High-Resolution Respirometry for Metabolic Profiling of Acute Rat Hippocampal Slices

Abstract

Ainda existem muitas questões por responder no campo da bioenergética cerebral e a questão de quais são os substratos que normalmente abastecem o metabolismo cerebral ainda não foi resolvida. Em particular, não é claro se a preferência por substratos é diferente entre neurónios e astrócitos, se essa preferência muda durante períodos de aumento da atividade neuronal ou se a via metabólica primária para metabolizar esse substrato é a glicólise aeróbia ou o ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA). Tentamos aqui contribuir para a compreensão desta problemática realizando respirometria de alta definição em fatias de hipocampo para avaliar a bioenergética do tecido em vários estados metabólicos. Usando fatias de hipocampo intactas, as intrincadas interações celulares entre neurónios e astrócitos são mantidas, assim como os circuitos neuronais, aspetos que certamente têm um papel crítico na regulação de vias metabólicas e interações. Nós demonstramos que a ativação de fatias de hipocampo por glutamato exógeno leva ao aumento do metabolismo oxidativo, sugerindo maior atividade do ciclo TCA e pouca ou nenhuma contribuição da glicólise aeróbia. Demonstramos, também, que tanto a respiração basal como o aumento da respiração induzida pelo glutamato podem ser abastecidas pelo lactato. Estes resultados sugerem que as células do hipocampo possuem a podem usar lactato como substrato do metabolismo oxidativo e que mesmo numa situação de atividade neuronal aumentada, o lactato é uma alternativa à glucose. Tal como previsto, a titulação de óxido nítrico (•NO) diminuiu a taxa de consumo de oxigénio (OCR) em fatias de hipocampo. Este efeito do •NO já tinha sido descrito em mitocôndrias isoladas, sinaptossomas e células intactas, mas nunca em fatias de hipocampo de rato, um modelo que mantêm a citoarquitectura neuronal e a relação celular funcional entre neurónios e astrócitos.

There are still many unanswered questions in the field of brain bioenergetics and the question of which substrates normally fuel brain metabolism remains unresolved. In particular, it is not clear whether substrate preference is different between neurons and astrocytes, if this preference changes during increased neuronal activity or if the primary pathway to metabolize said substrate is aerobic glycolysis or the tricarbocylic acid (TCA) cycle. Here we attempt to offer some insight on this problematic by performing highresolution respirometry on acute hippocampal slices to evaluate tissue bioenergetics under different metabolic states. By using intact hippocampal slices, the intricate cellular interactions between neurons and astrocytes are maintained, as well as the neuronal circuitry, aspects that certainly have a critical role in the regulation of such metabolic pathways and crosstalks. We show that activation of hippocampal slices by exogenous glutamate leads to an increase in oxidative metabolism, suggesting higher TCA cycle activity and little to no contribution of aerobic glycolysis. We also show that both basal and activity-induced increase of respiration in hippocampal slices can be fuelled by lactate. These results suggest that hippocampal cells readily use lactate as a substrate of oxidative metabolism and that even in the situation of increased neuronal activity, lactate is a good alternative to glucose. As predicted, •NO titration decreased oxygen consumption rate (OCR) in acute rat hippocampal slices. This effect of nitric oxide on mitochondrial respiration has been showed in isolated mitochondria, synaptosomes and intact cells, but not in rat hippocampal slices, a model that maintains the neural cytoarchitecture and the functional cellular relationship between neurons and astrocytes.