Negative modulation of human osteoclastogenesis by antiepileptic drugs

Bone is constantly being molded and shaped by the action of osteoclasts and osteoblasts. A proper equilibrium between both cell types metabolic activities is required to ensure an adequate skeletal tissue structure, and it involves resorption of old bone and formation of new bone tissue. It is reported that treatment with antiepileptic drugs (AEDs) can elicit alterations in skeletal structure, in particular in bone mineral density. Nevertheless, the knowledge regarding the effects of AEDs on bone cells are still scarce, particularly on osteoclastic behaviour. In this context, the aim of this study was to investigate the effects of five different AEDs on human osteoclastic cells. Osteoclastic cell cultures were established from precursor cells isolated from human peripheral blood, and were maintained in the absence (control) or in the presence of 10-8-10-4 M of different AEDs (valproate, carbamazepine, gabapentin, lamotrigine and topiramate). Cell cultures were characterized throughout a 21-day period for tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) activity, number of TRAP+ multinucleated cells, presence of cells with actin rings and expressing vitronectin and calcitonin receptors, and apoptosis rate. Also, the involvement of several signaling pathways on the cellular response was addressed. All the tested drugs were able to affect osteoclastic cell development, although with different profiles on their osteoclastogenic modulation properties. Globally, the tendency was to inhibit the process. Furthermore, the signaling pathways involved in the process also seemed to be differentially affected by the AEDs, suggesting that the different drugs may affect osteoclastogenesis through different mechanisms. In conclusion, the present study showed that the different AEDs had the ability to negatively modulate the osteoclastogenesis process, shedding new light towards a better understanding of how these drugs can affect bone tissue.

Effects of antihypertensive drugs in the differentiation and activation of human bone cells

O osso é um tecido metabolicamente ativo e a sua remodelação é importante para regular e manter a massa óssea. Esse processo envolve a reabsorção do material ósseo por ação dos osteoclastos e a síntese de novo material ósseo mediado pelos osteoblastos. Vários estudos têm sugerido que a pressão arterial elevada está associada a alterações no metabolismo do cálcio, o que leva ao aumento da perda de cálcio e da remoção de cálcio do osso. Embora as alterações no metabolismo ósseo sejam um efeito adverso associado a alguns fármacos antihipertensores, o conhecimento em relação a este efeito terapêutico ligado com os bloqueadores de canais de cálcio é ainda muito escasso. Uma vez que os possíveis efeitos no osso podem ser atribuídos à ação antihipertensiva dessas moléculas, ou através de um efeito direto nas atividades metabólicas ósseas, torna-se necessário esclarecer este assunto. Devido ao facto de que as alterações no metabolismo ósseo são um efeito adverso associado a alguns fármacos antihipertensores, o objetivo deste trabalho é avaliar o efeito que os bloqueadores dos canais de cálcio exercem sobre as células ósseas humanas, nomeadamente osteoclastos, osteoblastos e co-culturas de ambos os tipos celulares. Verificou-se que os efeitos dos fármacos antihipertensores variaram consoante o fármaco testado e o sistema de cultura usado. Alguns fármacos revelaram a capacidade de estimular a osteoclastogénese e a osteoblastogénese em concentrações baixas. Independentemente da identidade do fármaco, concentrações elevadas revelaram ser prejudiciais para a resposta das células ósseas. Os mecanismos intracelulares através dos quais os efeitos foram exercidos foram igualmente afetados de forma diferencial pelos diferentes fármacos. Em resumo, este trabalho demonstrou que os bloqueadores dos canais de cálcio utilizados possuem a capacidade de afetar direta- e indiretamente a resposta de células ósseas humanas, cultivadas isoladamente ou co-cultivadas. Este tipo de informação é crucial para compreender e prevenir os potenciais efeitos destes fármacos no tecido ósseo, e também para adequar e eventualmente melhorar a terapêutica antihipertensora de cada paciente.

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Characterization of the effects of antiepileptic drugs on bone metabolism: in vitro studies with human osteoblastic and osteoclastic cells

Bone is constantly being molded and shaped by the action of osteoclasts and osteoblasts. A proper equilibrium between both cell types metabolic activities is required to ensure an adequate skeletal tissue structure, and it involves resorption of old bone and formation of new bone tissue. It is reported that treatment with antiepileptic drugs (AEDs) can elicit alterations in skeletal structure, in particular in bone mineral density. Nevertheless, the knowledge regarding the effects of AEDs on bone cells are still scarce. In this context, the aim of this study was to investigate the effects of five different AEDs on human osteoclastic, osteoblastic and co-cultured cells. Osteoclastic cell cultures were established from precursor cells isolated from human peripheral blood and were characterized for tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) activity, number of TRAP+ multinucleated cells, presence of cells with actin rings and expressing vitronectin and calcitonin receptors and apoptosis rate. Also, the involvement of several signaling pathways on the cellular response was addressed. Osteoblastic cell cultures were obtained from femur heads of patients (25-45 years old) undergoing orthopaedic surgery procedures and were then studied for cellular proliferation/viability, ALP activity, histochemical staining of ALP and apoptosis rate. Also the expression of osteoblast-related genes and the involvement of some osteoblastogenesis-related signalling pathways on cellular response were addressed. For co-cultured cells, osteoblastic cells were firstly seeded and cultured. After that, PBMC were added to the osteoblastic cells and co-cultures were evaluated using the same osteoclast and osteoblast parameters mentioned above for the corresponding isolated cell. Cell-cultures were maintained in the absence (control) or in the presence of different AEDs (carbamazepine, gabapentin, lamotrigine, topiramate and valproic acid). All the tested drugs were able to affect osteoclastic and osteoblastic cells development, although with different profiles on their osteoclastogenic and osteoblastogenic modulation properties. Globally, the tendency was to inhibit the process. Furthermore, the signaling pathways involved in the process also seemed to be differently affected by the AEDs, suggesting that the different drugs may affect osteoclastogenesis and/or osteoblastogenesis through different mechanisms. In conclusion, the present study showed that the different AEDs had the ability to directly and indirectly modulate bone cells differentiation, shedding new light towards a better understanding of how these drugs can affect bone tissue.

Cation transporters/channels in plants: Tools for nutrient biofortification

Cation transporters/channels are key players in a wide range of physiological functions in plants, including cell signaling, osmoregulation, plant nutrition and metal tolerance. The recent identification of genes encoding some of these transport systems has allowed new studies toward further understanding of their integrated roles in plant. This review summarizes recent discoveries regarding the function and regulation of the multiple systems involved in cation transport in plant cells. The role of membrane transport in the uptake, distribution and accumulation of cations in plant tissues, cell types and subcellular compartments is described. We also discuss how the knowledge of inter- and intra-species variation in cation uptake, transport and accumulation as well as the molecular mechanisms responsible for these processes can be used to increase nutrient phytoavailability and nutrients accumulation in the edible tissues of plants. The main trends for future research in the field of biofortification are proposed.