Proton magnetic resonance spectroscopy of a boron neutron capture therapy 10B-carrier, L-p-boronophenylalanine-fructose complex

Boron neutron capture therapy (BNCT) is a radiotherapy that has mainly been used to treat malignant brain tumours, melanomas, and head and neck cancer. In BNCT, the patient receives an intravenous infusion of a 10B-carrier, which accumulates in the tumour area. The tumour is irradiated with epithermal or thermal neutrons, which result in a boron neutron capture reaction that generates heavy particles to damage tumour cells. In Finland, boronophenylalanine fructose (BPA-F) is used as the 10B-carrier. Currently, the drifting of boron from blood to tumour as well as the spatial and temporal accumulation of boron in the brain, are not precisely known. Proton magnetic resonance spectroscopy (1H MRS) could be used for selective BPA-F detection and quantification as aromatic protons of BPA resonate in the spectrum region, which is clear of brain metabolite signals. This study, which included both phantom and in vivo studies, examined the validity of 1H MRS as a tool for BPA detection. In the phantom study, BPA quantification was studied at 1.5 and 3.0 T with single voxel 1H MRS, and at 1.5 T with magnetic resonance imaging (MRSI). The detection limit of BPA was determined in phantom conditions at 1.5 T and 3.0 T using single voxel 1H MRS, and at 1.5 T using MRSI. In phantom conditions, BPA quantification accuracy of ± 5% and ± 15% were achieved with single voxel MRS using external or internal (internal water signal) concentration references, respectively. For MRSI, a quantification accuracy of <5% was obtained using an internal concentration reference (creatine). The detection limits of BPA in phantom conditions for the PRESS sequence were 0.7 (3.0 T) and 1.4 mM (1.5 T) mM with 20 × 20 × 20 mm3 single voxel MRS, and 1.0 mM with acquisition-weighted MRSI (nominal voxel volume 10(RL) × 10(AP) × 7.5(SI) mm3), respectively. In the in vivo study, an MRSI or single voxel MRS or both was performed for ten patients (patients 1-10) on the day of BNCT. Three patients had glioblastoma multiforme (GBM), and five patients had a recurrent or progressing GBM or anaplastic astrocytoma gradus III, and two patients had head and neck cancer. For nine patients (patients 1-9), MRS/MRSI was performed 70-140 min after the second irradiation field, and for one patient (patient 10), the MRSI study began 11 min before the end of the BPA-F infusion and ended 6 min after the end of the infusion. In comparison, single voxel MRS was performed before BNCT, for two patients (patients 3 and 9), and for one patient (patient 9), MRSI was performed one month after treatment. For one patient (patient 10), MRSI was performed four days before infusion. Signals from the tumour spectrum aromatic region were detected on the day of BNCT in three patients, indicating that in favourable cases, it is possible to detect BPA in vivo in the patient’s brain after BNCT treatment or at the end of BPA-F infusion. However, because the shape and position of the detected signals did not exactly match the BPA spectrum detected in the in vitro conditions, assignment of BPA is difficult. The opportunity to perform MRS immediately after the end of BPA-F infusion for more patients is necessary to evaluate the suitability of 1H MRS for BPA detection or quantification for treatment planning purposes. However, it could be possible to use MRSI as criteria in selecting patients for BNCT.

Structural probing of D-fructose derived ligands for asymmetric addition of diethylzinc to aldehydes

A series of new chiral ligands derived from D-fructose have been synthesized and applied in the enantioselective addition of diethylzinc to aldehydes. Comparison of the enantioselectivities obtained with these ligands demonstrated that the catalytic properties are highly dependent upon the structure of ligands, a rational explanation of the structural effects on the catalytic properties is provided. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Site specificity of glycation and carboxymethylation of bovine serum albumin by fructose

