The study of AQP4-mediated cell volume regulation in astrocytoma cells

Abstract

The aquaporin family (AQP0-AQP12) are water channels that allow bi-directional water transport driven by osmotic and hydrostatic forces. In the brain, AQP4 is the predominant water channel, mainly expressed at endfeet of astrocytes facing the pia and blood vessels. The polarized expression of AQP4 and the high water permeability, suggest an important role of AQP4 in water homeostasis in the brain. AQP4 may play a crucial role in formation, maintenance and resolution of brain edema, a complication after brain injury. Following traumatic brain injury, various mediators are released which may enhance brain edema formation. These mediators include histamine and glutamate. An in vitro model for cell volume regulation by applying a hypotonic shock to human 1321-N1 astrocytoma cells to induce cell swelling, was developed to investigate the effects of histamine and glutamate. Histamine and glutamate both induced a dose-dependent inhibition of hypotonicity induced cell swelling. Immunocytochemistry experiments showed that both mediators caused internalization of AQP4 from the membrane to the cytoplasm. This reduction of AQP4 in the membrane reduces hypotonicity induced cell swelling. To unravel the molecular mechanism of histamine and glutamate, intracellular calcium was investigated. Histamine induced an initial increase in intracellular calcium followed by a decline of [Ca2+ i] or a prolonged elevated plateau. Glutamate induced a small transient rice in intracellular calcium. It is not yet known how calcium causes AQP4 internalization. But the results indicate that histamine and glutamate have an effect on AQP4 mediated water fluxes, which could have important consequences during the course of brain edema. A fast removal of the excess brain fluid is crucial. High levels of AQP4 may be beneficial for rapid clearance of brain edema. Further research on AQP4 and mediators released after traumatic brain injury can lead to an appropriate treatment. ABSTRACT De aquaporine familie (AQP0-AQP12) bestaat uit water kanaaltjes die instaan voor watertransport gedreven door osmotische en hydrostatische krachten. De AQP-4 expressie in de hersenen is hoog in de membranen van de eindvoetjes van de astrocyten die contact maken met microcapillairen en de pia. Deze gepolarizeerde expressie van AQP4 en de hoge water permeabiliteit dat het bezit, suggereren een belangrijke rol voor AQP4 in de hersen waterhomeostase. AQP4 kan een belangrijke rol spelen in de vorming, behoud en klaring van hersenoedeem. Hersenoedeem is een belangrijke complicatie die kan optreden na een trauma. Na een hersentrauma worden verschillende neuronale mediatoren, zoals histamine en glutamaat, vrijgezet in het extracellular vocht die hersenoedeem kunnen versterken. Om de effecten van histamine en glutamaat te onderzoeken, werd een in vitro model voor hersen oedeem ontwikkeld. Een hypotone shock werd toegediend aan 1321-N1 menselijke astrocytoma cellen om op deze manier celzwelling te induceren. Histamine en glutamaat induceren een dosis-afhankelijke inhibitie van de celzwelling. Immunocytochemie toonde aan dat deze mediatoren een internalisatie van AQP4 van het membraan naar het cytoplasma veroorzaken. Deze vermindering van AQP4 in het membraan kan verantwoordelijk zijn voor de daling in celzwelling. Om het moleculair mechanisme achter de effecten van histamine en glutamaat te achterhalen, werd er gefocusd op calcium als mogelijke mediator. Histamine induceerde een dosis-afhankelijke stijging in intracellulair calcium gevolgd door een daling of een plateau van de [Ca2+ i]. Bij glutamaat werd slechts een kleine stijging gezien van het intracellulair calcium. Uit de bekomen resultaten kan worden besloten dat histamine en glutamaat een effect hebben op AQP4 gemedieeerde waterfluxen. Dit kan gevolgen hebben voor het verloop van hersenoedeem. Een snelle klaring van het overvloedige vocht is dan cruciaal. Een hoge expressie van AQP4 in de celmembraan zou dus voordelig zijn om zo tot een snelle klaring van hersenoedeem te komen. Verder onderzoek zou dan kunnen leiden naar een geschikte behandeling voor hersenoedeem.