IL-31 does not induce normal human ciliated epithelial cells to differentiate into a phenotype consistent with the pathophysiology of asthma

Abstract Background IL-31 is a novel cytokine that has been implicated in allergic diseases such as atopic dermatitis and more recently asthma. While IL-31 has been well studied in skin conditions such as atopic dermatitis, little is known about the role IL-31 plays in asthma and specifically the differentiation process of the bronchial epithelium, which is central to the pathogenesis of allergic asthma. Methods We examined the effects of IL-13 (20 ng/ml), IL-31 (20 ng/ml) and an IL-13/IL-31 combination stimulation (20 ng/ml each) on the in vitro mucociliary differentiation of paediatric bronchial epithelial cells (PBECs) from healthy patients (n=6). IL-31 receptor (IL-31-RA) expression, markers of differentiation (goblet and ciliated cells), transepithelial electrical resistance (TEER), quantification of goblet and ciliated cells, real time PCR for MUC5AC, ELISA for VEGF, EGF and MCP-1 (CCL-2) and ELISA for MUC5AC were assessed. Results We found that well-differentiated PBECs expressed IL-31-RA however it's expression did not increase upon stimulation with IL-31 or either of the other treatments. TEER indicated good formation of tight junctions which was found to be similar across all treatment groups (p=0.9). We found that IL-13 alone significantly reduced the number of ciliated cells compared with unstimulated (IL-13 stimuation: mean=4.8% (SD=2.5); unstimulated: mean=15.9%, (SD=7.4), p

Development of primary human nasal epithelial cell cultures for the study of cystic fibrosis pathophysiology

Cultured primary epithelial cells are used to examine inflammation in cystic fibrosis (CF). We describe a new human model system using cultured nasal brushings. Nasal brushings were obtained from 16 F508del homozygous patients and 11 healthy controls. Cells were resuspended in airway epithelial growth medium and seeded onto collagen-coated flasks and membranes for use in patch-clamp, ion transport, and mediator release assays. Viable cultures were obtained with a 75% success rate from subjects with CF and 100% from control subjects. Amiloride-sensitive epithelial Na channel current of similar size was present in both cell types while forskolin-activated CF transmembrane conductance regulator current was lacking in CF cells. In Ussing chambers, cells from CF patients responded to UTP but not to forskolin. Spontaneous and cytomix-stimulated IL-8 release was similar (stimulated 29,448 ± 9,025 pg/ml; control 16,336 ± 3,308 pg/ml CF; means ± SE). Thus nasal epithelial cells from patients with CF can be grown from nasal brushings and used in electrophysiological and mediator release studies in CF research.

Pathophysiology and Pathogenesis of Diabetic Retinopathy

Diabetic retinopathy is traditionally viewed as a disease of the retinal blood vessels, although there is increasing evidence that retinal neurons and glial cells are also affected. This article describes the changes in the diabetic retina that precede the development of clinical diabetic retinopathy, including changes in the rate of retinal blood flow, alterations in the electroretinogram and breakdown of the integrity of the blood-retinal barrier. The long term lesions of diabetic retinopathy are characterised by a complex array of vasodegenerative changes that lead directly to areas of retinal ischaemia. This frequently triggers the onset of macular oedema and/or the proliferative stages of diabetic retinopathy with risk of visual impairment and blindness. Neurodegeneration has also been reported in the retina during both human and experimental diabetic retinopathy, although presently it remains unclear to what extent such changes contribute to visual loss in diabetic retinopathy.

Aquaporins in adipocytes:insights into the pathophysiology of human obesity

Tese de doutoramento, Farmácia (Bioquímica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Top Three Pharmacogenomics and Personalized Medicine Applications at the Nexus of Renal Pathophysiology and Cardiovascular Medicine.

