coefficient/free diffusion coefficient) and non-specific uptake (k') were determined by the real-time iontophoretic method, which was the primary method used in my thesis work. Changes in the activity-related extracellular K+ concentration ([K+ ]e) were measured using ion-selective microelectrodes. The apparent diffusion coefficient of water (ADCW) was determined by diffusion-weighted MRI. In both models in vivo, ECS volume fraction and ADCW decreased; these changes were more profound and their time course was faster during terminal ischemia/anoxia in...