Purification, crystallization and preliminary X-ray diffraction analysis of adenosine triphosphate sulfurylase (ATPS) from the sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774

Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun. 2008 Jul 1;64(Pt 7):593-5

Functional significance of adenosine in carotid body chemosensory activity in control and chronically hypoxic animals

ABSTRACT: Carotid bodies (CB) are peripheral chemoreceptor organs sensing changes in arterial blood O2, CO2 and pH levels. Hypoxia and acidosis or hypercapnia activates CB chemoreceptor cells, which respond by releasing neurotransmitters in order to increase the action potential frequency in their sensory nerve, the carotid sinus nerve (CSN). CSN activity is integrated in the brainstem to induce a fan of cardiorespiratory reflex responses, aimed at normalising the altered blood gases. Exogenously applied adenosine (Ado) increases CSN chemosensory activity inducing hyperventilation through activation of A2 receptors. The importance of the effects of adenosine in chemoreception was reinforced by data obtained in humans, in which the intravenous infusion of Ado causes hyperventilation and dyspnoea, an effect that has been attributed to the activation of CB because Ado does not cross blood-brain barrier and because the ventilatory effects are higher the closer to the CB it is injected. The present work was performed in order to establish the functional significance of adenosine in chemoreception at the carotid body in control and chronically hypoxic rats. To achieve this objective we investigated: 1) The release of adenosine from a rat carotid body in vitro preparation in response to moderate hypoxia and the specificity of this release. We also investigated the metabolic pathways of adenosine production and release in the organ in normoxia and hypoxia; 2) The modulation of adenosine/ATP release from rat carotid body chemoreceptor cells by nicotinic ACh receptors; 3) The effects of caffeine on peripheral control of breathing and the identity of the adenosine receptors involved in adenosine and caffeine effects on carotid body chemoreceptors; 4) The interactions between dopamine D2 receptors and adenosine A2B receptors that modulate the release of catecholamines (CA) from the rat carotid body; 5) The effect of chronic caffeine intake i.e. the continuous blockage of adenosine receptors thereby simulating a caffeine dependence, on the carotid body function in control and chronically hypoxic rats. The methodologies used in this work included: molecular biology techniques (e.g. immunocytochemistry and western-blot), biochemical techniques (e.g. neurotransmitter quantification by HPLC, bioluminescence and radioisotopic methods), electrophysiological techniques (e.g. action potential recordings) and ventilatory recordings using whole-body plethysmography. It was observed that: 1) CB chemoreceptor sensitivity to hypoxia could be related to its low threshold for the release of adenosine because moderate acute hypoxia (10% O2) increased adenosine concentrations released from the CB by 44% but was not a strong enough stimulus to evoke adenosine release from superior cervical ganglia and arterial tissue; 2) Acetylcholine (ACh) modulates the release of adenosine/5’-adenosine triphosphate (ATP) from CB in moderate hypoxia through the activation of nicotinic receptors with α4 and ß2 receptor subunits, suggesting that the excitatory role of ACh in chemosensory activity includes indirect activation of purinergic receptors by adenosine and ATP, which strongly supports the hypothesis that ATP/adenosine are important mediators in chemotransduction; 3) adenosine increases the release of CA from rat CB chemoreceptor cells via A2B receptors; 4) the inhibitory effects of caffeine on CB chemoreceptors are mediated by antagonism of postsynaptic A2A and presynaptic A2B adenosine receptors indicating that chemosensory activity elicited by hypoxia is controlled by adenosine; 5) The release of CA from rat CB chemoreceptor cells is modulated by adenosine through an antagonistic interaction between A2B and D2 receptors, for the first time herein described; 6) chronic caffeine treatment did not significantly alter the basal function of CB in normoxic rats assessed as the dynamics of their neurotransmitters, dopamine, ATP and adenosine, and the CSN chemosensory activity. In contrast, the responses to hypoxia in these animals were facilitated by chronic caffeine intake because it increased the ventilatory response, slightly increased CSN chemosensory activity and increased dopamine (DA) and ATP release; 7) In comparison with normoxic rats, chronically hypoxic rats exhibited an increase in several parameters: ventilatory hypoxic response; basal and hypoxic CSN activity; tyrosine hydroxylase expression, CA content, synthesis and release; basal and hypoxic adenosine release; and in contrast a normal basal release and diminished hypoxia-induced ATP release; 8) Finally, in contrast to chronically hypoxic rats, chronic caffeine treatment did not alter the basal CSN chemosensory activity. Nevertheless, the responses to mild and intense