Pharmacogenomics is a field with origins in the study of monogenic variations in drug metabolism in the 1950s. Perhaps because of these historical underpinnings, there has been an intensive investigation of 'hepatic pharmacogenes' such as CYP450s and liver drug metabolism using pharmacogenomics approaches over the past five decades. Surprisingly, kidney pathophysiology, attendant diseases and treatment outcomes have been vastly under-studied and under-theorized despite their central importance in maintenance of health, susceptibility to disease and rational personalized therapeutics. Indeed, chronic kidney disease (CKD) represents an increasing public health burden worldwide, both in developed and developing countries. Patients with CKD suffer from high cardiovascular morbidity and mortality, which is mainly attributable to cardiovascular events before reaching end-stage renal disease. In this paper, we focus our analyses on renal function before end-stage renal disease, as seen through the lens of pharmacogenomics and human genomic variation. We herein synthesize the recent evidence linking selected Very Important Pharmacogenes (VIP) to renal function, blood pressure and salt-sensitivity in humans, and ways in which these insights might inform rational personalized therapeutics. Notably, we highlight and present the rationale for three applications that we consider as important and actionable therapeutic and preventive focus areas in renal pharmacogenomics: 1) ACE inhibitors, as a confirmed application, 2) VDR agonists, as a promising application, and 3) moderate dietary salt intake, as a suggested novel application. Additionally, we emphasize the putative contributions of gene-environment interactions, discuss the implications of these findings to treat and prevent hypertension and CKD. Finally, we conclude with a strategic agenda and vision required to accelerate advances in this under-studied field of renal pharmacogenomics with vast significance for global public health.

Hypocretin (orexin) biology and the pathophysiology of narcolepsy with cataplexy.

The discovery of hypocretins (orexins) and their causal implication in narcolepsy is the most important advance in sleep research and sleep medicine since the discovery of rapid eye movement sleep. Narcolepsy with cataplexy is caused by hypocretin deficiency owing to destruction of most of the hypocretin-producing neurons in the hypothalamus. Ablation of hypocretin or hypocretin receptors also leads to narcolepsy phenotypes in animal models. Although the exact mechanism of hypocretin deficiency is unknown, evidence from the past 20 years strongly favours an immune-mediated or autoimmune attack, targeting specifically hypocretin neurons in genetically predisposed individuals. These neurons form an extensive network of projections throughout the brain and show activity linked to motivational behaviours. The hypothesis that a targeted immune-mediated or autoimmune attack causes the specific degeneration of hypocretin neurons arose mainly through the discovery of genetic associations, first with the HLA-DQB1*06:02 allele and then with the T-cell receptor α locus. Guided by these genetic findings and now awaiting experimental testing are models of the possible immune mechanisms by which a specific and localised brain cell population could become targeted by T-cell subsets. Great hopes for the identification of new targets for therapeutic intervention in narcolepsy also reside in the development of patient-derived induced pluripotent stem cell systems.

