O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Electrochemical studies on small electron transfer proteins using membrane electrodes

Journal of Electroanalytical Chemistry 541 (2003) 153-162

Compact SMB chromatography for binary separation

A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy

Fluorescence in nanostructured fulleride films

Applied Physics Letters, 89

The Farol Deposit (Depósito do Farol) – a Pleistocene beach deposit from Cape Mondego (Figueira da Foz, West Central Portugal)*

Among the Pleistocene and Holocene units recorded near the marine cliffs of Cape Mondego (Figueira da Foz, West Central Portugal) stands out the Farol Deposit (Depósito do Farol), at an altitude of ±95 m above present sea level. It is a marine terrace with three exposures of interstratified conglomerates and sands, overlapped by calclititic-fanglomerates. This sedimentary setting indicates that deposition took place in a seashore environment influenced by the proximity of a marine palaeocliff. The deposit has an interesting subfossil fauna with abraded and fragmented shells of Nucella lapillus (LINNÉ, 1758), Patella vulgata (LINNÉ, 1758) and Littorina littorea (LINNÉ, 1758), suggesting the existence of an environment with colder surface seawater, when compared with the present day Portuguese seashore. These specimens belonged to marine communities adapted to live in intertidal rocky platforms, which have been exposed to the cyclic action of waves and tidal flows, on the swash and surf zones. The Farol Deposit can be related to an Early/Middle Pleistocene “cold-water” episode, earlier to the Isotopic Stages 7 and 11. This episode occurred before the deposition of the units Quiaios Sands (Areias de Quiaios) and Cantanhede Sands (Areias de Cantanhede) (Sicilian?), but later than the Arazede Sands (Areias de Arazede) and Marinha das Ondas Sands (Areias de Marinha das Ondas) (Early Pleistocene).

The discovery of three lost ‘Salting’ carpets: science as a tool for revealing their history

Thesis presented at the Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, to obtain a Master degree in Conservation and Restoration,Specialization in Textiles

