Design and development of a microfluidic platform for use with colorimetric gold nanoprobe assays

Due to the importance and wide applications of the DNA analysis, there is a need to make genetic analysis more available and more affordable. As such, the aim of this PhD thesis is to optimize a colorimetric DNA biosensor based on gold nanoprobes developed in CEMOP by reducing its price and the needed volume of solution without compromising the device sensitivity and reliability, towards the point of care use. Firstly, the price of the biosensor was decreased by replacing the silicon photodetector by a low cost, solution processed TiO2 photodetector. To further reduce the photodetector price, a novel fabrication method was developed: a cost-effective inkjet printing technology that enabled to increase TiO2 surface area. Secondly, the DNA biosensor was optimized by means of microfluidics that offer advantages of miniaturization, much lower sample/reagents consumption, enhanced system performance and functionality by integrating different components. In the developed microfluidic platform, the optical path length was extended by detecting along the channel and the light was transmitted by optical fibres enabling to guide the light very close to the analysed solution. Microfluidic chip of high aspect ratio (~13), smooth and nearly vertical sidewalls was fabricated in PDMS using a SU-8 mould for patterning. The platform coupled to the gold nanoprobe assay enabled detection of Mycobacterium tuberculosis using 3 8l on DNA solution, i.e. 20 times less than in the previous state-of-the-art. Subsequently, the bio-microfluidic platform was optimized in terms of cost, electrical signal processing and sensitivity to colour variation, yielding 160% improvement of colorimetric AuNPs analysis. Planar microlenses were incorporated to converge light into the sample and then to the output fibre core increasing 6 times the signal-to-losses ratio. The optimized platform enabled detection of single nucleotide polymorphism related with obesity risk (FTO) using target DNA concentration below the limit of detection of the conventionally used microplate reader (i.e. 15 ng/μl) with 10 times lower solution volume (3 μl). The combination of the unique optical properties of gold nanoprobes with microfluidic platform resulted in sensitive and accurate sensor for single nucleotide polymorphism detection operating using small volumes of solutions and without the need for substrate functionalization or sophisticated instrumentation. Simultaneously, to enable on chip reagents mixing, a PDMS micromixer was developed and optimized for the highest efficiency, low pressure drop and short mixing length. The optimized device shows 80% of mixing efficiency at Re = 0.1 in 2.5 mm long mixer with the pressure drop of 6 Pa, satisfying requirements for the application in the microfluidic platform for DNA analysis.

Aplicação de sistemas moleculares na detecção rápida de MDR-TB e XDR-TB

Mycobacterium tuberculosis é o agente etiológico da tuberculose em humanos e segundo as estimativas da Organização Mundial da Saúde, um terço da população mundial está infectada com esta bactéria, calculando-se que no ano de 2008 aproximadamente 9,4 milhões de pessoas contraíram tuberculose activa. Associada a esta tendência, encontra-se o aumento alarmante da incidência de tuberculose resistente aos antibióticos, mais propriamente da tuberculose multirresistente e extensivamente resistente. Nesta Dissertação estudaram-se três sistemas de detecção molecular (INNO-LiPA Rif. TB, Innogenetics, Ghent, Bélgica, MTBDRplus e MTBDRsl, GenoType, GmbH, Nehren, Alemanha), que permitem detectar o complexo M. tuberculosis e as mutações mais comuns associadas à resistência aos antibióticos de primeira e segunda linha. Para o efeito, na primeira parte do trabalho os três sistemas em estudo foram testados em 21 isolados clínicos pertencentes à colecção do Laboratório de Micobactérias do Instituto de Higiene e Medicina Tropical (IHMT, UNL), com o propósito de avaliar a sua capacidade para identificar o complexo M. tuberculosis e detectar mutações ligadas à resistência aos fármacos de primeira e segunda linha. Na segunda parte do trabalho, os sistemas INNO-LiPA Rif. TB e MTBDRplus foram testados em 33 amostras respiratórias com baciloscopia positiva, com o propósito de aferir a “performance” destes sistemas para a detecção directa de tuberculose multirresistente em amostras respiratórias. Na primeira parte do trabalho os três sistemas em estudo apresentaram elevada sensibilidade na identificação do complexo M. tuberculosis em culturas, bem como na detecção de mutações ligadas à resistência aos antibióticos de primeira linha, com excepção do etambutol. No que diz respeito à detecção da resistência aos antibióticos de segunda linha, não foi possível calcular os valores de sensibilidade e especificidade. Na segunda parte do trabalho, o INNO-LiPA Rif. TB demonstrou ser o sistema mais robusto para a análise directa de amostras respiratórias com baciloscopia positiva, para um diagnóstico precoce de tuberculose e detecção de resistência à rifampicina. O MTBDRplus não se mostrou uma alternativa viável ao INNO-LiPA Rif. TB, pois apresentou baixa sensibilidade para a identificação do complexo M. tuberculosis e vários problemas no passo de amplificação. O MTBDRsl não foi testado, por não ter sido detectada nenhuma amostra multirresistente.

