Chemical Functionalization of Graphene To Augment Stem Cell Osteogenesis and Inhibit Biofilm Formation on Polymer Composites for Orthopedic Applications

Toward designing the next generation of resorbable biomaterials for orthopedic applications, we studied poly(epsilon-caprolactone) (PCL) composites containing graphene. The role, if any, of the functionalization of graphene on mechanical properties, stem cell response, and biofilm formation was systematically evaluated. PCL composites of graphene oxide (GO), reduced GO (RGO), and amine-functionalized GO (AGO) were prepared at different filler contents (1%, 3%, and 5%). Although the addition of the nanoparticles to PCL markedly increased the storage modulus, this increase was largest for GO followed by AGO and RGO. In vitro cell studies revealed that the AGO and GO particles significantly increased human mesenchymal stem cell proliferation. AGO was most effective in augmenting stem cell osteogenesis leading to mineralization. Bacterial studies revealed that interaction with functionalized GO induced bacterial cell death because of membrane damage, which was further accentuated by amine groups in AGO. As a result, AGO composites were best at inhibiting biofilm formation. The synergistic effect of oxygen containing functional groups and amine groups on AGO imparts the optimal combination of improved modulus, favorable stem cell response, and biofilm inhibition in AGO-reinforced composites desired for orthopedic applications. This work elucidates the importance of chemical functionalization of graphene in polymer composites for biomedical applications.

Simultaneous determination of microcystin-LR and its glutathione conjugate in fish tissues by liquid chromatography-tandem mass spectrometry

A sensitive and selective liquid chromatography-tandem mass spectrometry method was developed and validated for the simultaneous quantitative determination of microcystin-LR (MC-LR) and its glutathione conjugate (MC-LR-GSH) in fish tissues. The analytes were extracted from fish liver and kidney using 0.01 M EDTA-Na-2-5% acetic acid, followed by a solid-phase extraction (SPE) on Oasis HLB and silica cartridges. High-performance liquid chromatography (HPLC) with electrospray ionization mass spectrometry, operating in selected reaction monitoring (SRM) mode, was used to quantify MC-LR and its glutathione conjugate in fish liver and kidney. Recoveries of analytes were assessed at three concentrations (0.2, 1.0, and 5 mu g g(-1) dry weight [DW]) and ranged from 91 to 103% for MC-LR, and from 65.0 to 75.7% for MC-LR-GSH. The assay was linear within the range from 0.02 to 5.0 mu g g(-1) DW, with a limit of quantification (LOQ) of 0.02 mu g g(-1) DW. The limit of detection (LOD) of the method was 0.007 mu g g(-1) DW in both fish liver and kidney. The overall precision was determined on three different days. The values for within- and between-day precision in liver and kidney were within 15%. This method was applied to the identification and quantification of MC-LR and its glutathione conjugate in liver and kidney of fish with acute exposure of MC-LR. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Large-scale recovery of C-phycocyanin from Spirulina platensis using expanded bed adsorption chromatography

C-phycocyanin was purified on a large scale by a combination of expanded bed adsorption, anion-exchange chromatography and hydroxyapatite chromatography from inferior Spirulina platensis that cannot be used for human consumption. First, phycobiliproteins were extracted by a simple, scaleable method and then were recovered by Phenyl-Sepharose chromatography in an expanded bed column. The purity (the A(620)/A(280) ratio) of C-phycocyanin isolated with STREAMLINE (TM) Column was up to 2.87, and the yield was as high as 31 mg/g of dried S. platensis. After the first step, we used conventional anion-exchange chromatography for the purification steps, with a yield of 7.7 mg/g of dried S. platensis at a purity greater than 3.2 and with an A(620)/A(650) index higher than 5.0. The fractions from anion-exchange chromatography with a level of purity that did not conform to the above standard were subjected to hydroxyapatite chromatography, with a C-PC yield of 4.45 mg/g of dried S. platensis with a purity greater than 3.2. The protein from both purification methods showed one absolute absorption peak at 620 nm and a fluorescence maximum at 650 nm, which is consistent with the typical spectrum of C-phycocyanin. SDS-PAGE gave two bands corresponding to 21 and 18 kDa. In-gel digestion and LC-ESI-MS showed that the protein is C-phycocyanin. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Comparison of the efficiences of enzymatic and chemical hydrolysis of (nortestosterone and diethylstilboestrol) glucuronides in bovine urine