Vascularização do útero: estudo morfológico e experimental

RESUMO Os trabalhos de investigação, conducentes à elaboração do presente estudo morfofuncional, subordinado ao tema da "VASCULARIZAÇÃO ARTERIAL DO ÚTERO",fundamenta-se em conceitos da anatomia descritiva clássica, complementados por técnicas de estudo mais modernas, permitindo-nos observações originais. O principal objectivo é de definir um padrão descritivo da vascularização uterina e de estabelecer uma correlação anatomo-fisiológica e anatomo-clínica na descrição da angiomorfologia uterina, actualizando as descrições clássicas da artéria com dados de observação originais, segundo as técnicas de estudo angiomorfológicas correntemente empregues no Departamento de Anatomia da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Nova de Lisboa. Correlacionam-se as observações com os mais recentes dados publicados, no âmbito da imuno-histoquímica e da moderna bioquímica endocrinológica, uma vez que os conceitos modernos de fisiologia uterina e ginecológica praticamente dominam a vasta literatura científica mundial. Como objectivos particulares, ou linhas orientadoras da tese, escolhemos: - A definição de parâmetros descritivos do padrão genérico da vascularização uterina, actualizando a nomenclatura descritiva de acordo com a moderna Nomina Anatomica mundialmente debatida, desde o XIV Congresso Internacional da Federação Internacional das Associações de Anatomistas, sob a presidência do Prof. Doutor J.A. Esperança Pina (1994) e publicada em 1999-2001. - A comparação do caso humano com o do animal de experiência, por observação meticulosa do maior número de casos possíveis, realizando um estudo comparativo que nos permita extrapolar dados de experimentação animal para o caso humano; - O estabelecimento de uma correlação anatomo-fisiológica, por análise do comportamento da vascularização uterina, ao longo da vida, desde o nascimento até à menopausa, e perante as influências hormonais a que se encontra exposta. A tese constrói-se em torno de três núcleos fundamentais: 1. Um capítulo introdutório, de contextualização teórica, por enquadramento histórico dos estudos dos órgãos genitais femininos e da evolução das técnicas de diagnóstico e terapêutica do útero, focando as primeiras referências à técnica da histerotomia (Cesariana) (com a lenda persa do nascimento do herói Rostam, ou do nascimento do deus Asclepius), as primeiras representações da vascularização uterina (por LEONARDO e iii VESÁLIO), ou as primeiras descrições anatómicas do útero, da autoria de Portugueses (RODRIGO DE CASTRO, 1516 e AMATO LUSITANO, 1551). Prossegue a contextualização teórica com breve referência à recente evolução das técnicas de diagnóstico e terapêutica dos fibromiomas uterinos, mencionando de modo particular a evolução das técnicas de embolização arterial uterina, por nos parecer corresponder a um campo de aplicação imediata dos estudos da vascularização do útero. Termina este capítulo com breve referência aos trabalhos do Prof. Doutor J. MARTINS PISCO que tem actualmente, no nosso País uma das mais extensas listas de trabalhos efectuados com sucesso a nível mundial, no campo da embolização arterial de fibromiomas uterinos. 2. O segundo núcleo fundamental, intitulado "Angiomorfologia uterina" corresponde a extensa revisão bibliográfica dos estudos descritivos da vascularização uterina, desde logo ilustrando a resenha teórica com algumas imagens fotográficas de úteros humanos, seleccionadas da nossa colecção. A descrição da vascularização uterina, fundamentada em 1500 citações bibliográficas, organiza-se, de acordo com o paralelismo entre a estratificação histológica e angiológica do órgão, e a hierarquia funcional, regulada pelas cíclicas variações hormonais. Descreve-se a camada serosa e correspondente vascularização; a camada muscular e vascularização do miométrio; e, por fim, a camada mucosa e os vasos endometriais. Verifica-se, perante os dados colhidos da literatura mundial, o interesse do aprofundamento dos estudos morfológicos da microvascularização endometrial e da adaptação das descrições aos resultados dos modernos estudos funcionais obtidos por técnicas da imuno-histoquímica. 3. Fundamentados nos dados colhidos das revisões bibliográficas, elaborámos um projecto de investigação original, visando o estabelecimento da relação morfo-funcional resultante do aprofundamento dos estudos descritivos da angiomorfologia e da microvascularização do útero. O capítulo de trabalho experimental organiza-se em três principais passos: – No capítulo de Materiais e métodos, procede-se à escolha, por um lado do animal de experiência mais adequado para os estudos da vascularização uterina (por estudo comparativo ao longo da escala animal) e, por outro lado, à escolha de três das técnicas disponíveis no Laboratório de Anatomia Experimental e aplicáveis à investigação angiomorfológica do útero; iv - No capítulo de Resultados, procedemos à exposição das nossas observações de 25 úteros humanos e de 154 úteros de animais de experiência, segundo as três técnicas seleccionadas (dissecção, Injecção-corrosão-fluorescência, Injecção-diafanização e injecção-corrosão paraobservação de moldes vasculares em microscopia electrónica de varrimento), organizando aselecção da vasta iconografia coleccionada em três novos subcapítulos: o útero humano, oútero do animal de experiência e um estudo comparativo, essencial para validar osresultados do trabalho experimental. - O capítulo de trabalho experimental, inteiramente efectuado por estudos na artéria uterina do rato Wistar, abrange primeiramente a tentativa de definição macroscópica de territórios de vascularização, seguido das observações microscópicas conducentes à definição dos parâmetros angiomorfológicos característicos de cada uma das etapas da grande variabilidade a que se sujeita a vascularização uterina, ao longo da vida, incluindo a infância, a gravidez, a paridade e o envelhecimento, e consoante as fases do ciclo hormonal ovárico. Aperfeiçoámos essa tarefa com a elaboração de três experiências distintas, para análise dos efeitos microvasculares uterinos da administração exógena de preparados comerciais hormonais, por observação em microscopia electrónica de varrimento. De acordo com as leituras da literatura clássica sobre a metodologia do trabalho científico, completamos os trabalhos por um capítulo de síntese e critica dos resultados, sequencialmente organizado consoante cada um dos passos experimentais atrás referidos. SUMMARY The aim