Thomsen-Friedenreich antigens in bladder cancer: evaluation of their prognostic value

RESUMO: Introdução. O cancro de bexiga é uma patologia comum que representa o 6° e o 5° cancro mais incidente em Portugal e na Itália, respetivamente. Em mais de metade dos casos ocorre reincidência durante o primeiro ano, requerendo acompanhamento clínico ao longo da vida. A instilação intravesical de Bacillus Calmette-Guérin (BCG) (uma estirpe atenuada do Mycobacterium bovis) representa uma imunoterapia eficaz no combate ao cancro de bexiga, no entanto, muitos aspetos da interação de BCG com as células tumorais bem como com as células do sistema imunitário permanecem por desvendar. As células tumorais de bexiga expressam frequentemente as formas sialiladas dos antigénios de Thomsen-Friedenreich (TF), i.e., sialil-T (sT) e sialil-Tn (sTn). Contudo ainda se desconhece o significado da sua expressão na malignidade tumoral e se afeta a eficácia da terapêutica BCG. Objetivo do estudo. Investigar o papel dos antigénios sT e sTn no fenótipo maligno de células de cancro de bexiga bem como na resposta mediada pelo sistema imunitário à terapia com BCG. Metodologia. Para tal, foram utilizadas as linhas celulares de cancro da bexiga HT1376 e MCR, geneticamente modificadas por transdução com vetores codificantes para as sialiltransferases ST3GAL1 ou ST6GALNAC1, de forma a expressar homogeneamente os antigénios sT ou sTn respetivamente. Estes modelos celulares foram estudados após confronto com BCG. O nível de BCG internalizado foi avaliado por citometria de fluxo. O perfil global de expressão genética dos modelos celulares antes e após incubação com BCG foi analisado pela tecnologia de microarray. O perfil de citocinas secretadas pelos modelos celulares após incubação com BCG, bem como de macrófagos estimulados pelo secretoma de células de cancro de bexiga que por sua vez foram estimuladas previamente por BCG, foi estudado pelo sistema multiplex de “imuno-esferas”. Resultados. A análise do transcritoma dos modelos celulares revelou que grupos de genes envolvidos em funções específicas foram modulados em paralelo nos dois modelos celulares, após transdução, independentemente da sialiltransferase expressa. Ou seja, em células que expressavam a sialiltransferase ST3GAL1 ou ST6GALNAC1, os genes envolvidos na regulação da segregação cromossómica e na reparação do DNA foram consistentemente regulados negativamente. Genes descritos na literatura como marcadores para o cancro de bexiga foram também modulados. A incubação com BCG resultou numa tendência ao aumento da expressão de genes relevantes na preservação e estabilidade genómica e menor malignidade, no entanto, apenas em células que expressavam sT ou sTn. Entre as dez citocinas testadas, apenas a IL-6 e IL-8 foram expressas pelas linhas celulares de cancro da bexiga, com indução destas após estimulação com BCG, e principalmente em células que expressavam ST3GAL1 ou ST6GALNAC1. Em macrófagos, citocinas inflamatórias, tais como IL-1β, IL-6 e TNFα, e a citocina anti-inflamatória IL-10, foram induzidas apenas pelo secretoma de células de cancro da bexiga confrontadas com BCG, com maior relevância quando estas expressavam ST3GAL1 ou ST6GALNAC1, prevendo a estimulação de macrófagos semelhantes aos de tipo M1 e uma melhor resposta à terapia com BCG. Conclusões. O efeito geral da expressão destas sialiltransferases e dos produtos enzimáticos sT ou sTn nas células de cancro de bexiga conduz a um fenótipo de maior malignidade. Contudo, a maior avidez de estas na produção de citocinas inflamatórias após confronto com BCG, bem como a maior capacidade de estimulação de macrófagos, predirá uma resposta à terapia com BCG mais eficaz em tumores que expressem os antigénios de TF sialilados. Tais conclusões são totalmente concordantes com os nossos mais recentes dados clínicos obtidos em colaboração, que mostram que em doentes com cancro de bexiga que expressam sTn respondem melhor a terapia BCG. ----------ABSTRACT: Background. Bladder cancer is a common malignancy representing the 6th and the 5th most incident cancer in Portugal and in Italy, respectively. More than half of the cases relapse within one year, requiring though a lifelong follow-up. Intravesical instillation of Bacillus Calmette-Guérin (BCG) (an attenuated strain of Mycobacterium bovis) represents an effective immunotherapy of bladder cancer, although many aspects of the interaction of BCG with cancer cells and host immune cells remain obscure. Bladder cancer cells often express the sialylated forms of the Thomsen-Friedenreich (TF), i.e., sialil-T (sT) e sialil-Tn (sTn). However, it’s still unknown the sense of such expression in tumour malignancy and in the BCG therapy efficacy. Aim of the study. To investigate the role of the sT and sTn antigens on the malignant phenotype of bladder cancer cells and the immune mediated response to BCG therapy. Experimental. We have utilized populations of the bladder cancer cell lines HT1376 and MCR, genetically modified by transduction with the sialyltransferases ST3GAL1 or ST6GALNAC1 to express homogeneously sT or sTn antigens. The level of BCG internalized was assessed by flow cytometry. The whole gene expression profile of BCG-challenged or unchallenged bladder cancer cell lines was studied by microarray technology. The profile of cytokines secreted by BCG-challenged bladder cancer cells and that of macrophages challenged by the secretome of BCG-challenged bladder cancer cells was studied by multiplex immune-beads assay. Results. Transcriptome analysis of the sialyltransferase-transduced cells revealed that groups of genes involved in specific functions were regulated in parallel in the two cell lines, regardless the sialyltransferase expressed. Namely, in sialyltransferase-expressing cells, genes involved in the proper chromosomal segregation and in the DNA repair were consistently down-regulated, while genes reported in literature as markers for bladder cancer were modulated. BCG-challenging induced a tendency to up-regulation of the genes preserving genomic stability and reducing malignancy, but only in cells expressing either sT or sTn. Among the ten cytokines tested, only IL-6 and IL-8 were expressed by bladder cancer cell lines and up-regulated by BCG-challenging, mainly in sialyltransferases-expressing cells. In macrophages, inflammatory cytokines, such as IL-1β, IL-6 and TNFα, and the antinflammatory IL-10 were induced only by the secretome of BCG-challenged bladder cancer cells, particularly when expressing either sialyltransferase, predicting the stimulation of M1-like macrophages and a better response to BCG therapy. Conclusions. The general effect of the expression of the two sialyltransferases and their products in the bladder cancer cells is toward a more malignant phenotype. However, the stronger ability of sialyltransferase expressing cells to produce inflammatory cytokines upon BCG-challenging and to stimulate macrophages predicts a more effective response to BCG in tumours expressing the sialylated TF antigens. This is fully consistent with our recent clinical data obtained in collaboration, showing that patients with bladder cancer expressing sTn respond better to BCG therapy.