hypoxia, and hypercapnia, were diminished. This inhibitory effect of chronic caffeine in CB output is compensated by central mechanisms, as the minute ventilation parameter in basal conditions and in response to acute hypoxic challenges remained unaltered in rats exposed to chronic hypoxia. We can conclude that adenosine both in acute and chronically hypoxic conditions have an excitatory role in the CB chemosensory activity, acting directly on adenosine A2A receptors present postsynaptically in CSN, and acting presynaptically via A2B receptors controlling the release of dopamine in chemoreceptor cells. We suggest that A2B -D2 adenosine / dopamine interactions at the CB could explain the increase in CA metabolism caused by chronic ingestion of caffeine during chronic hypoxia. It was also concluded that adenosine facilitates CB sensitisation to chronic hypoxia although this effect is further compensated at the central nervous system.-------- RESUMO: Os corpos carotídeos (CB) são pequenos orgãos emparelhados localizados na bifurcação da artéria carótida comum. Estes órgãos são sensíveis a variações na PaO2, PaCO2, pH e temperatura sendo responsáveis pela hiperventilação que ocorre em resposta à hipóxia, contribuindo também para a hiperventilação que acompanha a acidose metabólica e respiratória. As células quimiorreceptoras (tipo I ou glómicas) do corpo carotídeo respondem às variações de gases arteriais libertando neurotransmissores que activam as terminações sensitivas do nervo do seio carotídeo (CSN) conduzindo a informação ao centro respiratório central. Está ainda por esclarecer qual o neurotransmissor (ou os neurotransmissores) responsável pela sinalização hipóxica no corpo carotídeo. A adenosina é um neurotransmissor excitatório no CB que aumenta a actividade eléctrica do CSN induzindo a hiperventilação através da activação de receptores A2. A importância destes efeitos da adenosina na quimiorrecepção, descritos em ratos e gatos, foi reforçada por resultados obtidos em voluntários saudáveis onde a infusão intravenosa de adenosina em induz hiperventilação e dispneia, efeito atribuído a uma activação do CB uma vez que a adenosina não atravessa a barreira hemato-encefálica e o efeito é quanto maior quanto mais perto do CB for a administração de adenosina. O presente trabalho foi realizado com o objectivo de esclarecer qual o significado funcional da adenosina na quimiorrecepção no CB em animais controlo e em animais submetidos a hipoxia crónica mantida. Para alcançar este objectivo investigou-se: 1) o efeito da hipóxia moderada sobre a libertação de adenosina numa preparação in vitro de CB e a especificidade desta mesma libertação comparativamente com outros tecidos não quimiossensitivos, assim como as vias metabólicas de produção e libertação de adenosina no CB em normoxia e hipóxia; 2) a modulação da libertação de adenosina/ATP das células quimiorreceptoras do CB por receptores nicotínicos de ACh; 3) os efeitos da cafeína no controlo periférico da ventilação e a identidade dos receptores de adenosina envolvidos nos efeitos da adenosina e da cafeína nos quimiorreceptores do CB; 4) as interacções entre os receptores D2 de dopamina e os receptores A2B de adenosina que modulam a libertação de catecolaminas (CA) no CB de rato e; 5) o efeito da ingestão crónica de cafeína, isto é, o contínuo bloqueio e dos receptores de adenosina, simulando assim o consumo crónico da cafeína, tal como ocorre na população humana mundial e principalmente no ocidente, na função do corpo carotídeo em ratos controlo e em ratos submetidos a hipoxia crónica. Os métodos utilizados neste trabalho incluíram: técnicas de biologia molecular como imunocitoquímica e western-blot; técnicas bioquímicas, tais como a quantificação de neurotransmissores por HPLC, bioluminescência e métodos radioisotópicos; técnicas electrofisiológicas como o registro de potenciais eléctricos do nervo do seio carotídeo in vitro; e registros ventilatórios in vivo em animais não anestesiados e em livre movimento (pletismografia). Observou-se que: 1) a especificidade dos quimiorreceptores do CB como sensores de O2 está correlacionada com o baixo limiar de libertação de adenosina em resposta à hipóxia dado que a libertação de adenosina do CB aumenta 44% em resposta a uma hipóxia moderada (10% O2), que no entanto não é um estímulo suficientemente intenso para evocar a libertação de adenosina do gânglio cervical superior ou do tecido arterial. Observou-se também que aproximadamente 40% da adenosina libertada pelo CB provém do catabolismo extracelular do ATP quer em normóxia quer em hipóxia moderada, sendo que PO2 reduzidas induzem a libertação de adenosina via activação do sistema de transporte equilibrativo ENT1. 2) a ACh modula a libertação de adenosina /ATP do CB em resposta à hipoxia moderada sugerindo que o papel excitatório da ACh na actividade quimiossensora inclui a activação indirecta de receptores purinérgicos pela adenosina e ATP, indicando que a adenosina e o ATP poderiam actuar como mediadores importantes no processo de quimiotransducção uma vez que: a) a activação dos receptores nicotínicos de ACh no CB em normóxia estimula a libertação de adenosina (max 36%) provindo aparentemente da degradação extracelular do ATP. b) a caracterização farmacológica dos receptores nicotínicos de ACh envolvidos na estimulação da libertação de adenosina do CB revelou que os receptores nicotínicos de ACh envolvidos são constituídos por subunidades α4ß2. 