Residues of 19-nortestosterone (19-NT) and diethylstilboestrol (DES) are excreted in bovine urine, mainly conjugated to glucuronic acid. Prior to quantification, urine must be deconjugated, which is commonly performed by enzymatic or chemical hydrolysis. The efficiencies of two enzymatic and two chemical deconjugation methods were studied. The range of efficiencies obtained for DES were 51.8% (beta -glucuronidase, incubation at 37 degreesC overnight) and 2.7% (methanolic HCl), respectively. Similarly, efficiencies for NT ranged from 43.1% (beta -glucuronidase, incubation at 55 degreesC for 2 h) to 12.7% (methanolic HCl). The results highlight that within control laboratories significant underestimation of drug residue content in samples may occur, due to poor deconjugation. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Determination of thyreostat residues from bovine matrices using high-performance liquid chromatography

High-performance liquid chromatography (HPLC) methodologies were evaluated for the detection and quantification of thyreostatic drug residues in cattle serum and thyroid tissue. The paper details a protocol, using a simple ethyl acetate extraction for the determination of thiouracil, tapazole, methyl thiouracil, propyl thiouracil and phenyl thiouracil in thyroid tissue. Using two sequential HPLC injections, and quantitative analysis, in two steps, all five thyreostats were detectable at concentrations greater than 2.45-4.52 ng/g. Modifications to a published method for detection of thyreostatic residues in serum involving the addition of mercaptoethanol and a freezing step are described. The modifications improved sensitivity and allowed detection of the five thyreostats at levels greater than 16.98-35.25 ng/ml. Young bulls were treated with thyreostats to demonstrate the validity of the methodologies described. Administered thyreostats were not absorbed equally by the test animals and the compounds were not all detected in the serum samples removed at 7 days following drug withdrawal. These experiments indicate the necessity to be able to detect thyreostat residues in a variety of matrices. (C) 1998 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Stoichiometric Molecularly Imprinted Polymers for the Recognition of Anti-Cancer Pro-drug Tegafur

Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) targeting tegafur, an anti-cancer 5-fluorouracil pro-drug, have been prepared by stoichiometric imprinting using 2,6-bis(acrylamido)pyridine (BAAPy) as the functional monomer. Solution association between tegafur and BAAPy was studied by 1H NMR titration, which confirmed the formation of 1:1 complexes with an affinity constant of 574±15 M-1 ¬in CDCl3. Evaluation of the synthesised materials by HPLC and equilibrium rebinding experiments revealed high selectivity of the imprinted polymer for the pro-drug versus 5-fluorouracil and other competing analytes, with maximum imprinting factors of 25.3 and a binding capacity of 45.1 μmol g-1. The synthesised imprinted polymer was employed in solid-phase extraction of the pro-drug using an optimised protocol that included a simple wash with the porogen used in the preparation of the material. Tegafur recoveries of up to 96% were achieved from aqueous samples and 92% from urine samples spiked with the template and three competing analytes. The results demonstrate the potential of the prepared polymers in the pre-concentration of tegafur from biological samples, which could be an invaluable tool in the monitoring of patient compliance and drug uptake and excretion.