We report an investigation of the site specificity, extent and nature of modification of bovine serum albumin (BSA) incubated with fructose or glucose at physiological temperature and pH. Sites of early glycation (Heyns rearrangement products (HRP) from fructose; fructoselysine (FL) from glucose) as well as advanced glycation (N-epsilon-(carboxymethyl)lysine; CML) wereanalyzed by liquid chromatography-mass spectrometry. The major site of modification by fructose, like glucose, is Lysine-524 and this results in, respectively, 31 and 76% loss of the corresponding unmodified tryptic peptide, Gln525-Lys533. In addition, total lysine, HRP, FL, CML and N-epsilon-(carboxyethyl)lysine in the incubations, was quantified. Almost all of the loss of lysine in the fructose-modified BSA was attributed to the formation of CML, with the yield of CML being up to 17-fold higher than glucose-modified BSA. A mechanism for the formation of CML from the HRP is proposed.

Fructose Chemistry

Fructose is a six-carbon ketose monosaccharide. In aqueous solution and in the crystalline form, the majority of the molecules form ring structures. Of these, the six-membered pyranose form is the most abundant; however, about one-quarter of the molecules are in the five-membered, furanose form. While many of its reactions are similar to those of glucose, the presence of a ketone group in the chain, and the relative ease with which the molecule forms a five-membered furanose ring affects its chemistry and biochemistry. Specific pathways are required to enable organisms to exploit fructose in energy metabolism; these require the enzyme fructokinase and involve the conversion of fructose to glycolytic intermediates. Similarly, specific pathways for the biosynthesis of fructose and fructose-containing polymers, such as inulin, are required. Non-enzymatic glycation (fructation) by fructose has not been as extensively studied as the corresponding reactions with glucose. Nevertheless, especially in diabetic patients and fructose-rich foodstuffs, this reaction is likely to be important.

Fructose toxicity: is the science ready for public health actions?

PURPOSE OF REVIEW: The assumption that fructose may be toxic and involved in the pathogenesis of noncommunicable diseases such as obesity, diabetes mellitus, dyslipidemia, and even cancer has resulted in the call for public health action, such as introducing taxes on sweetened beverages. This review evaluates the scientific basis for such action. RECENT FINDINGS: Although some studies hint towards some potential adverse effects of excessive fructose consumption especially when combined with excess energy intake, the results from clinical trials do not support a significant detrimental effect of fructose on metabolic health when consumed as part of a weight-maintaining diet in amounts consistent with the average-estimated fructose consumption in Western countries. However, definitive studies are missing. SUMMARY: Public health policies to eliminate or limit fructose in the diet should be considered premature. Instead, efforts should be made to promote a healthy lifestyle that includes physical activity and nutritious foods while avoiding intake of excess calories until solid evidence to support action against fructose is available. Public health is almost certainly to benefit more from policies that are aimed at promoting what is known to be good than from policies that are prohibiting what is not (yet) known to be bad.

PPARβ/δ ameliorates fructose-induced insulin resistance in adipocytes by preventing Nrf2 activation

We studied whether PPARβ/δ deficiency modifies the effects of high fructose intake (30% fructose in drinking water) on glucose tolerance and adipose tissue dysfunction, focusing on the CD36-dependent pathway that enhances adipose tissue inflammation and impairs insulin signaling. Fructose intake for 8weeks significantly increased body and liver weight, and hepatic triglyceride accumulation in PPARβ/δ-deficient mice but not in wild-type mice. Feeding PPARβ/δ-deficient mice with fructose exacerbated glucose intolerance and led to macrophage infiltration, inflammation, enhanced mRNA and protein levels of CD36, and activation of the JNK pathway in white adipose tissue compared to those of water-fed PPARβ/δ-deficient mice. Cultured adipocytes exposed to fructose also exhibited increased CD36 protein levels and this increase was prevented by the PPARβ/δ activator GW501516. Interestingly, the levels of the nuclear factor E2-related factor 2 (Nrf2), a transcription factor reported to up-regulate Cd36 expression and to impair insulin signaling, were increased in fructose-exposed adipocytes whereas co-incubation with GW501516 abolished this increase. In agreement with Nrf2 playing a role in the fructose-induced CD36 protein level increases, the Nrf2 inhibitor trigonelline prevented the increase and the reduction in insulin-stimulated AKT phosphorylation caused by fructose in adipocytes. Protein levels of the well-known Nrf2 target gene NAD(P)H: quinone oxidoreductase 1 (Nqo1) were increased in water-fed PPARβ/δ-null mice, suggesting that PPARβ/δ deficiency increases Nrf2 activity; and this increase was exacerbated in fructose-fed PPARβ/δ-deficient mice. These findings indicate that the combination of high fructose intake and PPARβ/δ deficiency increases CD36 protein levels via Nrf2, a process that promotes chronic inflammation and insulin resistance in adipose tissue.