3) a adenosina modula a libertação de catecolaminas das células quimiorreceptoras do CB através de receptores de adenosina A2B dado que: a)a cafeína, um antagonista não selectivo dos receptores de adenosina, inibiu a libertação de CA quer em normóxia quer em resposta a estímulos de baixa intensidade sendo ineficaz na libertação induzida por estímulos de intensidade superior; b) o DPCPX e do MRS1754 mimetizaram os efeitos da cafeína no CB sendo o SCH58621 incapaz de induzir a libertação de CA indicando que os efeitos da cafeína seriam mediados por receptores A2B de adenosina cuja presença nas células quimiorreceptoras do CB demonstramos por imunocitoquímica. 4) a aplicação aguda de cafeína inibiu em 52% a actividade quimiossensora do CSN induzida pela hipóxia sendo este efeito mediado respectivamente por receptores de adenosina A2A pós-sinápticos e A2B pré-sinápticos indicando que a actividade quimiossensora induzida pela hipóxia é controlada pela adenosina. 5) existe uma interacção entre os receptores A2B e D2 que controla a libertação de CA do corpo carotídeo de rato uma vez que: a) os antagonistas dos receptores D2, domperidona e haloperidol, aumentaram a libertação basal e evocada de CA das células quimiorreceptoras confirmando a presença de autorreceptores D2 no CB de rato que controlam a libertação de CA através de um mecanismo de feed-back negativo. b) o sulpiride, um antagonista dos receptores D2, aumentou a libertação de CA das células quimiorreceptoras revertendo o efeito inibitório da cafeína sobre esta mesma libertação; c) a propilnorapomorfina, um agonista D2 inibiu a libertação basal e evocada de CA sendo este efeito revertido pela NECA, um agonista dos receptores A2B. O facto de a NECA potenciar o efeito do haloperidol na libertação de CA sugere que a interacção entre os receptores D2 e A2B poderia também ocorrer ao nível de segundos mensageiros, como o cAMP. 6) a ingestão crónica de cafeína em ratos controlo (normóxicos) não alterou significativamente a função basal do CB medida como a dinâmica dos seus neurotransmissores, dopamina, ATP e adenosina e como actividade quimiossensora do CSN. Contrariamente aos efeitos basais, a ingestão crónica de cafeína facilitou a resposta à hipóxia, dado que aumentou o efeito no volume minuto respiratórioapresentando-se também uma clara tendência para aumentar a actividade quimiossensora do CSN e aumentar a libertação de ATP e dopamina.7) após um período de 15 dias de hipóxia crónica era evidente o fenómeno de aclimatização dado que as respostas ventilatórias à hipóxia se encontram aumentadas, assim como a actividade quimiossensora do CSN basal e induzida pela hipóxia. As alterações observadas no metabolismo da dopamina, assim como na libertação basal de dopamina e de adenosina poderiam contribuir para a aclimatização durante a hipoxia crónica. A libertação aumentada de adenosina em resposta à hipóxia aguda em ratos hipóxicos crónicos sugere um papel da adenosina na manutenção/aumento das respostas ventilatórias à hipóxia aguda durante a hipóxia crónica. Observou-se também que a libertação de ATP induzida pela hipóxia aguda se encontra diminuída em hipóxia crónica, contudo a ingestão crónica de cafeína reverteu este efeito para valores similares aos valores controlo, sugerindo que a adenosina possa modular a libertação de ATP em hipóxia crónica. 8) a ingestão crónica de cafeína em ratos hipóxicos crónicos induziu o aumento do metabolismo de CA no CB, medido como expressão de tirosina hidroxilase, conteúdo, síntese e libertação de CA. 9) a ingestão crónica de cafeína não provocou quaisquer alterações na actividade quimiossensora do CSN em ratos hipóxicos crónicos no entanto, as respostas do CSN à hipóxia aguda intensa e moderada e à hipercapnia encontram-se diminuídas. Este efeito inibitório que provém da ingestão crónica de cafeína parece ser compensado ao nível dos quimiorreceptores centrais dado que os parâmetros ventilatórios em condições basais e em resposta à hipoxia aguda não se encontram modificados em ratos expostos durante 15 dias a uma atmosfera hipóxica. Resumindo podemos assim concluir que a adenosina quer em situações de hipoxia aguda quer em condições de hipoxia crónica tem um papel excitatório na actividade quimiossensora do CB actuando directamente nos receptores A2A presentes pós-sinapticamente no CSN, assim como facilitando a libertação de dopamina pré-sinapticamente via receptores A2B presentes nas células quimiorreceptoras. A interacção negativa entre os receptores A2B e D2 observadas nas células quimiorreceptoras do CB poderia explicar o aumento do metabolismo de CA observado após a ingestão crónica de cafeína em animais hipóxicos. Conclui-se ainda que durante a aclimatização à hipóxia a acção inibitória da cafeína, em termos de resposta ventilatória, mediada pelos quimiorreceptores periféricos é compensada pelos efeitos excitatórios desta xantina ao nível do quimiorreceptores centrais.