The specific in vivo role of PPARgamma and its downstream signaling pathway in the pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est une maladie articulaire dégénérative, avec une pathogenèse inconnue. Des études récentes suggèrent que l'activation du facteur de transcription du récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est une cible thérapeutique pour ce maladie. Les agonistes du PPARγ inhibent l'inflammation et réduisent la synthèse des produits de dégradation du cartilage in vitro et in vivo. Cependant, des études utilisant des agonistes du PPARγ n’élucident pas les effets exacts médiés par ce gène complexe. En effet, certains de ces agonistes ont la capacité de régulariser d'autres voies de signalisation indépendantes de PPARγ, ainsi entraînant des effets secondaires graves. Afin d'obtenir une efficacité thérapeutique avec potentiellement moins de problèmes de sécurité, il est donc essentiel d'élucider, in vivo, le rôle exact de PPARγ dans la physiopathologie OA. Mon projet de thèse permettra de déterminer, pour la première fois, le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la physiopathologie OA. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle du gène PPARγ dans le cartilage. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Pour tester cette hypothèse, j'ai généré deux types de souris avec une délétion au PPARγ, (a) une suppression du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage germinale pour l'étude de l'arthrose liée au développement et à l'âge et (b) la suppression inductible du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage chez la souris adulte pour les études OA. L’étude précédente dans notre laboratoire, utilisant ces souris ayant une délétion au gène PPARγ germinales, montre que ces souris présentent des anomalies du développement du cartilage. J'ai également exploré si ces souris qui présentent des défauts précoces du développement ont toutes les modifications phénotypiques dans le cartilage au cours du vieillissement. Mes résultats ont montré que les souris adultes, ayant une délétion au gène PPARγ, ont présenter un phénotype de l'arthrose spontanée associée à une dégradation du cartilage, l’hypocellularité, la fibrose synoviale. Cette étude a montré que PPARγ est un régulateur essentiel pour le cartilage, et c’est le manque (l’absence) de ce dernier qui conduit à un phénotype de l'arthrose spontanée accélérée (American Journal of Pathologie). A partir de ce but de l'étude, on n’a pas pu vérifier si ces souris présentaient l’OA spontanée en raison des défauts de développement ou à la suite de la délétion du gène PPARγ. Pour contourner les défauts de développement, j'ai généré des souris ayant une délétion du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage inductible avec le système Col2rTACre. Ces souris ont été soumises à modèle de la chirurgie OA (DMM: déstabilisation du ménisque médial) et les résultats révèlent que les souris PPARγ KO ont une dégradation accélérée du cartilage, une hypocellularité, une fibrose synoviale et une augmentation de l'expression des marqueurs cataboliques et des marqueurs inflammatoire. La perte de PPAR dans le cartilage articulaire est un évènement critique qui initie la dégradation de cartilage dans OA. Les études récentes suggèrent que le procès d’autophagie, une forme de survie cellulaire programmée, est altéré pendant l’OA et peut contribuer vers une protection diminuée des cellules, résultant la dégradation du cartilage. J’ai donc exploré le rôle de PPARγ dans la protection des cellules en déterminant l’effet de manque de PPARγ dans le cartilage par l’expression de mTOR (régulateur négatif principal d’autophagie) et les gènes d’autophagie durant OA. Mes résultats ont montré que les souris KO PPARγ présentent également une augmentation sur l'expression de mTOR et une diminution sur l’expression des marqueurs autophagiques en comparaison avec les chondrocytes articulaires isolés des souris contrôles OA. J'ai suggéré l'hypothèse que PPARγ contrôle la régulation de la signalisation de mTOR/autophagie, et finalement la mort des chondrocytes et l’expression des facteurs cataboliques et les facteurs inflammatoire. Pour tester cette hypothèse, j’ai fait la transfection des chondrocytes arthrosiques PPARγ-KO avec le vecteur d’expression de PPARγ pour déterminer si la restauration de l'expression de PPARγ peut sauver le phénotype des cellules PPARγ-KO OA. J'ai observé que la restauration de l'expression de PPARγ dans les cellules PPARγ-KO en présence du vecteur d'expression PPARγ, a pu considérablement régulariser négativement l'expression de mTOR et mettre en règle positivement l'expression des gènes autophagiques ainsi que le sauvetage significative de l'expression du collagène de type II et l’aggrecan et de baisser de manière significative l'expression de marqueurs cataboliques critiques et des marqueurs inflammatoires. Pour prouver que l’augmentation de la signalisation de mTOR et la diminution de l'autophagie est responsable du phénotype OA accélérée observée dans les souris PPARγ KO in vivo, j'ai généré les souris doubles KO PPARγ- mTOR inductible spécifique du cartilage en utilisant le système Col2 - rtTA -Cre et soumis ces souris à DMM modèle de l'arthrose. Mes résultants démontrent que les souris avec PPARγ- mTOR doubles KO ont été significativement protégés contre les OA DMM induites associées à une protection significative contre la destruction du cartilage, la perte de protéoglycanes et la perte de chondro-cellularité par rapport aux souris témoins. Considérant que mTOR est un répresseur majeur de l'autophagie, j'ai trouvé que l'expression de deux marqueurs de l'autophagie critiques (ULK1 et LC3B) a été significativement plus élevée dans les chondrocytes extraits les souris doubles KO PPARγ-mTOR par rapport aux souris témoins. En plus, les études de sauvetage in vitro en utilisant le vecteur d'expression PPAR et les études in vivo utilisant les souris doubles KO PPARγ- mTOR montrent que PPARγ est impliqué dans la régulation de la protéine signalant de mTOR/autophagie dans le cartilage articulaire. Ces résultats contournent PPARγ et sa signalisation en aval de mTOR/autophagie en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement de l'arthrose.