Engineering Simulations

Over recent years, ionic liquids have emerged as a class of novel fluids that have inspired the development of a number of new products and processes. The ability to design these materials with specific functionalities and properties means that they are highly relevant to the growing philosophy of chemical-product design. This is particularly appropriate in the context of a chemical industry that is becoming increasingly focussed on small-volume, high-value added products with relatively short times to market. To support such product and process development, a number of tools can be utilised. A key requirement is that the tool can predict the physical properties and activity coefficients of multi-component mixtures and, if required, model the process in which the materials will be used. Multi-scale simulations that span density functional theory (DFT) to process-engineering computations can address the relevant time and length scales and have increased in usage with the availability of cheap and powerful computers. Herein we will discuss the area of engineering calculations relating to the design of ionic liquid processes, that is, the computational tools that bridge this gap and allow for process simulation tools to utilise and assist in the design of ionic liquids. It will be shown that, at present, it is possible to use available tools to estimate many important properties of ionic liquids and mixtures containing them with a sufficient level of accuracy for preliminary design and selection.

Revêtement anti-apoptotique à base de chondroïtine sulfate : vers un stent-graft bioactif

La réparation endovasculaire (EVAR) est une technique minimalement invasive permettant de traiter l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) par l’entremise d’un stent- graft (SG). L’utilisation d’EVAR est actuellement limitée par de fréquentes complications liées à une guérison inadéquate autour de l’implant. Ce manque de guérison est principalement dû au type de recouvrement polymérique des SG, au milieu pro-apoptotique des AAA et à l’accès réduit aux nutriments et à l’oxygène après EVAR. L’objectif de cette thèse consistait à concevoir un revêtement bioactif permettant d’inhiber l’apoptose et stimuler la croissance des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV), pour ainsi favoriser la guérison des tissus vasculaires autour des SG. La chondroïtine-4-sulfate (CS) a d’abord été choisie, car elle a été identifiée comme un médiateur important de la réparation vasculaire. Il a été démontré que la CS en solution influence directement la résistance à l’apoptose des CMLV, en plus de favoriser la différenciation myofibroblastique chez les fibroblastes. Dans le cadre de ce projet, un premier revêtement à base de CS et de collagène a été créé. Bien que le revêtement permettait d’induire une résistance à l’apoptose chez les CMLV, il se désintégrait trop rapidement dans des conditions aqueuses. Une nouvelle méthodologie a donc été adaptée afin de greffer la CS directement sur des surfaces aminées, à l’aide d’un système utilisant un carbodiimide. Dans le but d’accroître la croissance des CMLV à la surface des revêtements, le facteur de croissance de l’épiderme (EGF) a ensuite été sélectionné. En plus de ses propriétés mitogéniques et chimiotactiques, l’EGF stimule la production d’éléments de la matrice extracellulaire, comme le collagène et la fibronectine. De plus, l’activation du récepteur de l’EGF inhibe également l’apoptose des CMLV. L’EGF a donc été greffé sur la CS. Le revêtement de CS+EGF a démontré une bonne uniformité et bioactivité sur des surfaces de verre aminé. iii iv Dans une 3ème étape, afin de permettre de transposer ce revêtement bioactif sur des implants, plusieurs méthodes permettant de créer des groupements d’amines primaires sur les biomatériaux polymériques comme le PET ou le ePTFE ont été étudiées. La polymérisation par plasma a été choisie pour créer le revêtement CS+EGF à la surface de PET. Une fois de plus, celui-ci a permis d’inhiber l’apoptose des CMLV, dans des conditions pro-apoptotiques, et de favoriser la croissance des cellules. Le revêtement de CS et d’EGF, déposé sur des surfaces aminées, possède des caractéristiques biologiques intéressantes et semble donc prometteur pour favoriser une meilleure guérison autour des SG.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

New insights into the substrate specificities of microbial transglutaminase: a biocatalytic perspective

