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.

Hydrogen evolution and consumption in AOT–isooctane reverse micelles by Desulfovibrio gigas hydrogenase

The enzyme hydrogenase isolated from the sulphate reducing anaerobic bacterium Desulfovibrio gigas was encapsulated in reverse micelles of AOT–water–isooctane. The enzyme ability to consume molecular hydrogen was studied as a function of the micelle size (given by Wo = [H2O]/[organic solvent]). A peak of catalytic activity was obtained for Wo = 18, a micelle size theoretically fitting the heterodimeric hydrogenase molecule. At this Wo value, the recorded catalytic activity was slightly higher than in a buffer system(Kcat = 169.43 s−1 against the buffer value of 151 s−1). The optimal buffer used to encapsulate the enzyme was found to be imidazole 50 mM, pH 9.0. The molecular hydrogen production activity was also tested in this reverse micelle medium.

Part I : Comparing derivatization methods for amino acids – one and two-step procedures using gas chromatography – flame ion detector (GC-FID) Part II: Story of an icon from its execution until its conservation

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

Caracterização de fibras de ion jelly® obtidas por electrofiação

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Development of electrospun Ion jelly fibers® for drug delivery

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Modelling and optimization of the ion exchange membrane bioreactor for removal of anionic pollutants from drinking water streams

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Engenharia Bioquímica

Formation of a stable cyano-bridged dinuclear iron cluster following oxidation of the superoxide reductases from Treponema pallidum and Desulfovibrio vulgaris with K(3)Fe(CN)(6)

Inorg. Chem., 2003, 42 (4), pp 938–940 DOI: 10.1021/ic0262886

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

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física

Atomic force microscopy assisted with electron and ion beam microscopy for the direct measurement of biostructures and DNA samples

Dissertation to obtain a Master degree in Biotechnology

Development of ion jelly thin films for electrochemical devices

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável

Compact ion-source based on superionic rubidium silver iodide (RbAg4I5) solid electrolyte

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Física

Hydrogen permeation in parabolic trough receivers

The continued economic and population development puts additional pressure on the already scarce energetic sources. Thus there is a growing urge to adopt a sustainable plan able to meet the present and future energetic demands. Since the last two decades, solar trough technology has been demonstrating to be a reliable alternative to fossil fuels. Currently, the trough industry seeks, by optimizing energy conversion, to drive the cost of electricity down and therefore to place itself as main player in the next energetic age. One of the issues that lately have gained considerable relevance came from the observation of significant heat losses in a large number of receiver modules. These heat losses were attributed to slow permeation of traces of hydrogen gas through the steel tube wall into the vacuum annulus. The presence of hydrogen gas in the absorber tube results from the decomposition of heat transfer fluid due to the long-term exposure to 400°C. The permeated hydrogen acts as heat conduction mean leading to a decrease in the receivers performance and thus its lifetime. In order to prevent hydrogen accumulation, it has been common practice to incorporate hydrogen getters in the vacuum annulus of the receivers. Nevertheless these materials are not only expensive but their gas absorbing capacity can be insufficient to assure the required level of vacuum for the receivers to function. In this work the building of a permeation measurement device, vulnerabilities detected in the construction process and its overcome are described. Furthermore an experimental procedure was optimized and the obtained permeability results, of different samples were evaluated. The data was compared to measurements performed by an external entity. The reliability of the comparative data was also addressed. In the end conclusions on the permeability results for the different samples characteristics, feasibility of the measurement device are drawn and recommendations on future line of work were made.

Ion-beam sources based on superionic solid electrolytes

An ion emitter consisting of a sharp silver tip covered in RbAg4I5 solid electrolyte film has been developed and studied. An accelerating potential is applied and Ag+ ions are emitted from the tip’s apex by field evaporation. The emitted ions are collected by a Faraday cup, producing a current on the pico/nanoampere level which is read by an electrometer. The tips were produced mechanically by sandpaper polishing. The sharpest tip produced had a 2:4 m apex radius. Two deposition methods were studied: thermal vacuum and pulsed laser deposition. The best tip produced a peak current value of 96nA at 180oC, and a quasi-stable 4nA emission current at 160oC, both using an extraction potential of 10kV . The emission dependence on time, temperature and accelerating potential has been studied. Deposited films were characterized by X-ray diffraction (XRD), profilometry, optical and Scanning Electron Microscope (SEM) and Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) measurements. Several ion emitters were developed, the latter ones were all able to maintain stable high ion emissions for long periods of time. This investigation was a continuation of an ongoing project backed by the European Space Agency, with the objective of making a proof of concept of this kind of ion emitter with potential application on ion thrusters for orbiting satellites. Going forward, it would be interesting to make a finer analysis of the electrolyte’s conductivity at high temperatures, explore Wien Effect-based emission and to further develop a multi-tip ion emitter prototype.

Design of bio-inspired ionic liquids for protein stabilisation

Ionic Liquids (ILs) consist in organic salts that are liquid at/or near room temperature. Since ILs are entirely composed of ions, the formation of ion pairs is expected to be one essential feature for describing solvation in ILs. In recent years, protein - ionic liquid (P-IL) interactions have been the subject of intensive studies mainly because of their capability to promote folding/unfolding of proteins. However, the ion pairs and their lifetimes in ILs in P-IL thematic is dismissed, since the action of ILs is therefore the result of a subtle equilibrium between anion-cation interaction, ion-solvent and ion-protein interaction. The work developed in this thesis innovates in this thematic, once the design of ILs for protein stabilisation was bio-inspired in the high concentration of organic charged metabolites found in cell milieu. Although this perception is overlooked, those combined concentrations have been estimated to be ~300 mM among the macromolecules at concentrations exceeding 300 g/L (macromolecular crowding) and transient ion-pair can naturally occur with a potential specific biological role. Hence the main objective of this work is to develop new bio-ILs with a detectable ion-pair and understand its effects on protein structure and stability, under crowding environment, using advanced NMR techniques and calorimetric techniques. The choline-glutamate ([Ch][Glu]) IL was synthesized and characterized. The ion-pair was detected in water solutions using mainly the selective NOE NMR technique. Through the same technique, it was possible to detect a similar ion-pair promotion under synthetic and natural crowding environments. Using NMR spectroscopy (protein diffusion, HSQC experiments, and hydrogen-deuterium exchange) and differential scanning calorimetry (DSC), the model protein GB1 (production and purification in isotopic enrichment media) it was studied in the presence of [Ch][Glu] under macromolecular crowding conditions (PEG, BSA, lysozyme). Under dilute condition, it is possible to assert that the [Ch][Glu] induces a preferential hydration by weak and non-specific interactions, which leads to a significant stabilisation. On the other hand, under crowding environment, the [Ch][Glu] ion pair is promoted, destabilising the protein by favourable weak hydrophobic interactions , which disrupt the hydration layer of the protein. However, this capability can mitigates the effect of protein crowders. Overall, this work explored the ion-pair existence and its consequences on proteins in conditions similar to cell milieu. In this way, the charged metabolites found in cell can be understood as key for protein stabilisation.