Measurement of lead concentration in biological tissues by atomic spectroscopy techniques

Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Physics

Exposição profissional a chumbo : utilização da protoporfirina-zinco (PPZ) na vigilância de saúde de trabalhadores ex

Resumo Uma estratégia de avaliação e prevenção de riscos na exposição a agentes químicos deve ter sempre em conta que a vigilância do ambiente de trabalho e a da saúde dos trabalhadores são aspectos complementares de uma mesma realidade – os riscos resultantes da interacção entre um agente químico e os trabalhadores a ele expostos. Se à Vigilância Ambiental compete apreciar o risco, pela caracterização do agente no ambiente de trabalho, a Vigilância Biológica pronuncia-se sobre a interacção entre o tóxico e o organismo, avaliando a resposta à agressão química e a evolução das reacções de adaptação ou de desajuste face à absorção do tóxico. Os Indicadores Biológicos, deste modo, assumem um estatuto de instrumento privilegiado na vigilância da saúde dos trabalhadores expostos, na medida em que medem a quantidade de tóxico que efectivamente penetrou e foi absorvido, ou o resultado (efeito) determinado por essa mesma dose. O presente estudo procura contribuir para a definição de um quadro metodológico de utilização dos Indicadores Biológicos na avaliação/gestão da exposição profissional ao chumbo, designadamente apreciando a variação da protoporfirina-zinco (PPZ), indicador até ao presente ainda não utilizado em Portugal. O chumbo é um metal de ocorrência natural, cujos níveis nos diversos ecossistemas resultam, principalmente, das actividades antropogénicas de natureza doméstica e industrial. A sua capacidade poluente é assinalável, representando uma fonte de exposição permanente para o homem, demonstrável pela sua constante presença no organismo apesar de não desempenhar qualquer tipo de função fisiológica. São actualmente inúmeras as suas aplicações, tornando a exposição profissional ao chumbo uma realidade vasta: indústrias de acumuladores eléctricos, de vidros, de plásticos e de munições, construção civil, manutenção e reparação automóvel e de navios, fabrico de tintas, indústrias electrónicas, fundições e actividades de soldadura são, entre outras, situações onde é uma realidade a ter em conta. A penetração dos compostos inorgânicos de chumbo no organismo efectua-se principalmente por via respiratória, não sendo, no entanto, desprezável, a sua penetração por via digestiva. As partículas absorvidas são transportadas pelo sangue principalmente ligadas aos eritrocitos (95%), distribuem-se pelos tecidos moles e depositam-se essencialmente no tecido ósseo, onde representam mais de 90% da carga corporal do total absorvido e tendo aí um elevado tempo de semi-vida (mais de 20 anos). Não é metabolizado no organismo e a sua eliminação efectua-se essencialmente por via renal,sendo igualmente excretado, em menor escala, através das fezes, do suor, da saliva, das faneras e do leite materno. O conhecimento científico evidencia que concentrações sanguíneas de chumbo entre 20 e 50 mg/dL são susceptíveis de determinar efeitos adversos no homem, podendo ser afectados o sistema hematopoiético, o sistema nervoso, o sistema cardiovascular, o sistema reprodutor e o sistema imunitário. Contudo, ainda muito há a clarificar no âmbito da toxicidade do chumbo. Os níveis de exposição a que correspondem as alterações nos diversos órgãos e sistemas continuam a ser motivo de alguma controvérsia. As características carcinogénicas e mutagénicas do chumbo são, ainda, um campo de vasta exigência de investigação. A intoxicação por chumbo e seus sais (Saturnismo) de origem ocupacional é reconhecida em Portugal como doença profissional (grupo 1 - Doenças Provocadas por Agentes Químicos, da Lista das Doenças Profissionais). É uma intoxicação do tipo crónico, fruto da absorção contínua de doses relativamente pequenas durante longo período, evidenciando-se no seu início por sinais e sintomas vagos e difusos de grande inespecificidade, que podem incluir, nomeadamente, perda de apetite, sabor metálico na boca, palidez, mal-estar e fadiga, cefaleias, mialgias e artralgias, irritabilidade, tremores finos, obstipação, cólicas abdominais, insónias, déficit da memória de curto prazo e da capacidade de concentração. Um importante conjunto de indicadores biológicos pode ser utilizado na vigilância periódica da saúde de trabalhadores nestas condições de exposição. Tais indicadores (de dose ou de efeito), encerram diferentes significados e comportam distintas exigências, competindo ao Médico do Trabalho, no âmbito dos programas de prevenção dos efeitos