The Role of ULK1 in the Pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est la maladie musculo-squelettique la plus commune dans le monde. Elle est l'une des principales causes de douleur et d’incapacité chez les adultes, et elle représente un fardeau considérable sur le système de soins de santé. L'arthrose est une maladie de l’articulation entière, impliquant non seulement le cartilage articulaire, mais aussi la synoviale, les ligaments et l’os sous-chondral. L’arthrose est caractérisée par la dégénérescence progressive du cartilage articulaire, la formation d’ostéophytes, le remodelage de l'os sous-chondral, la détérioration des tendons et des ligaments et l'inflammation de la membrane synoviale. Les traitements actuels aident seulement à soulager les symptômes précoces de la maladie, c’est pour cette raison que l'arthrose est caractérisée par une progression presque inévitable vers la phase terminale de la maladie. La pathogénie exacte de l'arthrose est encore inconnue, mais on sait que l'événement clé est la dégradation du cartilage articulaire. Le cartilage articulaire est composé uniquement des chondrocytes; les cellules responsables de la synthèse de la matrice extracellulaire et du maintien de l'homéostasie du cartilage articulaire. Les chondrocytes maintiennent la matrice du cartilage en remplaçant les macromolécules dégradées et en répondant aux lésions du cartilage et aux dégénérescences focales en augmentant l'activité de synthèse locale. Les chondrocytes ont un taux faible de renouvellement, c’est pour cette raison qu’ils utilisent des mécanismes endogènes tels que l'autophagie (un processus de survie cellulaire et d’adaptation) pour enlever les organelles et les macromolécules endommagés et pour maintenir l'homéostasie du cartilage articulaire. i L'autophagie est une voie de dégradation lysosomale qui est essentielle pour la survie, la différenciation, le développement et l’homéostasie. Elle régule la maturation et favorise la survie des chondrocytes matures sous le stress et des conditions hypoxiques. Des études effectuées par nous et d'autres ont montré qu’un dérèglement de l’autophagie est associé à une diminution de la chondroprotection, à l'augmentation de la mort cellulaire et à la dégénérescence du cartilage articulaire. Carames et al ont montré que l'autophagie est constitutivement exprimée dans le cartilage articulaire humain normal. Toutefois, l'expression des inducteurs principaux de l'autophagie est réduite dans le vieux cartilage. Nos études précédentes ont également identifié des principaux gènes de l’autophagie qui sont exprimés à des niveaux plus faibles dans le cartilage humain atteint de l'arthrose. Les mêmes résultats ont été montrés dans le cartilage articulaire provenant des modèles de l’arthrose expérimentaux chez la souris et le chien. Plus précisément, nous avons remarqué que l'expression d’Unc-51 like kinase-1 (ULK1) est faible dans cartilage humain atteint de l'arthrose et des modèles expérimentaux de l’arthrose. ULK1 est la sérine / thréonine protéine kinase et elle est l’inducteur principal de l’autophagie. La perte de l’expression de ULK1 se traduit par un niveau d’autophagie faible. Etant donné qu’une signalisation adéquate de l'autophagie est nécessaire pour maintenir la chondroprotection ainsi que l'homéostasie du cartilage articulaire, nous avons proposé l’hypothèse suivante : une expression adéquate de ULK1 est requise pour l’induction de l’autophagie dans le cartilage articulaire et une perte de cette expression se traduira par une diminution de la chondroprotection, et une augmentation de la mort des chondrocytes ce qui conduit à la dégénérescence du cartilage articulaire. Le rôle exact de ULK1 dans la pathogénie de l'arthrose est inconnue, j’ai alors créé pour la première fois, des souris KO ULK1spécifiquement dans le cartilage en utilisant la technologie Cre-Lox et j’ai ensuite soumis ces souris à la déstabilisation du ménisque médial (DMM), un modèle de l'arthrose de la souris pour élucider le rôle spécifique in vivo de ULK1 dans pathogenèse de l'arthrose. Mes résultats montrent que ULK1 est essentielle pour le maintien de l'homéostasie du cartilage articulaire. Plus précisément, je montre que la perte de ULK1 dans le cartilage articulaire a causé un phénotype de l’arthrose accéléré, associé à la dégénérescence accélérée du cartilage, l’augmentation de la mort cellulaire des chondrocytes, et l’augmentation de l'expression des facteurs cataboliques. En utilisant des chondrocytes provenant des patients atteints de l’arthrose et qui ont été transfectées avec le plasmide d'expression ULK1, je montre qu’ULK1 est capable de réduire l’expression de la protéine mTOR (principal régulateur négatif de l’autophagie) et de diminuer l’expression des facteurs cataboliques comme MMP-13 et ADAMTS-5 et COX-2. Mes résultats jusqu'à présent indiquent que ULK1 est une cible thérapeutique potentielle pour maintenir l'homéostasie du cartilage articulaire.