The relationship between fructose consumption and risk of obesity in two Aboriginal populations

Résumé La prédominance de l'obésité qui touche les enfants et les adultes a augmenté dans le monde entier ces dernières décennies. Les différentes études épidémiologiques ont prouvé que l'obésité est devenue une préoccupation profonde de santé aux États-Unis et au Canada. Il a été montré que l'obésité a beaucoup d’effets sur la santé ainsi il serait important de trouver différentes causes pour le gain de poids. Il est clair que l'obésité soit la condition de multiples facteurs et implique des éléments génétiques et environnementaux. Nous nous concentrons sur les facteurs diététiques et particulièrement le fructose où sa consommation a parallèlement augmenté avec l'augmentation du taux d'obésité. La forme principale du fructose est le sirop de maïs à haute teneur en fructose (HFCS) qui est employé en tant qu'édulcorant primordial dans la plupart des boissons et nourritures en Amérique du Nord. Il a été suggéré que la prise du fructose serait probablement un facteur qui contribue à l’augmentation de la prédominance de l'obésité. L'objectif de cette étude était d'évaluer s'il y a un rapport entre la consommation du fructose et le risque d'obésité. Nous avons travaillé sur deux bases de données des nations Cree et Inuit. Nous avons eu un groupe de 522 adultes Cree, (263 femmes et 259 hommes) dans deux groupes d'âge : les personnes entre 20 et 40 ans, et les personnes de 40 à 60 ans. Nous les avons classés par catégorie en quatre groupes d'indice de masse corporelle (IMC). L'outil de collecte de données était un rappel de 24 heures. En revanche, pour la base de données d'Inuit nous avons eu 550 adultes (301 femmes et 249 hommes) dans deux groupes d'âge semblables à ceux du Cree et avec 3 catégories d’indice de masse corporelle. Les données dans la base d'Inuit ont été recueillies au moyen de deux rappels de 24 heures. Nous avons extrait la quantité de fructose par 100 grammes de nourriture consommés par ces deux populations et nous avons créé des données de composition en nourriture pour les deux. Nous avons pu également déterminer les sources principales du fructose pour ces populations. Aucun rapport entre la consommation du fructose et l’augmentation de l’indice de masse corporelle parmi les adultes de Cree et d'Inuit n’a été détecté. Nous avons considéré l’apport énergétique comme facteur confondant potentiel et après ajustement, nous avons constaté que l'indice de masse corporelle a été associé à l’apport énergétique total et non pas à la consommation du fructose. Puisque dans les études qui ont trouvé une association entre la consommation de fructose et l’obésité, le niveau de la consommation de fructose était supérieure à 50 grammes par jour et comme dans cette étude ce niveau était inférieur à cette limite (entre 20.6 et 45.4 g/jour), nous proposons que des effets negatifs du fructose sur la masse corporelle pourraient être testés dans des populations à plus haute consommation. Les essais cliniques randomisés et éventuelles études cohortes avec différents niveaux de consommation de fructose suivis à long terme pourraient aussi être utiles. Mots clés : fructose, sirop de maïs à haute teneur en fructose (HFCS), obésité et poids excessif

Étude structure-fonction des fructose-1,6-bisphosphate aldolases métallo-dépendantes : mécanisme catalytique et développement d’antimicrobiens