------- RESUMEN Los cuerpos carotídeos (CB) son órganos emparejados que están localizados en la bifurcación de la arteria carótida común. Estos órganos son sensibles a variaciones en la PaO2, en la PaCO2, pH y temperatura siendo responsables de la hiperventilación que ocurre en respuesta a la hipoxia, contribuyendo también a la hiperventilación que acompaña a la acidosis metabólica y respiratoria. Las células quimiorreceptoras (tipo I o glómicas) del cuerpo carotídeo responden a las variaciones de gases arteriales liberando neurotransmissores que activan las terminaciones sensitivas del nervio del seno carotídeo (CSN) llevando la información al centro respiratorio central. Todavía esta por clarificar cual el neurotransmisor (o neurotransmisores) responsable por la señalización hipóxica en el CB. La adenosina es un neurotransmisor excitatório en el CB ya que aumenta la actividad del CSN e induce la hiperventilación a través de la activación de receptores de adenosina del subtipo A2. La importancia de estos efectos de la adenosina en la quimiorrecepción, descritos en ratas y gatos, ha sido fuertemente reforzada por resultados obtenidos en voluntarios sanos en los que la infusión intravenosa de adenosina induce hiperventilación y dispnea, efectos estés que han sido atribuidos a una activación del CB ya que la adenosina no cruza la barrera hemato-encefalica y el efecto es tanto más grande cuanto más cercana del CB es la administración. Este trabajo ha sido realizado con el objetivo de investigar cual el significado funcional de la adenosina en la quimiorrecepción en el CB en animales controlo y en animales sometidos a hipoxia crónica sostenida. Para alcanzar este objetivo se ha estudiado: 1) el efecto de la hipoxia moderada en la liberación de adenosina en una preparación in vitro de CB y la especificidad de esta liberación en comparación con otros tejidos no-quimiosensitivos, así como las vías metabólicas de producción y liberación de adenosina del órgano en normoxia y hipoxia; 2) la modulación de la liberación de adenosina/ATP de las células quimiorreceptoras del CB por receptores nicotínicos de ACh; 3) los efectos de la cafeína en el controlo periférico de la ventilación y la identidad de los receptores de adenosina involucrados en los efectos de la adenosina y cafeína en los quimiorreceptores del CB; 4) las interacciones entre los receptores D2 de dopamina y los receptores A2B de adenosina que modulan la liberación de catecolaminas (CA) en el CB de rata y; 5) el efecto de la ingestión crónica de cafeína, es decir, el bloqueo sostenido de los receptores de adenosina, simulando la dependencia de cafeína observada en la populación mundial del occidente, en la función del CB en ratas controlo y sometidas a hipoxia crónica sostenida. Los métodos utilizados en este trabajo incluirán: técnicas de biología molecular como imunocitoquímica y western-blot; técnicas bioquímicas, tales como la cuantificación de neurotransmissores por HPLC, bioluminescencia y métodos radioisotópicos; técnicas electrofisiológicas como el registro de potenciales eléctricos del nervio do seno carotídeo in vitro; y registros ventilatórios in vivo en animales no anestesiados y en libre movimiento (pletismografia). Se observó que: 1) la sensibilidad de los quimiorreceptores de CB esta correlacionada con un bajo umbral de liberación de adenosina en respuesta a la hipoxia ya que en respuesta a una hipoxia moderada (10% O2) la liberación de adenosina en el CB aumenta un 44%, sin embargo esta PaO2 no es un estimulo suficientemente fuerte para inducir la liberación de adenosina del ganglio cervical superior o del tejido arterial; se observó también que aproximadamente 40% de la adenosina liberada del CB proviene del catabolismo extracelular del ATP en normoxia y en hipoxia moderada, y que bajas PO2 inducen la liberación de adenosina vía activación del sistema de transporte equilibrativo ENT1. 2) la ACh modula la liberación de adenosina /ATP del CB en respuesta a la hipóxia moderada lo que sugiere que el papel excitatório de la ACh en la actividad quimiosensora incluye la activación indirecta de receptores purinérgicos por la adenosina y el ATP, indicando que la adenosina y el ATP pueden actuar como mediadores importantes en el proceso de quimiotransducción ya que: a) la activación de los receptores nicotínicos de ACh en el CB en normoxia estimula la liberación de adenosina (max 36%) que aparentemente proviene de la degradación extracelular del ATP. Se observó también que este aumento de adenosina en el CB en hipoxia ha sido antagonizado parcialmente por antagonistas de estos mismos receptores; b) la caracterización farmacológica de los receptores nicotínicos de ACh involucrados en la estimulación de la liberación de adenosina del CB ha revelado que los receptores nicotínicos de ACh involucrados son constituidos por sub-unidades α4ß2. 