of the present thesis is the description of the uterine arterial network, complementing the classical concepts of descriptive Anatomy with modern techniques of anatomical research, thus achieving original final results and observations. One of the main objectives of the research is to establish physiological and clinical correlations in the description of the uterine angiomorphology, with the techniques currently available for angiomorphological research in the Department of Anatomy of Faculty of Medical Sciences of the New University of Lisbon. As guidelines to our research, we established the following specific objectives: - defining the descriptive parameters of the standard pattern of the uterine vasculature, according to the modern Nomina Anatomica, as underlined in the latest Federative Congresses of the International Federation of the Associations of Anatomists, one of which took place in Lisbon, in 1994, under the presidency of Professor J.A. Esperança Pina, the supervisor of the present works; - comparing the human uterus with the uterus of the experimental animal, to extrapolate the experimental observations in animals to the particular case of the human uterus; - establishing a correlation between the physiology and the anatomical observations of the uterine vasculature throughout life, from childhood to menopause and in relation to the hormonal influences to which the uterus is exposed. The thesis is built around three main chapters: 1) The introduction chapter defines the historical framework of the studies of the female genital anatomy and the historical evolution of the clinical management of common uterine diseases, focusing on the first historical references to the Caesarean section (such as the Persian legend of the birth of the hero ROSTAM, or that of the birth of ASCLEPIUS, the Greek god of Medicine); the first depictions of the uterine vasculature (by LEONARDO and VESALIUS) or the first anatomical descriptions of the uterus, by Portuguese authors (RODRIGO DE CASTRO, 1517, or AMATUS LUSITANUS, 1551). The theoretical context proceeds, with reference to the recent evolution of the clinical and surgical management of uterine fibroids, and a particular mention to the modern techniques of Uterine Fibroid Embolisation, which corresponds to one of the fields of interest of the anatomic studies of uterine arterial vascularization. 2) The second chapter, devoted to the anatomical description of the Uterine Angiomorphology, is based on an extensive review of the available Medical literature,illustrated by a selection of our own research observations of the human uterine vasculature. The description is organized in view of the parallelism between histological and angiological stratification and the functional hierarchy, under the control of the cyclic hormonal variations. Each layer of the uterine wall is depicted with photographs of the human uterus and descriptions of its specific vascular network: the serosa, the muscular Myometrium, and the mucosa, or endometrium. This classical description, based on extensive quotations of the international scientific literature, enhances our interest for the research of a more detailed knowledge of the endometrial microvascular network, accordingly to the modern physiologic results obtained through immunohistochemical studies. 3) The results of our experimental research, aiming to establish the intimate relationship between the anatomical and functional studies of uterine vasculature, are organized in three main steps: - The chapter of Materials and Methods debates the choice of the experimental animal, based on a short review of the comparative anatomy of the uterus, and uterine physiology, throughout the animal scale. The selection of three fundamental techniques of anatomic research is made from the current variety available in the Laboratory of Experimental Anatomy of the Lisbon School of Medical Sciences. - The Results of our personal research and observations of 25 human and 154 animal uteri,after dissection, and the techniques of arterial injection for the preparation of fluorescent corrosion casts, of vascular injection and clearing, and of arterial injection and preparation of corrosion casts for Scanning Electron Microscopy are rganized in terms of human or animal macroscopic anatomy and microvascular network, followed by a summary of the comparative anatomy of human and rat uteri, which is essential to validate the resultant experimental observations of the rat endometrial microvasculature. - The experimental research is entirely devoted to the uterine artery of the Wistar rat. The first step consists of the attempt to define macroscopic territories of vascularization, followed by microscopic observations for the definition of the angiomorphological pattern that is characteristic of each stage of the extreme variations to which the uterus is subject throughout life, from childhood to sexual maturity, throughout the hormonal cycle, in pregnancy, according to parity, and through ageing. We complete these observations with the experimental exposure of the Wistar rat uterus to pharmacologic preparations of hormones, currently available in clinical practice, and observations of the vascular uterine changes in Scanning Electron Microscopy. The outcome results of our anatomical observations are followed by a critical synthesis of the results.

Vibration control with shape-memory alloys in civil engineering structures

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil

Algorithms for time series clustering applied to biomedical signals

Thesis submitted in the fulfillment of the requirements for the Degree of Master in Biomedical Engineering

Linking the embryonic clock with temporal collinearity of Hox gene activation

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Electrochemical characterization of Dps, a DNA-protecting protein

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Effects of UV radiation exposure on DNA and DNA repair enzymes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

A new CuZ active form in the catalytic reduction of N2O by nitrous oxide reductase from Pseudomonas nautica

J Biol Inorg Chem (2010) 15:967–976 DOI 10.1007/s00775-010-0658-6

Time-of-flight secondary ion mass spectrometry: new application for urinary stones analysis

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física

Printed electronics for ubiquitous computing applications

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química