adversos relacionados com a exposição profissional a chumbo, seleccionar a sua utilização e interpretar a sua informação, de modo a avaliar a interacção do tóxico com o organismo numa fase de reversibilidade. O presente estudo envolveu 180 trabalhadores dos quais 110 apresentavam plumbémias (Pb-S) iguais ou superiores a 40 mg/dL. Além da Pb-S, a todos foi doseada a protoporfirina-zinco (PPZ) e efectuado o Hemograma e a cerca de 25% foi determinada a concentração do ácido d-aminolevulínico urinário (ALA-U). Os doseamentos da PPZ efectuados em amostra de sangue capilar através de um hematofluorímetro portátil revelaram-se de total fiabilidade, dando significado a uma técnica de fácil execução e baixo custo. A avaliação do tipo de colheita urinária para doseamento do ALA-U concluiu pela necessidade de recurso a urinas de 24 horas.Os resultados do estudo evidenciaram uma elevada associação entre a PPZ e a Pb-S, com uma maior magnitude e de início mais precoce do que o que registado na associação da Pb-S com o ALA-U. Revelaram, ainda, fracos níveis de associação da hemoglobina (e outros parâmetros hematológicos) com a Pb-S. E demonstraram para um cut-off de 100 mg/ dL de PPZ, taxa de falsos negativos e falsos positivos, para plumbémias a partir de 70 mg/dL, inferiores a 20%. Assim, concluiu-se que, nos protocolos de vigilância de saúde de trabalhadores expostos a chumbo, o doseamento da PPZ por hematofluorímetro, em sangue de colheita capilar, é adequado, fiável e de realização preferencial em relação ao do ALA-U. Concluiu-se, também, que a realização do hemograma apenas se justifica em situações individuais que clinicamente o tornem aconselhável. E que estes protocolos devem incluir a realização da Pb-S e da PPZ, podendo, em situações de controlo rigoroso (ambiental, biológico e clínico), basear-se apenas na determinação da PPZ reservando os outros indicadores para aprofundar a investigação médica nos casos de taxas elevadas desta ou de situações limitantes. ■ Résumée Une stratégie d’évaluation et de prévention des risques d’exposition aux agents chimiques doit toujours tenir en considération que la vigilance du lieu de travail et de la santé des travailleurs sont des aspects complémentaires d’une même réalité – les risques résultant d’une interaction entre l’agent chimique et les travailleurs exposés. Si c’est à la Vigilance Ambiantale de juger le risque, par la caractérisation de l’agent dans le lieu de travail, la Vigilance Biologique, elle, se prononce sur l’interaction entre le toxique et l’organisme, évaluant la réponse à l’agression chimique et l’évolution des réactions d’adaptation ou de rupture face à l’absorption du toxique. Les Indicateurs Biologiques assument ainsi un statut d’instrument privilégié de vigilance de la santé des travailleurs exposés, dans la mesure où ils déterminent la quantité de toxique qui a effectivement été pénétré et absorbé, ou le résultat (effet) déterminé par cette dose. Cette étude-ci cherche à contribuer à la définition d’un cadre méthodologique d’utilisation des Indicateurs Biologiques dans l’évaluation/ gestion de l’exposition professionnelle au plomb inorganique, évaluant spécialement le comportement de la protoporphirine-zinc (PPZ), indicateur pas encore utilisé au Portugal.Le plomb est un métal d’occurrence naturelle dont les niveaux dans les différents écosystèmes en résultent, principalement, des activités anthropogéniques de nature domestique et industrielle. Sa capacité polluante peut être signalée, représentant une source d’exposition permanente pour l’homme, celle-ci démontrable par sa présence continue dans l’organisme, même si elle n’y accomplit aucune fonction physiologique. Actuellement ses applications sont innombrables, faisant de l’exposition professionnelle au plomb une réalité de grande ampleur : industries d’accumulateurs électriques, de verre, de plastique et de munitions, bâtiments, manutention et réparation automobile et navale, fabrication d’encres, industries électroniques, fontes et activités de soudure sont, entre autres, des situations réelles a en tenir compte. La pénétration du plomb inorganique dans l’organisme se fait principalement par voie respiratoire, pouvant se faire également par voie digestive. Les particules absorbées sont transportées par le sang, surtout liées aux érythrocytes (95%), se repartent à travers les tissus mous et se déposent essentiellement dans le tissu osseux, où elles représentent plus de 90% de la charge corporelle de ce qui a été absorbé et ont un temps de demi-vie élevé (plus de 20 ans). Le plomb n’est pas métabolisé dans l’organisme et son élimination se fait essentiellement par