Mesoporous silica-chondroitin sulphate hybrid nanoparticles for targeted and bio-responsive drug delivery

This work proposes the fabrication of a novel targeted drug delivery system based on mesoporous silica-biopolymer hybrids that can release drugs in response to biological stimuli present in cancer cells. The proposed system utilizes mesoporous silica nanoparticles as a carrier to host the drug molecules. A bio-polymer cap is attached onto these particles which serves the multiple functions of drug retention, targeting and bio-responsive drug release. The biopolymer chondroitin sulphate used here is a glycosaminoglycan that can specifically bind to receptors over-expressed in cancer cells. This molecule also possesses the property of disintegrating upon exposure to enzymes over-expressed in cancer cells. When these particles interact with cancer cells, the chondroitin sulphate present on the surface recognizes and attaches onto the CD44 receptors facilitating the uptake of these particles. The phagocytised particles are then exposed to the degradative enzymes, such as hyaluronidase present inside the cancer cells, which degrade the cap resulting in drug release. By utilizing a cervical cancer cell line we have demonstrated the targetability and intracellular delivery of hydrophobic drugs encapsulated in these particles. It was observed that the system was capable of enhancing the anticancer activity of the hydrophobic drug curcumin. Overall, we believe that this system might prove to be a valuable candidate for targeted and bioresponsive drug delivery.

Simultaneously targeting inflammatory response and parasite sequestration in brain to treat Experimental Cerebral Malaria

Malaria afflicts around 200 million people annually, with a mortality number close to 600,000. The mortality rate in Human Cerebral Malaria (HCM) is unacceptably high (15-20%), despite the availability of artemisinin-based therapy. An effective adjunct therapy is urgently needed. Experimental Cerebral Malaria (ECM) in mice manifests many of the neurological features of HCM. Migration of T cells and parasite-infected RBCs (pRBCs) into the brain are both necessary to precipitate the disease. We have been able to simultaneously target both these parameters of ECM. Curcumin alone was able to reverse all the parameters investigated in this study that govern inflammatory responses, CD8(+) T cell and pRBC sequestration into the brain and blood brain barrier (BBB) breakdown. But the animals eventually died of anemia due to parasite build-up in blood. However, arteether-curcumin (AC) combination therapy even after the onset of symptoms provided complete cure. AC treatment is a promising therapeutic option for HCM.

Application of capillary zone electrophoresis in the separation and determination of the curcuminoids in urine

The major components of the plant curcuma longa are the curcuminoids that include curcumin, demethoxycurcumin and bisdemethoxycurcumin. It has been reported the curcuminoids have some important activities. A new CZE method with diode array detection has been developed for the separation and determination of the curcumin, demethoxycurcumin and bisdemethoxycurcumin. Three curcuminoids could be readily separated within 7 min with a 15 mM sodium tetraborate buffer containing 10% methanol (v/v) at pH 10.8, 25 kV and 30 degrees C. The method has been validated and shows good performance with respect to selectivity, reproducibility, linearity, limits of detection and recovery. The proposed method was successfully applied to determine the curcuminoids in urine. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Formulações nanobiotecnológicas para vetorização da Curcumina e seus derivados

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas

Herbal Dietary Supplements: Safety, Efficacy, and Use by Breast Cancer Survivors

Gemstone Team IMAC (Integrative Medicine and Cancer)

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHS) (I): Measures of prevention and control

Measures of prevention and control against polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) focus on an official food control, a code of best practice to reduce PAHs levels by controlling industry and in the development of a chemopreventive strategy. Regulation (EU) 835/2011 establishes maximum levels of PAHs for each food group. In addition, Regulations (EU) 333/2007 and 836/2011 set up the methods of sampling and analysis for its official control. Scientific studies prove that the chemopreventive strategy is effective against these genotoxic compounds effects. Most chemopreventive compounds studied with proven protective effects against PAHs are found in fruit and vegetables.

The Saccharomyces cerevisiae quinone oxidoreductase Lot6p: stability, inhibition and cooperativity

Lot6p (EC 1.5.1.39; Ylr011wp) is the sole quinone oxidoreductase in the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae. Using hexahistidine tagged, recombinant Lot6p, we determined the steady-state enzyme kinetic parameters with both NADH and NADPH as electron donors; no cooperativity was observed with these substrates. The NQO1 inhibitor curcumin, the NQO2 inhibitor resveratrol, the bacterial nitroreductase inhibitor nicotinamide and the phosphate mimic vanadate all stabilise the enzyme towards thermal denaturation as judged by differential scanning fluorimetry. All except vanadate have no observable effect on the chemical cross-linking of the two subunits of the Lot6p dimer. These compounds all inhibit Lot6p's oxidoreductase activity, and all except nicotinamide exhibit negative cooperativity. Molecular modelling suggests that curcumin, resveratrol and nicotinamide all bind over the isoalloxazine ring of the FMN cofactor in Lot6p. Resveratrol was predicted to contact an α-helix that links the two active sites. Mutation of Gly-142 (which forms part of this helix) to serine does not greatly affect the thermal stability of the enzyme. However, this variant shows less cooperativity towards resveratrol than the wild type. This suggests a plausible hypothesis for the transmission of information between the subunits and, thus, the molecular mechanism of negative cooperativity in Lot6p.