Les fructose-1,6-bisphosphate aldolases (FBPA) sont des enzymes glycolytiques (EC 4.1.2.13) qui catalysent la transformation réversible du fructose-1,6-bisphosphate (FBP) en deux trioses-phosphates, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Il existe deux classes de FBPA qui diffèrent au niveau de leur mécanisme catalytique. Les classes I passent par la formation d’un intermédiaire covalent de type iminium alors que les classes II, métallodépendantes, utilisent généralement un zinc catalytique. Contrairement au mécanisme des classes I qui a été très étudié, de nombreuses interrogations subsistent au sujet de celui des classes II. Nous avons donc entrepris une analyse détaillée de leur mécanisme réactionnel en nous basant principalement sur la résolution de structures cristallographiques. De nombreux complexes à haute résolution furent obtenus et ont permis de détailler le rôle de plusieurs résidus du site actif de l’enzyme. Nous avons ainsi corrigé l’identification du résidu responsable de l’abstraction du proton de l’O4 du FBP, une étape cruciale du mécanisme. Ce rôle, faussement attribué à l’Asp82 (chez Helicobacter pylori), est en fait rempli par l’His180, un des résidus coordonant le zinc. L’Asp82 n’en demeure pas moins essentiel car il oriente, active et stabilise les substrats. Enfin, notre étude met en évidence le caractère dynamique de notre enzyme dont la catalyse nécessite la relocalisation du zinc et de nombreux résidus. La dynamique de la protéine ne permet pas d’étudier tous les aspects du mécanisme uniquement par l’approche cristallographique. En particulier, le résidu effectuant le transfert stéréospécifique du proton pro(S) sur le carbone 3 (C3) du DHAP est situé sur une boucle qui n’est visible dans aucune de nos structures. Nous avons donc développé un protocole de dynamique moléculaire afin d’étudier sa dynamique. Validé par l’étude d’inhibiteurs de la classe I, l’application de notre protocole aux FBPA de classe II a confirmé l’identification du résidu responsable de cette abstraction chez Escherichia coli (Glu182) mais pointe vers un résidu diffèrent chez H. pylori (Glu149 au lieu de Glu142). Nos validations expérimentales confirment ces observations et seront consolidées dans le futur. Les FBPA de classe II sont absentes du protéome humain mais sont retrouvées chez de nombreux pathogènes, pouvant même s'y révéler essentielles. Elles apparaissent donc comme étant une cible idéale pour le développement de nouveaux agents anti-microbiens. L’obtention de nouveaux analogues des substrats pour ces enzymes a donc un double intérêt, obtenir de nouveaux outils d’étude du mécanisme mais aussi développer des molécules à visée pharmacologique. En collaboration avec un groupe de chimistes, nous avons optimisé le seul inhibiteur connu des FBPA de classe II. Les composés obtenus, à la fois plus spécifiques et plus puissants, permettent d’envisager une utilisation pharmacologique. En somme, c’est par l’utilisation de techniques complémentaires que de nouveaux détails moléculaires de la catalyse des FBPA de classe II ont pu être étudiés. Ces techniques permettront d’approfondir la compréhension fine du mécanisme catalytique de l’enzyme et offrent aussi de nouvelles perspectives thérapeutiques.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Site specificity of glycation and carboxymethylation of bovine serum albumin by fructose

We report an investigation of the site specificity, extent and nature of modification of bovine serum albumin (BSA) incubated with fructose or glucose at physiological temperature and pH. Sites of early glycation (Heyns rearrangement products (HRP) from fructose; fructoselysine (FL) from glucose) as well as advanced glycation (N-epsilon-(carboxymethyl)lysine; CML) wereanalyzed by liquid chromatography-mass spectrometry. The major site of modification by fructose, like glucose, is Lysine-524 and this results in, respectively, 31 and 76% loss of the corresponding unmodified tryptic peptide, Gln525-Lys533. In addition, total lysine, HRP, FL, CML and N-epsilon-(carboxyethyl)lysine in the incubations, was quantified. Almost all of the loss of lysine in the fructose-modified BSA was attributed to the formation of CML, with the yield of CML being up to 17-fold higher than glucose-modified BSA. A mechanism for the formation of CML from the HRP is proposed.