voie rénale, pouvant tout de même, à une moindre échelle, être excrété dans les fèces, de la sueur, de la salive, des ongles, des cheveux et du lait maternel. La connaissance scientifique met en évidence que des concentrations sanguines de plomb entre 20 et 50 mg/dL sont susceptibles de déterminer des effets adverses dans l’homme, pouvant les systèmes hématopoïétique, nerveux, cardiovasculaire, reproducteur et immunitaire en être affectés. Cependant, il en reste beaucoup à éclaircir dans le domaine de la toxicité du plomb. Les niveaux d’exposition auxquels correspondent les modifications des divers organes et systèmes, demeurent toujours sujet de quelque controverse. Les caractéristiques carcinogèniques et mutagèniques du plomb restent toujours un champ d’investigation d’une grande exigence. L’intoxication par le plomb et ses sels (Saturnisme) d’origine occupationnelle est reconnue, au Portugal, comme une maladie professionnelle (groupe 1- Maladies Provoquées par des Agents Chimiques, de la Liste des Maladies Professionnelles). C’est une intoxication du tipe chronique, due à l’absorption continue de doses relativement petites pendant une longue période, mise en évidence à travers des signes et des symptômes vagues et diffus sans grande spécificité, lesquels peuvent inclure, particulièrement, le manque d’appétit, goût métallique dans la bouche, pâleur, malaise et fatigue, céphalées, myalgies et arthralgies, irritabilité, tremblements fins, constipation, coliques abdominales, insomnies, déficit de la mémoire à court terme et de la capacité de concentration.Un ensemble important d’indicateurs biologiques peut être employé dans la vigilance périodique de la santé des travailleurs dans ces conditions d’exposition. Ces indicateurs (de dose ou d’effet) renferment différentes significations et comportent diverses exigences, devant le Médecin de Travail, dans le domaine des programmes de prévention des effets adverses qui sont en relation avec l’exposition professionnelle au plomb, sélectionner son utilisation et interpréter son information de façon à évaluer l’interaction de l’élément toxique avec l’organisme à un stade de réversibilité. L’étude ci-présent engloba 180 travailleurs desquels 110 présentaient des plombémies (Pb-S) égales ou supérieures à 40 mg/dL. À part la Pb-S, la protoporphyrine-zinc (PPZ) leur a été prise en dosage et un Hémogramme fut effectué et fut déterminé l’acide d- aminolévulinique urinaire (ALA-U) sur environ 25% des travailleurs. Le dosage de la PPZ efectué en échantillon de sang capillaire par un fluorimètre portable, s’est accomplit d’une fiabilité total, donnant du sgnificat à une téchnique de facile execution et bas prix. L’évaluation de la prise urinaire par dosage du ALA-U conclut au besoin d’un recours aux urines de 24 heures Les résultats de l’étude ont mis en évidence une association élevée entre la PPZ et la Pb- S, avec une intensité majeure et de début plus précoce par rapport à celui qui fut registré lors de l’association de la Pb-S avec la ALA-U. Ces résultats ont également montré de faibles niveaux d’association entre l’hémoglobine (et autres paramètres hématologiques) et la Pb-S. Ils ont démontré aussi, une valeur de cut-off de 100 mg/dL de PPZ, des taux de faux négatifs et faux positifs, pour des plombémies de 70 mg/dL, inférieurs à 20%. On peut donc conclure que dans les protocoles de vigilance de la santé des travailleurs exposés au plomb, le dosage de la PPZ par fluorimetrie dans le sang capillaire est adéquat, fiable et de réalisation préférentielle par rapport à celui du ALA-U. On peut également conclure que la réalisation de l’hémogramme ne se justifie que dans les cas individuels où, cliniquement, celui-ci est conseillé. De plus, ces protocoles doivent inclure la réalisation de la Pb-S et de la PPZ, pouvant, en cas de contrôle rigoureux (ambiantal, biologique et clinique), s’appuyer que dans la détermination de la PPZ réservant les autres indicateurs pour approfondir l’investigation médicale dans les cas où les taux de celle-ci sont élevés ou dans les cas de situations limitantes. ■ Summary Any strategy to evaluate and prevent the risks of chemical agents exposure must always regard the work environment and workers health as complementary aspects of one reality - the resulting risks from the interaction between the chemical agent and the exposed workers. It is the responsibility of Environmental Monitoring to evaluate the risks of exposure by the characterization of the chemical agent in the work environment. Biological Monitoring, on the other hand, pronounces itself over the toxin and body interaction, evaluating human response