Inactivation of Pseudomonas spp. biofilms with natural and synthetic photossensitizers

Cationic porphyrins have been widely used as photosensitizers (PSs) in the inactivation of microorganisms, both in biofilms and in planktonic forms. However, the application of curcumin, a natural PS, in the inactivation of biofilms, is poorly studied. The objectives of this study were (1) to evaluate and compare the efficiency of a cationic porphyrin tetra (Tetra-Py+-Me) and curcumin in the photodynamic inactivation of biofilms of Pseudomonas spp and the corresponding planktonic form; (2) to evaluate the effect of these PSs in cell adhesion and biofilm maturation. In eradication assays, biofilms of Pseudomonas spp adherent to silicone tubes were subjected to irradiation with white light (180 J cm-2) in presence of different concentrations (5 and 10 μM) of PS. In colonization experiments, solid supports were immersed in cell suspensions, PS was added and the mixture experimental setup was irradiated (864 J cm-2) during the adhesion phase. After transference solid supports to new PS-containing medium, irradiation (2592 J cm-2) was resumed during biofilm maturation. The assays of inactivation of planktonic cells were conducted in cell suspensions added of PS concentrations equivalent to those used in experiments with biofilms. The inactivation of planktonic cells and biofilms (eradication and colonization assays) was assessed by quantification of viable cells after plating in solid medium, at the beginning and at the end of the experiments. The results show that porphyrin Tetra-Py+-Me effectively inactivated planktonic cells (3.7 and 3.0 log) and biofilms of Pseudomonas spp (3.2 and 3.6 log). In colonization assays, the adhesion of cells was attenuated in 2.2 log, and during the maturation phase, a 5.2 log reduction in the concentration of viable cells was observed. Curcumin failed to cause significant inactivation in planktonic cells (0.7 and 0.9 log) and for that reason it was not tested in biofilm eradication assays. In colonization assays, curcumin did not affect the adhesion of cells to the solid support and caused a very modest reduction (1.0 log) in the concentration of viable cells during the maturation phase. The results confirm that the photodynamic inactivation is a promising strategy to control installed biofilms and in preventing colonization. Curcumin, however, does not represent an advantageous alternative to porphyrins in the case of biofilms of Pseudomonas spp.

Caspase-mediated cleavage of raptor participates in the inactivation of mTORC1 during cell death.

The mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a highly conserved protein complex regulating key pathways in cell growth. Hyperactivation of mTORC1 is implicated in numerous cancers, thus making it a potential broad-spectrum chemotherapeutic target. Here, we characterized how mTORC1 responds to cell death induced by various anticancer drugs such rapamycin, etoposide, cisplatin, curcumin, staurosporine and Fas ligand. All treatments induced cleavage in the mTORC1 component, raptor, resulting in decreased raptor-mTOR interaction and subsequent inhibition of the mTORC1-mediated phosphorylation of downstream substrates (S6K and 4E-BP1). The cleavage was primarily mediated by caspase-6 and occurred at two sites. Mutagenesis at one of these sites, conferred resistance to cell death, indicating that raptor cleavage is important in chemotherapeutic apoptosis.

Étude moléculaire des mécanismes d’action de potentiateurs du canal CFTR sur le canal KCa3.1

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

Design and self-assembly of a leucine-enkephalin analogue in different nanostructures: application of nanovesicles

An opioid (leucine-enkephalin) conformational analogue forms diverse nanostructures such as vesicles, tubes, and organogels through self-assembly. The nanovesicles encapsulate the natural hydrophobic drug curcumin and allow the controlled release through cation-generated porogens in membrane mimetic solvent.