3) la adenosina modula la liberación de CA de las células quimiorreceptoras del CB a través de receptores de adenosina A2B ya que: a) la cafeína, un antagonista no selectivo de los receptores de adenosina, ha inhibido la liberación de CA en normoxia y en respuesta a estímulos de baja intensidad siendo ineficaz en la liberación inducida por estímulos de intensidad superior; b) el DPCPX y el MRS1754 ha mimetizado los efectos de la cafeína en el CB y el SCH58621 ha sido incapaz de inducir la liberación de CA lo que sugiere que los efectos de la cafeína son mediados por receptores A2B de adenosina que están localizados pré-sinapticamente en las células quimiorreceptoras del CB. 4) la aplicación aguda de cafeína ha inhibido en 52% la actividad quimiosensora del CSN inducida por la hipoxia siendo este efecto mediado respectivamente por receptores de adenosina A2A pós-sinápticos y A2B pré-sinápticos lo que indica que la actividad quimiosensora inducida por la hipoxia es controlada por la adenosina. 5) existe una interacción entre los receptores A2B y D2 que controla la liberación de CA del CB de rata ya que: a) el sulpiride, un antagonista de los receptores D2, ha aumentado la liberación de CA de las células quimiorreceptoras revertiendo el efecto inhibitorio de la cafeína sobre esta misma liberación; b) los antagonistas de los receptores D2, domperidona y haloperidol, han aumentado la liberación basal e evocada de CA de las células quimiorreceptoras confirmando la presencia de autorreceptores D2 en el CB de rata que controlan la liberación de CA a través de un mecanismo de feed-back negativo; c) la propilnorapomorfina, un agonista D2, ha inhibido la liberación basal e evocada de CA sendo este efecto revertido por la NECA, un agonista de los receptores A2B. Ya que la NECA potencia el efecto del haloperidol en la liberación de CA la interacción entre los D2 y A2B puede también ocurrir al nivel de segundos mensajeros, como el cAMP. 6) la ingestión crónica de cafeína en ratas controlo (normóxicas) no ha cambiado significativamente la función basal del CB medida como la dinámica de sus neurotransmisores, dopamina, ATP y adenosina y como actividad quimiosensora del CSN. Al revés de lo que pasa con los efectos básales, la ingestión crónica de cafeína facilitó la respuesta a la hipóxia, ya que ha aumentado la respuesta ventilatória medida como volumen minuto presentando también una clara tendencia para aumentar la actividad quimiosensora del CSN y aumentar la liberación de ATP y dopamina. 7. Después de un período de 15 días de hipoxia crónica se puede observar el fenómeno de climatización ya que las respuestas ventilatórias a la hipoxia están aumentadas, así como la actividad quimiosensora del CSN basal e inducida por la hipoxia. Los cambios observados en el metabolismo de la dopamina, así como en la liberación basal de dopamina y de adenosina podrían contribuir para la climatización en hipoxia crónica. El aumento en la liberación de adenosina en respuesta a la hipoxia aguda en ratas sometidas a hipoxia crónica sugiere un papel para la adenosina en el mantenimiento/aumento de las respuestas ventilatórias a la hipoxia aguda en hipoxia crónica sostenida. Se ha observado también que la liberación de ATP inducida por la hipoxia aguda está disminuida en hipoxia crónica y que la ingestión crónica de cafeína reverte este efecto para valores similares a los valores controlo, sugiriendo que la adenosina podría modular la liberación de ATP en hipoxia crónica. 8. la ingestión crónica de cafeína ha inducido el aumento del metabolismo de CA en el CB en ratas hipóxicas crónicas, medido como expresión de la tirosina hidroxilase, contenido, síntesis y liberación de CA. 9. la ingestión crónica de cafeína no ha inducido cambios en la actividad quimiosensora del CSN en ratas hipóxicas crónicas sin embargo las respuestas do CSN a una hipoxia intensa y moderada y a la hipercapnia están disminuidas. Este efecto inhibitorio que es debido a la ingestión crónica de cafeína es compensado al nivel de los quimiorreceptores centrales ya que los parámetros ventilatórios en condiciones básales y en respuesta a la hipoxia aguda no están modificados en ratas expuestas durante 15 días a una atmósfera hipóxica. Resumiendo se puede concluir que la adenosina en situaciones de hipoxia aguda así como en hipoxia crónica tiene un papel excitatório en la actividad quimiosensora del CB actuando directamente en los receptores A2A localizados pós-sinapticamente en el CSN, así como controlando la liberación de dopamina pré-sinaptica vía receptores A2B localizados en las células quimiorreceptoras. Las interacciones entre los receptores A2B y D2 observadas en las células quimiorreceptoras del CB podrían explicar el aumento del metabolismo de CA observado después de la ingestión crónica de cafeína en animales hipóxicos. Por fin, pero no menos importante se puede concluir que durante la climatización a la hipoxia la acción inhibitoria de la cafeína, medida como respuesta ventilatória, mediada por los quimiorreceptores periféricos es compensada por los efectos excitatórios de esta xantina al nivel de los quimiorreceptores centrales.

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Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e Computadores

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.