to the chemical aggression and the body adaptations to the toxic absorption. Biological Exposure Indices (BEI) assume, therefore, a privileged status among exposed workers' health monitoring instruments, as they measure the actual penetrated and absorbed toxic quantity and the effect it produces. This research study aims to contribute to the definition of a methodological strategy on the utilization of BEI’s in evaluating inorganic lead's occupational exposure, more specifically appreciating the zinc protoporphyrin (ZPP) variation, an index that has never been taken under consideration in Portugal until now. Lead is a natural metal whose ecosystem’s levels are mainly due to domestic and industrial anthropogenic activities. Its pollutant capacity is notable, representing a permanent exposure risk shown by its constant presence in the human body, although it has no physiologic function. Nowadays, lead's applications are countless, turning its professional exposure a huge reality: storage batteries industries, glass industries, plasterers and munitions industries, building construction, ships and motor car maintenance and repairing, ink manufacture, electronics industries, foundries and other soldering activities are, among so many other, realities to attend to. Respiration is the main cause of human body's inorganic lead absorption, although digestive pathway must not to be ignored. The absorbed particles are transported by blood, essentially bounded to erythrocytes (95%). It is distributed by soft tissues and settled mainly on bone tissues, where it represents approximately 90% of the total body charge and has a high half-life time (more than 20 years). It is not metabolized by the organism, its elimination being effectuated by renal activity and, in smaller scale, through lees, sweat, saliva, nails, hair and maternal milk.Scientific knowledge shows that concentrations of lead in blood between 20 e 50 mg/dL are susceptible to determine adverse effects in man and able to affect the hematopoietic system, the nervous system, the cardiovascular system, the reproductive system and the immunological system. Nevertheless, there's still much to be learned and clarified about lead's toxicity. The correlation between exposure levels and human's systems and organs alteration levels continues to be a centre of controversies. Still, lead's carcinogenic and mutagenic characteristics continue to be a high demanding research field. Intoxication by lead and its compounds (saturnism), from occupational origin, is recognized in Portugal as an occupational disease, included in Group 1 - Chemical Agents Caused Diseases, on the Occupational Diseases List. It is a chronic intoxication caused by a continuous absorption of small doses, throughout a long period of time. Its signs and symptoms are diffuse and imprecise, of great unspecificity, such as loss of appetite, metallic flavor in the mouth, paleness, ailment and fatigue, headaches, myalgia and arthralgia, irritability, thin tremors, constipation, abdominal pain, insomnias, short memory loses and inability to concentrate. A considered number of BEI’s can be used in Periodic Health Monitoring of workers in such exposure conditions. Such BEI (dose indices or effect indices) provide different meanings and imply different procedures, being Occupational Doctors responsibility, in the context of lead related adverse effects preventive programmes, to select and interpret its information, in order to evaluate the interaction between toxic and organism in a reversible phase of the toxic action. The present research study involved 180 workers, 110 of which presented blood lead levels (PbB) above or equal to 40 mg/dL. Besides PbB, all workers has been evaluated for zinc protoporphyrin levels (PPZ) and submitted to a haemogram. About 25% of the workers were selected for d-aminolevulinic urinary acid (ALA-U) determination. The evaluation of PPZ, by a portable hematofluorometer using capillary blood samples, turned out to be an easy procedure with low costs and total warrantability. As in regard for ALA- U procedure, it was concluded the necessity of 24 hours urine samples. This research results underlined a strong connection between ZPP and PbB, which was found to to be stringer and to begin earlier than it was registered for PbB and ALA-U association. The same study also revealed a low association level between PbB and hemoglobin or other hematological indices. It was also verified less than 20% of false negatives and false positives cases when admitted a ZPP 100 mg/dL cut off value for PbB³ 70 mg/dL. As in result it was concluded that in Health Monit