La transglutaminase microbienne (Microbial transglutaminase : MTG) est fortement exploitée dans l’industrie textile et alimentaire afin de modifier l’apparence et la texture de divers produits. Elle catalyse la formation de liaisons iso-peptidiques entre des protéines par l’entremise d’une réaction de transfert d’acyle entre le groupement γ-carboxamide d’une glutamine provenant d’un substrat donneur d’acyle, et le groupement ε-amino d’une lysine provenant d’un substrat accepteur d’acyle. La MTG est tolérante à un large éventail de conditions réactionnelles, ce qui rend propice le développement de cette enzyme en tant que biocatalyseur. Ayant pour but le développement de la MTG en tant qu’alternative plus soutenable à la synthèse d’amides, nous avons étudié la réactivité d’une gamme de substrats donneurs et accepteurs non-naturels. Des composés chimiquement diversifiés, de faible masse moléculaire, ont été testés en tant que substrats accepteurs alternatifs. Il fut démontré que la MTG accepte une large gamme de composés à cet effet. Nous avons démontré, pour la première fois, que des acides aminés non-ramifiés et courts, tels la glycine, peuvent servir de substrat accepteur. Les α-acides aminés estérifiés Thr, Ser, Cys et Trp, mais pas Ile, sont également réactifs. En étendant la recherche à des composés non-naturels, il fut observé qu’un cycle aromatique est bénéfique pour la réactivité, bien que les substituants réduisent l’activité. Fait notable, des amines de faible masse moléculaire, portant les groupements de forte densité électronique azidure ou alcyne, sont très réactives. La MTG catalyse donc efficacement la modification de peptides qui pourront ensuite être modifiés ou marqués par la chimie ‘click’. Ainsi, la MTG accepte une variété de substrats accepteurs naturels et non-naturels, élargissant la portée de modification des peptides contenant la glutamine. Afin de sonder le potentiel biocatalytique de la MTG par rapport aux substrats donneurs, des analogues plus petits du peptide modèle Z-Gln-Gly furent testés; aucun n’a réagi. Nous avons toutefois démontré, pour la première fois, la faible réactivité d’esters en tant que substrats donneurs de la MTG. L’éventuelle amélioration de cette réactivité permettrait de faire de la MTG un biocatalyseur plus général pour la synthèse d’amides. Mots clés: Lien amide, biocatalyse, biotransformation, transglutaminase, arrimage moléculaire, criblage de substrats, ingénierie de substrats.

Études structurales par résonance magnétique nucléaire du ribozyme VS de Neurospora

Le ribozyme VS de Neurospora catalyse des réactions de clivage et de ligation d’un lien phosphodiester spécifique essentielles à son cycle de réplication. Il est formé de six régions hélicales (I à VI), qui se divisent en deux domaines, soit le substrat (SLI) et le domaine catalytique (tiges II à VI). Ce dernier comprend deux jonctions à trois voies qui permettent de reconnaître le substrat en tige-boucle de façon spécifique. Ce mode de reconnaissance unique pourrait être exploité pour cibler des ARN repliés pour diverses applications. Bien que le ribozyme VS ait été caractérisé biochimiquement de façon exhaustive, aucune structure à haute résolution du ribozyme complet n’a encore été publiée, ce qui limite la compréhension des mécanismes inhérents à son fonctionnement. Précédemment, une approche de divide-and-conquer a été initiée afin d’étudier la structure des sous-domaines importants du ribozyme VS par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) mais doit être complétée. Dans le cadre de cette thèse, les structures de la boucle A730 et des jonctions III-IV-V et II-III-VI ont été déterminées par spectroscopie RMN hétéronucléaire. De plus, une approche de spectroscopie RMN a été développée pour la localisation des ions divalents, tandis que diverses approches de marquage isotopique ont été implémentées pour l’étude d’ARN de plus grandes tailles. Les structures RMN de la boucle A730 et des deux jonctions à trois voies révèlent que ces sous-domaines sont bien définis, qu’ils sont formés de plusieurs éléments structuraux récurrents (U-turn, S-turn, triplets de bases et empilement coaxial) et qu’ils contiennent plusieurs sites de liaison de métaux. En outre, un modèle du site actif du ribozyme VS a été construit sur la base des similarités identifiées entre les sites actifs des ribozymes VS et hairpin. Dans l’ensemble, ces études contribuent de façon significative à la compréhension de l’architecture globale du ribozyme VS. De plus, elles permettront de construire un modèle à haute résolution du ribozyme VS tout en favorisant de futures études d’ingénierie.