Coherent structures in open channel flows with bed load transport over an hydraulically rough bed

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Estruturas

Energy-efficient diversity combining for different access schemes in a multi-path dispersive channel

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e Computadores

Malnutrição em idosos na admissão hospital actuação perante a sua elevado prevalência

RESUMO: Ao longo das últimas décadas a redistribuição etária da população mundial tem vindo a apresentar um aumento do número de pessoas com 65 ou mais anos, integrando um grupo populacional comummente designado por população idosa. Importa aprofundar mecanismos fisiológicos que conduzem ao envelhecimento e de que forma podem condicionar não só aspetos clínicos, como também nutricionais, entre outros, com a perspetiva da sua origem no aparecimento de doenças crónicas. Com esse enfoque, a desnutrição na pessoa idosa é hoje considerada pela European Nutrition for Health Alliance(ENHA) um problema de saúde pública. Está descrito que a sua prevalência ronda os 60% a nível de instituições hospitalares, 40% em unidades residenciais e 5 a 10% na pessoa idosa a residir em domicílio próprio ou de familiares, e na sua maioria permanece por diagnosticar e tratar. Assim, foi objetivo deste estudo caracterizar e estimar a prevalência da desnutrição e do risco de desnutrição na pessoa idosa, nas primeiras 72 horas de admissão hospitalar. Aplicou-se um estudo observacional, analítico, transversal, quantitativo e correlacional, cujos dados foram recolhidos por entrevista ao próprio e por observação. O estudo desenvolveu-se em duas vertentes de investigação, uma focada na caracterização da desnutrição em pessoas idosas institucionalizadas em hospitais portugueses da zona centro e sul do Continente e Madeira, nos períodos de julho/agosto de 2009, abril/junho de 2010, maio/julho de 2011, através do MNA®. A outra, uma avaliação nutricional detalhada, efetuada no Centro Hospitalar de Lisboa Central – Hospital de Santa Marta, EPE, entre o início de janeiro de 2009 e o fim de janeiro de 2010, sendo a amostra recrutada de entre os idosos de ambos os sexos, internados. Foram estudados dados sociodemográficos, de saúde e feita uma avaliação nutricional extensa. A avaliação nutricional constou de colheita de parâmetros laboratoriais (hematológicos e bioquímicos) e antropométricos (índice de massa corporal (IMC), prega cutânea tricipital(PCT), prega cutânea subescapular (PCSE), perímetro braquial (PB), adequação do perímetro braquial (APB), área muscular braquial (AMB) e perímetro Geminal (PG), análise da composição corporal (Massa Gorda Corporal (MGC), Massa Isenta de Gordura (MIG)),caracterização de um dia alimentar tipo e questionário Mini Nutritional Assessment Long Form®– MNA LF®. Dos dados obtidos em hospitais portugueses, destaca-se que dos 402 idosos avaliados, 53% eram do sexo masculino, tinham uma idade média de 75,8 + 6,52 (65 – 100) e segundo o MNA® 57,5% encontravam-se Desnutridos ou em Risco de Desnutrição.Na amostra, dos dados obtidos, a nível sociodemográfico salienta-se que 50% dos doentes eram do sexo masculino, a idade média rondava os 75,5 + 7,22 (65 – 100) anos, 55% eram naturais de Lisboa e 80% residiam em Lisboa e Vale do Tejo, 38% não tiveram estudos formais e 43% fizeram-no apenas até ao 4º ano de escolaridade. Em relação aos dados de saúde, a maioria dos doentes foi admitida através do Serviço de Urgência do Centro Hospitalar de Lisboa Central – Hospital de São José e foram internados no Serviço de Medicina (38%) e no Serviço de Cardiologia (30%), por patologia médica (38%) e patologia do sistema circulatório (56%). Nos hábitos de vida, quanto à mobilidade, um terço dos doentes estavam acamados e os restantes deambulavam ou tinham uma mobilidade normal, 74% não apresentaram hábitos etanólicos regulares, 19% apresentavam um consumo elevado (> 30g de etanol/dia); 95% dos doentes não apresentavam hábitos tabágicos. Relativamente à caracterização nutricional, os valores médios encontrados em relação aos parâmetros laboratoriais revelaram-se inferiores aos valores padrão para a idade e sexo e eram inferiores no sexo feminino. Na caracterização antropométrica verificaram-se os seguintes achados: o cálculo do IMC mostrou-se pouco sensível na identificação de doentes desnutridos; a PCT e a PCSE revelaram valores de massa gorda dentro do intervalo considerado normal;segundo o PB, 88% não apresentavam valor indicativo de desnutrição e 8% estavam desnutridos; a APB identificou 50% de doentes desnutridos; a AMB, revelou que 97% dos homens e 95% das mulheres apresentavam deficit da massa magra e segundo o PG, 18% apresentavam um valor inferior a 31cm descritor de desnutrição. Na análise da composição corporal verificou-se que ambos os sexos apresentavam uma percentagem de MGC classificada como demasiado alta e que esta era superior nas mulheres em relação aos homens. Ao analisar a ingestão nutricional verificou-se que esta era inferior às Dietary Reference Intakes (DRIs) para a ingestão hídrica (p=0,00), energética (p=0,00), proteica (p=0,00), lipídica (p=0,01), MUFA (p=0,00), PUFA (p=0,00), e glícidos (p=0,00), fibra (p=0,02), potássio (p=0,00), cálcio (p=0,00), magnésio (p=0,00), fósforo (p=0,00), zinco (p=0,00), vitamina D (p=0,00), vitamina E (p=0,00) e folato (p=0,00). No que diz respeito ao MNA®, a sua aplicação permitiu identificar 62% de situações de risco nutricional ou de desnutrição já instalada. Valores de MNA® indicativos de desnutrição ou risco estavam associados a níveis de escolaridade mais baixos (r=0,32; p=0,00). Verificou-se correlação entre o MNA® e a PCT (r=0,30;p=0,00), PCSE (r=0,19;p=0,03) e PG (r=0,27;p=0,00). Na análise da amostra por sexo e escalão etário, apenas se distinguiram as mulheres mais velhas, que apresentaram situação de IMC indicador de