Neuronal culture microenvironments determine preferences in bioenergetic pathway use

Abstract

In the brain, metabolic supply and demand is directly coupled to neuronal activation. Methods for culturing primary rodent brain cells have come of age and are geared toward sophisticated modeling of human brain physiology and pathology. However, the impact of the culture microenvironment on neuronal function is rarely considered. Therefore, we investigated the role of different neuronal culture supplements for neuronal survival and metabolic activity in a model of metabolic deprivation of neurons using oxygen deprivation, glucose deprivation, as well as live cell metabolic flux analysis. We demonstrate the impact of neuronal culture conditions on metabolic function and neuronal survival under conditions of metabolic stress. In particular we find that the common neuronal cell culture supplement B27 protects neurons from cell death under hypoxic conditions and inhibits glycolysis. Furthermore, we present data that B27 as well as the alternative neuronal culture supplement N2 restrict neuronal glucose metabolism. On the contrary, we find that the more modern supplement GS21 promotes neuronal energy metabolism. Our data support the notion that careful control of the metabolic environment is an essential component in modeling brain function and the cellular and molecular pathophysiology of brain disease in culture.

Im Gehirn sind die metabolische Versorgung und der metabolische Bedarf direkt mit der neuronalen Aktivität verknüpft. Methoden zur Kultivierung primärer Nagetierhirnzellen sind ausgereift und richten sich auf die Modellierung der humanen Gehirnphysiologie und Pathologie. Dennoch wurde die Bedeutung der Kultivierungsbedingungen auf die neuronale Funktion bisher kaum betrachtet. Aus diesem Grund haben wir die Rolle der verschiedenen Kultivierungszusätze auf das neuronale Überleben und die metabolische Aktivität in einem metabolischen Entzugsmodell untersucht. Dieses beinhaltet den Entzug von Sauerstoff bzw. Glukose sowie die Messung des metabolischen Flusses an lebenden Zellen. Wir konnten die Bedeutung der neuronalen Kultivierungsbedingungen auf die metabolische Funktion und das neuronale Überleben unter metabolischen Stressbedingungen demonstrieren. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass B27, ein verbreiteter neuronaler Kultivierungszusatz, Neurone vor dem Zelltod unter hypoxischen Bedingungen schützt und die Glykolyse inhibiert. Außerdem konnten wir zeigen, dass B27, genau wie der alternative Kultivierungszusatz N2, den neuronalen Glukosemetabolismus einschränkt. Im Gegensatz dazu haben wir herausgefunden, dass der modernere Zusatz GS21 den neuronalen Energiemetabolismus unterstützt. Unsere Daten stützen die Aussage, dass die sorgfältige Kontrolle der metabolischen Kultivierungsbedingungen eine essentielle Komponente bei der Modellierung der Hirnfunktion, der zellulären und der molekularen Pathophysiologie von Gehirnerkrankungen in der Zellkultur darstellt.