The study of lead white oil paints: a molecular approach to the whites of Amadeo de Souza-Cardoso

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Conservação e Restauro

Treatment of a nineteenth century male portrait in oil including the characterisation of materials, technique and a study of the lead soap aggregation in the paint composite

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Conservação e Restauro

Osteoclast activity in ankylosing spondylitis patients before and after TNF-blocking therapy

Ankylosing spondylitis (AS) is a chronic inflammatory rheumatic disease of the axial skeleton. The major outcome of this disease is defined by new bone formation, commonly observed in the ligaments of the intervertebral joints, that can lead to the formation of bony spurs, known as syndesmophytes. Previous studies have shown that serum levels of TNF, IL-6 and IL-17 are increased in AS patients and may be implicated in the development of secondary osteoporosis, since these cytokines are able to induce osteoclast (OC) differentiation and, therefore, bone resorption. In this work we aimed to assess the effects of TNF-blocking therapy in the systemic inflammatory environment of AS patients with active disease as well as in OC differentiation and activity. To accomplish this objective, we cultured circulating monocytes from AS patients, before and after therapy, under osteoclastogenic conditions and we performed two functional assays (TRAP staining and resorption pit assay) and analyzed the expression of osteoclast specific genes. We have shown that AS patients with active disease have increased levels of pro-inflammatory cytokines when compared with healthy subjects. We also found that IL-17, TGF-β and osteoprotegerin are decreased after TNF-blocking therapy. Interestingly, we also observed that after TNF-blocking therapy the expression of some genes is favoring osteoclastogenesis and that differentiated OCs have increased resorption activity. These results suggest that in active AS there may be an uncoupling between inflammation and OC activity that is reset by TNF-blocking therapy.

Hydroxyapatite porous structures for bone tissue engineering

Esta dissertação teve como objetivo o desenvolvimento de espumas porosas de hidroxiapatite (HA) baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais (ICC) para substituição óssea. Um ICC é uma estrutura tridimensional de elevada porosidade que apresenta uma rede interconectada de poros com elevada uniformidade de tamanhos. Este tipo de arquitetura possibilita uma proliferação celular homogénea e superiores propriedades mecânicas quando comparada com espumas de geometria não uniforme. O cristal coloidal (CC) - o molde da espuma - foi criado por empacotamento de microesferas de poliestireno (270 μm) produzidas por microfluídica e posterior tratamento térmico. O molde foi impregnado com um gel de hidroxiapatite produzido via sol-gel utilizando pentóxido de fósforo e nitrato de cálcio tetrahidratado como percursores de fósforo e cálcio, respectivamente. A espuma cerâmica foi obtida num único passo depois de um tratamento térmico a 1100oC que permitiu a solidificação do gel e a remoção do CC. A análise por espetroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e difração de raios-X (XRD) revelou uma hidroxiapatite carbonatada tipo A com presença de fosfatos tricálcicos. As propriedades mecânicas foram avaliadas por testes de compressão. A biocompatibilidade in vitro foi demonstrada através de testes de adesão e proliferação celular de osteoblastos.

The influence of menopausal status on bone turnover and disease control in breast cancer patients with metastatic bone disease treated with chemotherapy plus zoledronic acid : an exploratory retrospective cohort study

RESUMO: Introdução: Uma meta-análise recente demonstrou que uso adjuvante de ácido zoledrónico (AZ) em mulheres pós-menopáusicas com cancro da mama precoce (CM) conduz a redução do risco de morte por CM em 17%. Investigámos o efeito do estado hormonal (pré [PrM] vs pós-menopausa tardia [PoM]) na remodelação óssea e controlo de doença em mulheres com CM e metástases ósseas (MO) tratadas com AZ e quimioterapia (QT). Métodos: Neste estudo de coorte retrospetivo, colhemos variáveis clinico-patológicas e quantificámos o telopéptido N-terminal (NTX) urinário e marcadores tumorais (MT) séricos em mulheres com CM e MO tratadas com QT e AZ. As doentes foram divididas em PrM (<45 anos) e PoM (>60 anos). Endpoints do estudo: variação do NTX, CA15.3 e CEA nos meses 3, 6 e 9, tempo até falência de QT de primeira-linha e sobrevivência. Quando apropriado foram usados os testes de Wilcoxon rank-sum, modelo de efeitos lineares mistos, teste log-rank e modelo de Cox. Resultados: Quarenta doentes foram elegíveis para análise (8 PrM e 32 PoM). Depois da introdução de AZ e QT, os níveis de NTX e MT caíram no coorte global. O perfil de resposta não diferiu entre grupos no mês 3 ou em tempos posteriores (valor-p para interação tempo-estado hormonal no mês 3=0.957). Ademais, o perfil de resposta dos MT também não diferiu entre grupos. O tempo mediano até falência de primeira-linha de QT em PrM e PoM foi de 15.2 e 17.4 meses, respetivamente. Não foi identificada diferença significativa entre grupos, quer em análise univariada quer após controlo para envolvimento visceral (p=0.399 e 0.469, respetivamente). Igualmente, não houve diferenças em termos de sobrevivência. Conclusões: Neste coorte, não foram identificadas diferenças no controlo de NTX ou MT em função do estado menopausico. Igualmente, não foi identificada diferença no tempo até falência de primeira-linha de CT ou sobrevivência.----------- ABSTRACT: Background: A recent meta-analysis showed that the adjuvant use of zoledronic acid (ZA) in postmenopausal women with early breast cancer (BC) leads to a reduction in the risk of breast cancer death by 17%. We investigated the effect of the hormonal status (pre [PrM] vs late post menopause [PoM]) on bone turnover and disease control among women with BC and boné metastases (BM) treated with ZA and chemotherapy (CT). Methods: In this retrospective cohort study, we collected clinicopathologic variables, urinary Nterminal telopeptide (NTX) and serum tumor marker levels from women with BC and BM treated with CT and ZA. Patients were divided in PrM (<45 years) and PoM (>60 years). Study endpoints were NTX, CA15.3 and CEA variation at 3, 6 and 9 months, and time to first-line CT failure and survival. We performed multilevel mixed-effects linear regression models to assess the variation of repeated measures and cox regression models for time to event outcomes. Results: Forty patients were eligible for analysis (8 PrM and 32 PoM). After introduction of ZA and CT, NTX and tumor markers declined in the overall cohort. Response profile was similar between menopausal groups at month 3 and at later time points (p-value for time-hormonal status interaction at month 3=0.957). Furthermore, tumor markers response profile was also equal between groups. Median time to first-line CT failure in PrM and PoM women was 15.2 and 17.4 months, respectively. No significant difference between groups was found, either using a univariate analysis or after controlling for visceral disease involvement (p=0.399 and 0.469, respectively). Likewise, no differences in survival were found. Conclusions: In this cohort, no differences were found in terms of NTX or tumor markers control according to menopausal status. Similarly, no difference in time to first-line CT failure or survival was found.