Dietary fructose, fruits, fruit juices and glucose tolerance status in Japanese-Brazilians

Background and aims: Evidence suggests that fructose and sweetened beverages may be a risk factor for obesity and type 2 diabetes, but the role of sweetened fruit juices in glucose disturbances has been minimally explored. The aim of this study was to examine the association of total fructose, fresh fruit and sweetened fruit juice intake with glucose tolerance homeostasis in Japanese-Brazilians. Methods and results: A total of 475 men and 579 women aged >= 30 years were evaluated in a cross-sectional population-based survey with a standardized protocol including a 2-h oral glucose tolerance test (WHO criteria). Habitual food consumption was obtained using a validated food frequency questionnaire for Japanese-Brazitians. After adjustments for potential confounding variables, the odds ratio (OR; 95%Cl) for impaired glucose tolerance was 2.1 (1.0-4.5; P for trend = 0.05) for the highest as compared to the lowest tertile intake of total fructose and 2.3 (1.1-5.1; P for trend = 0.05) for the highest as compared to the lowest tertile intake of sweetened fruit juices. Conclusion: Our results showed that high intakes of dietary fructose and sweetened fruit juices, but not whole fresh fruits, were associated with impaired glucose tolerance among genetically susceptible individuals. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

The Crystal Complex of Phosphofructokinase-2 of Escherichia coli with Fructose-6-phosphate KINETIC AND STRUCTURAL ANALYSIS OF THE ALLOSTERIC ATP INHIBITION

Substrate inhibition by ATP is a regulatory feature of the phosphofructokinases isoenzymes from Escherichia coli (Pfk-1 and Pfk-2). Under gluconeogenic conditions, the loss of this regulation in Pfk-2 causes substrate cycling of fructose-6-phosphate (fructose-6-P) and futile consumption of ATP delaying growth. In the present work, we have broached the mechanism of ATP-induced inhibition of Pfk-2 from both structural and kinetic perspectives. The crystal structure of Pfk-2 in complex with fructose-6-P is reported to a resolution of 2 angstrom. The comparison of this structure with the previously reported inhibited form of the enzyme suggests a negative interplay between fructose-6-P binding and allosteric binding of MgATP. Initial velocity experiments show a linear increase of the apparent K(0.5) for fructose-6-P and a decrease in the apparent k(cat) as a function of MgATP concentration. These effects occur simultaneously with the induction of a sigmoidal kinetic behavior (n(H) of approximately 2). Differences and resemblances in the patterns of fructose-6-P binding and the mechanism of inhibition are discussed for Pfk-1 and Pfk-2, as an example of evolutionary convergence, because these enzymes do not share a common ancestor.

Production of high fructose syrup from asparagus inulin using immobilized exoinulinase from Kluyveromyces marxianus YS-1

Extracellular exoinulinase from Kluyveromyces marxianus YS-1, which hydrolyzes inulin into fructose, was immobilized on Duolite A568 after partial puriWcation by ethanol precipitation and gel exclusion chromatography on Sephadex G-100. Optimum temperature of immobilized enzyme was 55 °C, which was 5 °C higher than the free enzyme and optimal pH was 5.5. Immobilized biocatalyst retained more than 90% of its original activity after incubation at 60 °C for 3 h, whereas in free form its activity was reduced to 10% under same conditions, showing a signiWcant improvement in the thermal stability of the biocatalyst after immobilization. Apparent Km values for inulin, raYnose and sucrose were found to be 3.75, 28.5 and 30.7 mM, respectively. Activation energy (Ea) of the immobilized biocatalyst was found to be 46.8 kJ/mol. Metal ions like Co2+ and Mn2+ enhanced the activity, whereas Hg2+ and Ag2+ were found to be potent inhibitors even at lower concentrations of 1 mM. Immobilized biocatalyst was eVectively used in batch preparation of high fructose syrup from Asparagus racemosus raw inulin and pure inulin, which
yielded 39.2 and 40.2 g/L of fructose in 4 h; it was 85.5 and 92.6% of total reducing sugars produced, respectively.