risco de desnutrição (IMC <23,5 + 2,9, (r=0,42;p=0,02)), e de valores médios de PB de 25,6+3,84cm (r=0,42;p=0,01), em situações de menor mobilidade caraterizados pelo MNA®. Os homens maisvelhos apresentaram correlação entre o MNA® e PCSE (r=0,41;p=0,02), APMB (r=0,57;p=0,00)e PG (r=0,55;p=0,00), e as mulheres mais velhas apenas com a PCT (r=0,39;p=0,02). A análise multivariada do MNA® em função do sexo e do escalão etário, revelou que estes são independentes. Os homens apresentaram valores médios de MNA® superiores às mulheres e à medida que a idade aumenta, os valores de MNA® em ambos os sexos diminuem, sendo indicativos de risco de desnutrição. Consideramos que, tendo em conta a natureza e objetivos do presente estudo, foi possível caracterizar e estimar a prevalência da desnutrição e do risco de desnutrição em pessoas idosas nas primeiras 72 horas de admissão hospitalar. Os resultados obtidos sinalizam a sua elevada prevalência e alertam para a necessidade de procedimentos protocolados de avaliação e intervenção nutricional da população idosa na admissão hospitalar. Para este efeito a aplicação do MNA® provou a sua aplicabilidade, assim como a medição e cálculo da AMB, que poderão ser muito precocemente aplicados e contribuir para potenciar melhorias do estado de saúde e diminuir o tempo de internamento, nomeadamente de pessoas idosas. Em relação ao padrão alimentar, este estudo contribuiu para uma chamada de atenção dos profissionais de saúde que a população idosa pode apresentar carências nutricionais na admissão, e que estas se não forem devidamente sinalizadas e colmatadas tendem a agravar-se durante o internamento podendo contribuir para o aumento da morbilidade.-------------ABSTRACT:Over the last decades the age redistribution group of the population worldwide has been presenting an increasing number of people aged 65 years or more, incorporating a population group commonly referred to as the elderly population. It´s important to further analyze the physiological mechanisms that lead to aging and how they might influence not only clinical aspects, but also nutritional, among others, with the perspective of their origin in the onset of chronic diseases. With this approach, malnutrition in the elderly is now considered by the European Nutrition for Health Alliance (ENHA) a public health problem. It is reported that its prevalence is around 60% at the level of hospital units, 40% in residential units and 5 to 10% in the elderly living in their own home or family's, and mostly remains to diagnose and treat. The aim of this study was to characterize and estimate the prevalence of malnutrition and risk of malnutrition in the elderly, in the first 72 hours of hospital admission. We applied an observational, analytical, cross-sectional and correlacional quantitative type of study and data were collected by interview and observation itself. The study was developed in two lines of research: one focused on the characterization of malnutrition in elderly institutionalized in Portuguese hospitals, in the central and southern mainland and Madeira, in the periods between July - August 2009, April - June 2010, May - July 2011, through the MNA®; and the other: a detailed nutritional assessment, conducted in Hospital Lisbon Center - Hospital de Santa Marta, EPE, between early January 2009 and late January 2010, and the sample was recruited from among the elderly of both sexes at hospital admission. We studied intensively sociodemographic, health and nutritional assessment done extensive. Nutritional evaluation consisted of harvesting different parameters: hematological, biochemical and anthropometric (body mass index (BMI), triceps skinfold (TSF), sub-scapular skinfold (SSF), arm circumference (AC), arm muscle area (AMA), geminal perimeter (GP), analysis of body composition (Fat Mass (FM), Fat Free Mass (FFM)), characterization of a daily food type and Mini Nutritional Assessment Long Form® questionnaire - MNA LF®. Form the data obtained in Portuguese hospitals, it is noteworthy that of the 402 patients included, 53% were male, had a mean age of 75,8 + 6,52 (65 - 100) and, according to the MNA®, 57,5% were malnourished or at risk of malnutrition. In the sample, from the sociodemographic data obtained, we saw that 50% of patients were male, the average age was around 75,5 + 7,22 years (65-100), 55% were from Lisbon and 80 %lived in Lisbon, 38% had no formal education and 43% did so only until the 4th grade. Regarding health data, the majorities of patients were admitted through the ER of Hospital Lisbon Center - S. José Hospital - and were admitted to the Medicine Unit (38%) and to the Cardiology Unit (30%), by medical pathology (38%) and circulatory system disease (56%). In regard to lifestyle, and considering mobility, one third of patients were bedridden and the rest were ambulating or had a normal mobility. 74% had no regular ethanol habits, 19% had a high intake (> 30 g ethanol / day); 95% of the patients had no smoking habits. Regarding nutritional assessment, the mean values for laboratory parameters proved inferior to standard values for age and sex and were lower in females. In anthropometric assessment these were the findings: BMI calculation showed to be scarcely sensitive in the identification of undernourished patients; the TSF and SSF revealed values of fat mass within the normal range; in AC, 88% did not have an indicative value of malnutrition and 8% were malnourished; in AMA, 97% of men and 95% women had a deficit of lean mass and in GP, 18% had a value of less than the 31cm malnutrition descriptor. In body composition analysis found that both sexes showed a percentage of FM ranked too high and this was higher in women compared to men. By analyzing the nutritional intake was found that this was less than the Dietary Reference Intakes (DRIs) for water intake (p=0,00), energy (p=0,00), protein (p=0,00), lipid (p=0,01), MUFA (p=0,00), PUFA (p=0,00), carbohydrates (p=0,00), fiber (p=0,02), potassium (p=0,00), calcium (p=0,00), magnesium (p=0,00), phosphorus (p=0,00), zinc (p=0,00), vitamin D (p=0,00), vitamin E (p=0,00) and folate (p=0,00). Regarding MNA®, its application identified 62% of cases of nutritional risk or malnutrition already installed. MNA® values indicative of malnutrition or risk were associated with lower levels of education (r=0,32; p=0,00). There was a correlation between the MNA ® and TSF (r =0,30, p = 0,00), SFF (r = 0,19, p = 0,03) and GP (r=0,27, p = 0,00). In the analysis of the sample by gender and age group, the highlight was in older women who had BMI status indicator of malnutrition risk (BMI <23,5 + 2,9 (r=0,42;p=0,02)) and mean values of AC 25,6 +3,84cm (r=0,42; p=0,01), in situations characterized by low mobility MNA®. Older men showed a correlation between the MNA® and SFF (r = 0,41; p = 0,02), AMA (r = 0,57; p = 0,00) and GP (r=0,55;p=0,00), and in older women only TSF showed a correlation(r = 0,39; p =0,02). Multivariate analysis of the MNA® by gender and age group, revealed that they are independent. The men had MNA® mean superior to women, and as the age increases, the values of MNA® in both sexes declined, being indicative of risk of malnutrition. We believe that, given the nature and objectives of the present study, it allowed us to characterize and estimate the prevalence of risk of malnutrition and malnutrition in older people during the first 72 hours of hospital admission. The results indicate a high prevalence and point to the need for protocol procedures of nutritional assessment and intervention in the elderly population at hospital admission. For this purpose the application of MNA® has proved its applicability, as well as measuring and calculating AMA, which may be applied in early stages thus contributing to enhance health state improvements and to shorten the time of hospitalization, particularly in elderly people. In relation to dietary pattern, this study contributed to call of attention from health professionals that the elderly may have nutritional deficiencies on admission, and that these are not properly marked and addressed tend to worsen during hospitalization may contribute to increased morbidity.

Amorphous silicon e 3D sensors applied to object detection

Nowadays, existing 3D scanning cameras and microscopes in the market use digital or discrete sensors, such as CCDs or CMOS for object detection applications. However, these combined systems are not fast enough for some application scenarios since they require large data processing resources and can be cumbersome. Thereby, there is a clear interest in exploring the possibilities and performances of analogue sensors such as arrays of position sensitive detectors with the final goal of integrating them in 3D scanning cameras or microscopes for object detection purposes. The work performed in this thesis deals with the implementation of prototype systems in order to explore the application of object detection using amorphous silicon position sensors of 32 and 128 lines which were produced in the clean room at CENIMAT-CEMOP. During the first phase of this work, the fabrication and the study of the static and dynamic specifications of the sensors as well as their conditioning in relation to the existing scientific and technological knowledge became a starting point. Subsequently, relevant data acquisition and suitable signal processing electronics were assembled. Various prototypes were developed for the 32 and 128 array PSD sensors. Appropriate optical solutions were integrated to work together with the constructed prototypes, allowing the required experiments to be carried out and allowing the achievement of the results presented in this thesis. All control, data acquisition and 3D rendering platform software was implemented for the existing systems. All these components were combined together to form several integrated systems for the 32 and 128 line PSD 3D sensors. The performance of the 32 PSD array sensor and system was evaluated for machine vision applications such as for example 3D object rendering as well as for microscopy applications such as for example micro object movement detection. Trials were also performed involving the 128 array PSD sensor systems. Sensor channel non-linearities of approximately 4 to 7% were obtained. Overall results obtained show the possibility of using a linear array of 32/128 1D line sensors based on the amorphous silicon technology to render 3D profiles of objects. The system and setup presented allows 3D rendering at high speeds and at high frame rates. The minimum detail or gap that can be detected by the sensor system is approximately 350 μm when using this current setup. It is also possible to render an object in 3D within a scanning angle range of 15º to 85º and identify its real height as a function of the scanning angle and the image displacement distance on the sensor. Simple and not so simple objects, such as a rubber and a plastic fork, can be rendered in 3D properly and accurately also at high resolution, using this sensor and system platform. The nip structure sensor system can detect primary and even derived colors of objects by a proper adjustment of the integration time of the system and by combining white, red, green and blue (RGB) light sources. A mean colorimetric error of 25.7 was obtained. It is also possible to detect the movement of micrometer objects using the 32 PSD sensor system. This kind of setup offers the possibility to detect if a micro object is moving, what are its dimensions and what is its position in two dimensions, even at high speeds. Results show a non-linearity of about 3% and a spatial resolution of < 2µm.

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.