Osteoclastogenesis, inflammatory cytokines and biomarkers of bone metabolism in psoriatic arthritis

RESUMO:A artrite psoriática (AP) é uma doença inflamatória crónica caracterizada por várias manifestações nas articulações, nas enteses e na pele. A formação de novo osso após inflamação nas enteses é um dos aspetos mais intrigantes desta doença. Os mecanismos celulares e moleculares deste processo ainda não são completamente conhecidos. Este estudo tem como objetivo compreender melhor os mecanismos subjacentes à formação e reabsorção óssea, bem como o efeito de anti-inflamatórios não esteroides (AINEs) nestes processos. Para atingir este objetivo foram quantificados biomarcadores do metabolismo ósseo e citocinas inflamatórias em doentes AP, antes e após terapêutica com AINEs. Os biomarcadores selecionados foram marcadores de remodelação óssea como CTX-I e P1NP, fatores de diferenciação e ativação de osteoclastos como o RANKL e a OPG, inibidores da via de sinalização Wnt, nomeadamente o DKK-1 e a SOST e ainda citocinas pro-inflamatórias como a IL-22 e a IL-23 e a prostaglandina PGE2. Neste contexto foram também estabelecidas culturas celulares de monócitos, isoladas de doentes AP e de controlos saudáveis. Os monócitos foram cultivados in vitro em condições não estimuladas e estimuladas e realizados dois ensaios funcionais: coloração com TRAP e ensaio de reabsorção. Foi observada uma diminuição nos níveis séricos de CTX-I e OPG em doentes AP em relação aos controlos. De igual forma os níveis séricos de SOST encontram-se significativamente mais baixos, em comparação com os controlos saudáveis. Estes valores de SOST são semelhantes aos dos doentes com espondilite anquilosante (EA), documentados anteriormente. Os ensaios com osteoclastos confirmaram a necessidade da presença de RANKL para estimulação da osteoclastogénese e que o celecoxib parece ter um papel inibitório neste processo. Os resultados obtidos sugerem que a população de doentes com AP analisados têm baixos níveis de reabsorção óssea e alguma atividade na formação óssea. --------------------------- ABSTRACT: Psoriatic arthritis (PsA) is a chronic inflammatory disease characterized by several manifestations involving the joints, enthesis and the skin. New bone formation after inflammation at enthesis site has been one of the most intriguing aspects of the disease. Cellular and molecular mechanisms in this process are still not completely understood. This study aims to understand better the mechanisms underlying bone formation and resorption and the effect of non-steroid anti-inflammatory drugs (NSAIDs) in these processes. To access that, biomarkers of bone metabolism and inflammatory cytokines were measured in PsA patients’ serum before and after NSAID therapy. These selected biomarkers were bone turnover markers such as CTX-I and P1NP, osteoclast differentiation and activation factors RANKL and OPG, Wnt pathway inhibitors DKK-1 and SOST and pro-inflammatory cytokines IL-22, IL-23 and prostaglandin PGE2. In this context monocyte cell culture was also established after PBMC isolation from PsA patients and healthy controls. Monocytes were cultured in vitro under unstimulated and stimulated conditions and two functional assays were performed: TRAP staining and resorption pit assay. It was demonstrated that CTX-I and OPG serum levels in PsA patients were lower than controls. SOST levels were extremely decreased in comparison with controls, resembling the ankylosing spondylitis patients results already documented. Osteoclast assays confirmed the need of RANKL in stimulating osteoclastogenesis and that celecoxib seems to have an inhibitor role in this process. The results obtained suggest that PsA patient population analyzed in this study have low bone resorption levels and some bone formation activity.