Disposition pathways and pharmacokinetics of herbal medicines in humans

Pharmacokinetic studies have become an integral part of modern drug development, but these studies are not regulatory needs for herbal remedies. This paper updates our current knowledge on the disposition pathways and pharmacokinetic properties of commonly used herbal medicines in humans. To retrieve relevant data, the authors have searched through computer-based literatures by full text search in Medline (via Pubmed), ScienceDirect, Current Contents Connect (ISI), Cochrance Library, CINAHL (EBSCO), CrossRef Search and Embase (all from inception to May 2010). Many herbal compounds undergo Phase I and/or Phase II metabolism in vivo, with cytochrome P450s (CYPs) and uridine diphosphate glucuronosyltransferases (UGTs) playing a major role. Some herbal ingredients are substrates of P-glycoprotein (P-gp) which is highly expressed in the intestine, liver, brain and kidney. As such, the activities of these drug metabolizing enzymes and drug transporters are determining factors for the in vivo bioavailability, disposition and distribution of herbal remedies. There are increasing pharmacokinetic studies of herbal remedies, but these studies are mainly focused on a small number of herbal remedies including St John's wort, milk thistle, sculcap, curcumin, echinacea, ginseng, ginkgo, and ginger. The pharmacokinetic data of a small number of purified herbal ingredients, including anthocyanins, berberine, catechins, curcumin, lutein and quercetin, are available. For the majority of herbal remedies used in folk medicines, data on their disposition and biological fate in humans are lacking or in paucity. For a herbal medicine, the pharmacological effect is achieved when the bioactive agents or the metabolites reach and sustain proper levels at their sites of action. Both the dose levels and fates of active components in the body govern their target-site concentrations after administration of an herbal remedy. In this regard, a safe and optimal use of herbal medicines requires a full understanding of their pharmacokinetic profiles. To optimize the use of herbal remedies, further clinical studies to explore their biological fate including the disposition pathways and kinetics in the human body are certainly needed.

The Glutathione System: a new drug target in neuroimmune disorders

Glutathione (GSH) has a crucial role in cellular signaling and antioxidant defenses either by reacting directly with reactive oxygen or nitrogen species or by acting as an essential cofactor for GSH S-transferases and glutathione peroxidases. GSH acting in concert with its dependent enzymes, known as the glutathione system, is responsible for the detoxification of reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) and electrophiles produced by xenobiotics. Adequate levels of GSH are essential for the optimal functioning of the immune system in general and T cell activation and differentiation in particular. GSH is a ubiquitous regulator of the cell cycle per se. GSH also has crucial functions in the brain as an antioxidant, neuromodulator, neurotransmitter, and enabler of neuron survival. Depletion of GSH leads to exacerbation of damage by oxidative and nitrosative stress; hypernitrosylation; increased levels of proinflammatory mediators and inflammatory potential; dysfunctions of intracellular signaling networks, e.g., p53, nuclear factor-κB, and Janus kinases; decreased cell proliferation and DNA synthesis; inactivation of complex I of the electron transport chain; activation of cytochrome c and the apoptotic machinery; blockade of the methionine cycle; and compromised epigenetic regulation of gene expression. As such, GSH depletion has marked consequences for the homeostatic control of the immune system, oxidative and nitrosative stress (O&NS) pathways, regulation of energy production, and mitochondrial survival as well. GSH depletion and concomitant increase in O&NS and mitochondrial dysfunctions play a role in the pathophysiology of diverse neuroimmune disorders, including depression, myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome and Parkinson’s disease, suggesting that depleted GSH is an integral part of these diseases. Therapeutical interventions that aim to increase GSH concentrations in vivo include N-acetyl cysteine; Nrf-2 activation via hyperbaric oxygen therapy; dimethyl fumarate; phytochemicals, including curcumin, resveratrol, and cinnamon; and folate supplementation.

Cúrcuma: planta medicinal, condimentar e de outros usos potenciais

A cúrcuma (Curcuma longa L.), espécie originária do sudeste asiático, é considerada uma preciosa especiaria. Com a proibição do uso de pigmentos sintéticos nos principais países da América do Norte e Europa, têm sido procuradas alternativas naturais. A cúrcuma, além de sua principal utilização como condimento, possui substâncias antioxidantes, antimicrobianas e corantes (curcumina) que lhe conferem possibilidade de emprego nas áreas de cosméticos, têxtil, medicinal e alimentício. Até o presente momento, poucos estudos foram realizados com a cúrcuma no Brasil, fato que determina baixa produtividade. Entretanto, recentes resultados de pesquisa mostram a possibilidade de obtenção de produtividades semelhantes às de seu país de origem, ainda que maiores estudos sejam necessários para definição de estande, adubação e outras práticas culturais. Os objetivos do presente trabalho são apresentar a versatilidade mercadológica da cúrcuma, caracterizar a espécie quanto a aspectos botânicos, nutricionais e químicos, bem como reunir e discutir informações técnicas para melhoria da produtividade e qualidade dos rizomas.