Evaluation of neuroprotective effects of natural extracts obtained from portuguese agro-food residues

Countries are currently faced with problems derived from changes in lifespan and an increase in lifestyle-related diseases. Neurodegenerative disorders such Parkinson’s (PD) and Alzheimer’s (AD) diseases are an increasing problem in aged societies. Data from World Alzheimer Report 2011 indicate that 36 million people worldwide are living with dementia. Oxidative stress has been associated with the development of AD and PD. Therefore there is interest to search for effective compounds or therapies to combat the oxidative damage in these diseases. Current evidence strongly supports a contribution of phenolic compounds present in fruits and vegetables to the prevention of neurodegenerative diseases such AD and PD. The industrial processing of a wide variety of fruits results in the accumulation of by-products without commercial value. Opuntia ficus-indica (cactus pear) is consumed fresh and processed like in juice. Prunnus avium (sweet cherry) is consumed fresh but the organoleptics characteristics of the fruits leads to the smaller and ragged fruits have no commercial value. Fruit extracts of both species has described to be rich in phenolic compounds and to have high antioxidant activities due to its composition. The aim of this work was assessing the efficacy of O. ficus-indica and P. avium by-products extracts obtained with conventional solvent extraction and pressurized liquid extraction in a neurodegeneration cell model. All extracts have protected neuroblastoma cells from H2O2-induced death at low, non-toxic levels, which approach to physiologically-relevant serum concentration. However, cherry extract has a slighter neuroprotective activity. The protective effect of Opuntia extracts are not conducted by a direct antioxidant activity since there are not decreases in intracellular ROS levels in cell treated with extracts and challenged with H2O2, while cherry extract neuroprotection seems to be due to a direct scavenging activity. Extracts from different biological matrixes seems to protect neuronal cells trough different cellular mechanisms.