Novel antibiotic-loaded orthopaedic bone cements: insights on drug release profiles and biocompatibility

Acrylic bone cement (BC) is widely used as an anchor of artificial joints. Bacterial infection due to biofilm formation and inflammation are common and difficult to treat problems associated with commercial available BC formulations. Research on novel BC compositions is urgently needed. The main objective of this thesis was to develop a new biocompatible antibiotic-loaded BC with improved release profile. To achieve that aim several additives were incorporated, as an antibiotic (levofloxacin) to combat bacterial growth, an anti-inflammatory drug (diclofenac) to decrease the inflammatory process and two well-known and broadly used biopolymers, alginate and chitosan in order to increase matrix porosity, and in this way to intensify the amount of released drug. Novel BC formulations were tested in order to find the most suitable one that had potential to proceed to clinical application. Numerous tests were conducted as: a) evaluation of drug release profiles in different biomimetic media, b) mechanical and surface studies, c) microbiological activity testing against Staphylococcus aureus and d) in vitro biocompatibility assays (fibroblasts and osteoblasts). In general, the addition of biopolymers increased drug release, didn’t compromised BC mechanical properties and increased BC hydrophilicity. Microbiological testing revealed that Lev[BC]Chi was the only matrix that reduced significantly biofilm formation. On the contrary, alginate and diclofenac loading into BC seemed to increase biofilm growth. Biocompatibility studies showed some decrease in cell viability, in particularly on osteoblasts, mainly due to the high amounts of released drugs. In conclusion, the present work has shown that the matrix with more potential to proceed in further investigations was Lev[BC]Chi. Other conditions (namely additives and drugs concentrations) should be evaluated with the other tested BC matrices before being discharged.

Nanomateriais manufaturados : avaliação de segurança através da caracterização dos seus efeitos genéticos

