New Approaches for Chemical Analysis of Single Cells and Vesicles
Doktorsavhandling, 2018

Exocytosis is the major cell-to-cell communication process in the nervous system, involving the conversion of an electrical signal (e.g. action potential) to a chemical one. Signaling molecules like neurotransmitters, hormones and/or peptides are stored in vesicles inside the cell. During exocytosis, calcium triggers the release of the vesicular cargo through SNARE-complex mediated fusion of the vesicles with the plasma (outer-membrane) of the cell. Consequently, a transient pore is formed through which the vesicular cargo is released into the extracellular space and is there able to interact with receptors of target cells. Most often, the pore closes again only allowing a fraction of the cargo to be released, so called partial release or kiss-and-run exocytosis. The extent of partial release is modulated by the intracellular calcium concentration, which can be regulated by the strength of the stimuli or with pharmaceuticals. Despite the importance of this process and the efforts that have been done to resolve the fundamental regulatory mechanisms of exocytosis, much remains unknown. In order to gain understanding of how the amount of vesicular cargo released is regulated, information about the total vesicular cargo (quantal content) has to be obtained. Until recently, no method aiming for quantification of the full quantal content existed. Our group has successfully developed an electrochemical method called vesicle impact electrochemical cytometry (VIEC) that allows direct quantification of the vesicular content in secretory granules as demonstrated with large dense-core granules from chromaffin and pheochromocytoma (PC12) cells. Chromaffin cells of the adrenal medulla are the body´s stress response output, and the best studied model system for exocytosis. The large-dense core vesicles of chromaffin cells contain a very important group of neurotransmitters and hormones, namely the catecholamines (e.g. dopamine, norepinephrine and epinephrine). The catecholamines are electroactive, and can readily be oxidized at the surface of a polarized electrode to give away two electrons per molecule. By counting the number of electrons passed through the system (charge) and knowing the charge of one mole of electrons (Faraday´s constant) the number of molecules can be quantified. In the intracellular or IVIEC method a conical nanotip carbon electrode is used to pierce into the cytosol of a living cell, allowing the vesicles to adsorb onto its surface. The vesicles burst open due to the electric field at the polarized electrode and the vesicular cargo is released towards the electrode surface and is oxidized, which allows the full content to be detected. VIEC is an electrochemical method that potentially can be applied to study the quantal content of the electroactive vesicular content of other cell types like mast cells and blood platelets, that contain both histamine and serotonin.

Electrochemistry

Analytical chemistry

Chemistry

Exocytosis

Catecholamines

Gustaf Dalén salen
Opponent: Adrian Michael, University of Pittsburgh

Författare

Johan Dunevall

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Analytisk kemi

Characterizing the Catecholamine Content of Single Mammalian Vesicles by Collision-Adsorption Events at an Electrode

Journal of the American Chemical Society,; Vol. 137(2015)p. 4344-4346

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Spatial Resolution of Single-Cell Exocytosis by Microwell-Based Individually Addressable Thin Film Ultramicroelectrode Arrays

Analytical Chemistry,; Vol. 86(2014)p. 4515-4520

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Excited Fluorophores Enhance the Opening of Vesicles at Electrode Surfaces in Vesicle Electrochemical Cytometry

Angewandte Chemie - International Edition,; Vol. 55(2016)p. 15081-15085

Artikel i vetenskaplig tidskrift

On the mechanism of electrochemical vesicle cytometry: chromaffin cell vesicles and liposomes

Faraday Discussions,; Vol. 193(2016)p. 65-79

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Nano Secondary Ion Mass Spectrometry Imaging of Dopamine Distribution Across Nanometer Vesicles

ACS Nano,; Vol. 11(2017)p. 3446-3455

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Quantitative Measurement of Transmitters in Individual Vesicles in the Cytoplasm of Single Cells with Nanotip Electrodes

Angewandte Chemie - International Edition,; Vol. 54(2015)p. 11978-11982

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Mechanistic Aspects of Vesicle Opening during Analysis with Vesicle Impact Electrochemical Cytometry

Analytical Chemistry,; Vol. 89(2017)p. 9416-9423

Artikel i vetenskaplig tidskrift

För att kunna åstadkomma något som är större än den enskilda individen så krävs kommunikation. Vi människor använder oss av verbal kommunikation i form av ord som kan uttryckas på olika språk och med olika betoning. Betoningen, hur något uttrycks kan effektivt användas för att förmedla ett tillstånd, om något är väldigt viktigt och måste ske fort eller kanske kan vänta lite. Celler i våra kroppar använder samma teknik i deras kommunikation, de använder olika signalsubstanser vilket kan liknas med olika språk. De kan reglera styrkan i kommunikationen, vilket är väldigt likt vårat sätt att sätta betoning på saker som är viktiga. Så hur kan cellen ändra sin betoning när de kommunicerar med varandra? Inne i cellen så lagras signalsubstanser i små såpbubbel liknande lagringsenheter som kallas för vesiklar. Dessa vesiklar skickas runt som paket inne i cellen med specifika leverans addresser. Vesiklar som används för kommunikation har en leveransadress som är insidan av det yttre membranet på cellen. Där sitter vesikeln och inväntar en signal att påbörja kommunikationen. När det väl händer bildas det ett hål mellan vesikeln och cellens yttre membran, genom att reglera storleken på detta hålet, kan cellen bestämma dels vilka signalsubstanser som den väljer att använda i kommunikationen men även betoningen. Cellen kan även bestämma hur många vesiklar den bestämmer att skicka till leveransadressen ’yttre membranet’ och på så sätt styra betoningen. Det här sättet att kommunicera på kallas exocytos och är det huvudsakliga sättet celler kommunicerar med varandra i våra kroppar. Resultatet av den här kommunikationen resulterar i vilka beslut vi tar, hur vi mår, till och med styr över våran personlighet. Brister i kommunikationen är associerade med allvarliga sjukdomar bland annat Parkinsons, Alzheimers och Huntingtons sjukdom. Våra kunskaper idag gällande hur cellerna praktiskt gör för att reglera den här kommunikationen är begränsad. För att bredda våra kunskaper inom området, är det viktigt att vi utvecklar nya metoder som gör det möjligt att på enskild cellnivå och till och med enskild vesikel nivå studera faktorer som påverkar cellens förmåga att reglera sin kommunikation. Sådana metoder presenteras i den här avhandlingen.

Ämneskategorier

Cellbiologi

Cell- och molekylärbiologi

Medicinsk bioteknologi (med inriktning mot cellbiologi (inklusive stamcellsbiologi), molekylärbiologi, mikrobiologi, biokemi eller biofarmaci)

Infrastruktur

Infrastruktur för kemisk avbildning

ISBN

978-91-7597-678-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 0346-718X

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Gustaf Dalén salen

Opponent: Adrian Michael, University of Pittsburgh