Axonal plasticity in response to active forces generated through magnetic nano-pulling

Mechanical force is crucial in guiding axon outgrowth before and after synapse formation. This process is referred to as "stretch growth." However, how neurons transduce mechanical input into signaling pathways remains poorly understood. Another open question is how stretch growth is coupled in time with the intercalated addition of new mass along the entire axon. Here, we demonstrate that active mechanical force generated by magnetic nano-pulling induces remodeling of the axonal cytoskeleton. Specifically, the increase in the axonal density of microtubules induced by nano-pulling leads to an accumulation of organelles and signaling vesicles, which, in turn, promotes local translation by increasing the probability of assembly of the "translation factories." Modulation of axonal transport and local translation sustains enhanced axon outgrowth and synapse maturation

Meccanismi molecolari coinvolti nella crescita indotta da stimoli meccanici

I neuroni sono cellule altamente polarizzate, in grado di percepire e rispondere a stimoli chimici e a forze provenienti dall’ambiente esterno (esogene). Queste forze sono in grado di stimolare la crescita assonale. Un metodo per generare forze esogene è basato sull’uso di nanoparticelle magnetiche (MNP) di ossido di ferro, che vengono naturalmente internalizzate dai neuroni. È possibile, infatti, generare forze meccaniche su neuroni marcati con MNP attraverso l’applicazione di campi magnetici esterni. Con l’impiego di questa metodologia, ho studiato in neuroni ippocampali di topo le modifiche indotte a livello nucleare, locale e nella maturazione sinaptica dall’applicazione di forze meccaniche. A livello nucleare ho indagato le differenze morfologiche. Per i fenomeni locali (traduzione locale e trasporto assonale) ho studiato la relazione tra il trasporto dei granuli di RNA e gli endosomi tardivi, poiché studi in letteratura suggeriscono il ruolo di endosomi tardivi come delle piattaforme per la sintesi di nuove proteine. Dalle analisi condotte ho osservato un aumento significativo nella frequenza di co-localizzazioni nei neuroni soggetti a stretching meccanico. Infine, la maturazione sinaptica è stata valutata con diversi approcci e a diversi timepoint. I dati raccolti suggeriscono che lo stimolo meccanico acceleri il processo di maturazione sinaptica. I risultati ottenuti aprono nuove interessanti strade nella comprensione dei meccanismi alla base della crescita assonale indotta da forze esogene suggerendo lo sviluppo di nuovi target terapeutici, utili per guidare e potenziare i fenomeni di rigenerazione nervosa a seguito di lesione o malattia

Unveiling nanoscale optical signatures of cytokine-induced β-cell dysfunction

Abstract Pro-inflammatory cytokines contribute to β-cell failure in both Type-1 and Type-2 Diabetes. Data collected so far allowed to dissect the genomic, transcriptomic, proteomic and biochemical landscape underlying cytokine-induced β-cell progression through dysfunction. Yet, no report thus far complemented such molecular information with the direct optical nanoscopy of the β-cell subcellular environment. Here we tackle this issue in Insulinoma 1E (INS-1E) β-cells by label-free fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) and fluorescence-based super resolution imaging by expansion microscopy (ExM). It is found that 24-h exposure to IL-1β and IFN-γ is associated with a neat modification of the FLIM signature of cell autofluorescence due to the increase of either enzyme-bound NAD(P)H molecules and of oxidized lipid species. At the same time, ExM-based direct imaging unveils neat alteration of mitochondrial morphology (i.e. ~ 80% increase of mitochondrial circularity), marked degranulation (i.e. ~ 40% loss of insulin granules, with mis-localization of the surviving pool), appearance of F-actin-positive membrane blebs and an hitherto unknown extensive fragmentation of the microtubules network (e.g. ~ 37% reduction in the number of branches). Reported observations provide an optical-microscopy framework to interpret the amount of molecular information collected so far on β-cell dysfunction and pave the way to future ex-vivo and in-vivo investigations