RESUMO - Os nanomateriais manufaturados (NMs), isto é, fabricados deliberadamente para fins específicos, apresentam propriedades físico-químicas únicas como a dimensão, área superficial ou funcionalização, que lhes conferem caraterísticas mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas muito vantajosas para aplicações industriais e biomédicas. Efetivamente, a tecnologia baseada nos NMs, ou nanotecnologia, foi identificada como uma key enabling technology, impulsionadora do crescimento económico dos países industrializados, devido ao seu potencial para melhorar a qualidade e desempenho de muitos tipos de produtos e de processos. Contudo, a expansão da utilização de NMs contrasta com a insuficiente avaliação de risco para a saúde humana e para o ambiente, sendo considerados como um risco emergente para a saúde pública. As incertezas sobre a segurança dos NMs para a saúde pública advêm sobretudo de estudos epidemiológicos em humanos expostos a nanomateriais produzidos como consequência dos processos e atividades humanas e da poluição. Uma das principais preocupações relativamente aos efeitos adversos dos NMs na saúde humana é o seu potencial efeito carcinogénico, que é sugerido por alguns estudos experimentais, como no caso dos nanomateriais de dióxido de titânio ou dos nanotubos de carbono. Para avaliar em curto termo as propriedades carcinogénicas de um composto, utilizam-se frequentemente ensaios de genotoxicidade em linhas celulares de mamífero ou ensaios em modelos animais, em que se analisa uma variedade de lesões genéticas potencialmente relacionados com o processo de carcinogénese. No entanto, a investigação sobre as propriedades genotóxicas dos NMs não foi, até hoje, conclusiva. O presente estudo tem por objectivo principal caracterizar os efeitos genotóxicos associados à exposição a nanomateriais manufaturados, de forma a contribuir para a avaliação da sua segurança. Constituíram objectivos específicos deste estudo: i) avaliar a genotoxicidade dos NMs em três tipos de células humanas expostas in vitro: linfócitos humanos primários, linha celular de epitélio brônquico humano (BEAS-2B) e linha celular de adenocarcinoma epitelial de pulmão humano (A549); ii) avaliar a sua genotoxicidade num modelo de ratinho transgénico; iii) investigar alguns mecanismos de acção que poderão contribuir para a genotoxicidade dos nanomateriais, como a contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade induzida pelos NMs in vitro, e a investigação da sua bioacumulação e localização celular in vivo. Foram analisados os efeitos genotóxicos associados à exposição a duas classes de NMs, dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla, bem como a um NM de óxido de zinco, candidato a ser utlilizado como controlo positivo de dimensão nanométrica. Os xx NMs utilizados foram previamente caracterizados com detalhe relativamente às suas características físico-químicas e também relativamente à sua dispersão em meio aquoso e no meio de cultura. A metodologia incluiu ensaios de citotoxicidade e de genotoxicidade in vitro, designadamente, ensaios de quebras no DNA (ensaio do cometa) e nos cromossomas (ensaio do micronúcleo) em células humanas expostas a várias concentrações de NMs, por comparação com células não expostas. Também foram realizados ensaios in vivo de quebras no DNA, quebras cromossómicas e ainda um ensaio de mutações em vários órgãos de grupos de ratinhos transgénicos LacZ, expostos por via intravenosa a duas doses de dióxido de titânio. Foi investigada a existência de uma relação dose-resposta após exposição das células humanas ou dos animais a NMs. A contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade após exposição das células aos NMs in vitro foi explorada através do ensaio do cometa modificado com enzima. Realizaram-se estudos histológicos e citológicos para deteção e localização celular dos NMs nos órgãos-alvo dos ratinhos expostos in vivo. Os resultados demonstraram efeitos genotóxicos em alguns dos NMs analisados em células humanas. No entanto, os efeitos genotóxicos, quando positivos, foram em níveis reduzidos, ainda que superiores aos valores dos controlos, e a sua reprodutibilidade era dependente do sistema experimental utilizado. Para outros NMs, a evidência de genotoxicidade revelou-se equívoca, conduzindo à necessidade de esclarecimento através de ensaios in vivo. Para esse fim, recorreu-se a uma análise integrada de múltiplos parâmetros num modelo animal, o ratinho transgénico baseado em plasmídeo contendo o gene LacZ exposto a um NM de dióxido de titânio, NM-102. Embora tenha sido demonstrada a exposição e a acumulação do NM no fígado, não se observaram efeitos genotóxicos nem no fígado, nem no baço nem no sangue dos ratinhos expostos a esse NM. Neste estudo concluiu-se que algumas formas de dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla produzem efeitos genotóxicos em células humanas, contribuindo para o conjunto de evidências sobre o efeito genotóxico desses NMs. As diferenças observadas relativamente à genotoxicidade entre NMs do mesmo tipo, mas distintos em algumas das suas características físico-quimicas, aparentemente não são negligenciáveis, pelo que os resultados obtidos para um NM não devem ser generalizados ao grupo correspondente. Para além disso, a genotoxicidade equívoca verificada para o NM-102 em células humanas expostas in vitro, não foi confirmada no modelo in vivo, pelo que o valor preditivo da utilização dos ensaios in vitro para a identificação de NMs com efeitos genotóxicos (e portanto potencialmente carcinogénicos) ainda tem de ser esclarecido antes de ser possível extrapolar as conclusões para a saúde humana. Por sua vez, como a informação aqui produzida pelas metodologias in vitro e in vivo não reflete os efeitos de exposição continua ou prolongada, que poderá conduzir a efeitos genotóxicos distintos, esta xxi deverá ser complementada com outras linhas de evidência relativamente à segurança dos NMs. Perante a incerteza dos níveis de exposição real do organismo humano e do ambiente, a segurança da utilização dos NMs não pode ser garantida a longo prazo e, tendo em conta a elevada produção e utilização destes NMs, são prementes futuros estudos de monitorização ambiental e humana.

Developmental and paleontological insights into skull bone homology and evolution

The Gallus gallus (chicken) embryo is a central model organism in evolutionary developmental biology. Its anatomy and developmental genetics have been extensively studied and many relevant evolutionary implications have been made so far. However, important questions regarding the developmental origin of the chicken skull bones are still unresolved such that no solid homology can be established across organisms. This precludes evolutionary comparisons between this and other avian model systems in which skull anatomy has evolved significantly over the last millions of years.(...)