Caracterização da função do monóxido de azoto e glutationo hepáticos na sensabilidade periférica à insulina

xi RESUMO A acção da insulina no músculo esquelético depende de um reflexo parassimpático hepático que conduz à libertação de uma substância hepática sensibilizadora da insulina, designada por HISS, responsável por cerca de 55% do efeito hipoglicemiante da insulina. A acção da HISS é finamente regulada pelo monóxido de azoto (NO) hepático e pelo estado prandial, aumentando no período pós-prandial imediato e diminuindo progressivamente com as horas de jejum. A secreção da HISS pode ser inibida cirúrgica ou farmacologicamente, quer por desnervação selectiva do plexo anterior hepático, quer por administração de atropina, quer por inibição do sintase do NO (NOS) hepático. O objectivo geral do trabalho apresentado nesta dissertação foi a caracterização da via de transdução de sinal que conduz à libertação da HISS. O modelo utilizado neste estudo foi o rato Wistar. A sensibilidade à insulina foi avaliada através do teste rápido de sensibilidade à insulina (RIST). A primeira hipótese de trabalho testada foi que a sequência de eventos que conduzem à secreção da HISS inicia-se com a activação do sistema parassimpático hepático seguida de activação do NOS hepático com subsequente produção de NO e activação do guanilato ciclase (GC). Observou-se que a administração de um dador de NO reverteu a resistência à insulina induzida, quer por inibição do NOS hepático, quer por antagonismo dos receptores muscarínicos com atropina. Em contraste, a resistência à insulina produzida por inibição do NOS hepático não foi revertida por administração intraportal de acetilcolina (ACh). Constatou-se que a inibição do GC hepático diminuiu a sensibilidade à insulina. Estes resultados sugerem que: a ACh libertada no fígado induz a síntese de NO hepático que conduz à libertação da HISS, que por sua vez é modulada pelo GC hepático. A libertação da HISS em resposta à insulina é regulada pelo estado prandial. Uma vez que os níveis hepáticos de glutationo (GSH) se encontram, tal como a HISS, diminuídos no estado de jejum e aumentados após a ingestão de uma refeição, testou-se a hipótese de que o GSH hepático está envolvido na secreção da HISS. Observou-se que a depleção do GSH hepático induziu resistência à insulina, comparável à obtida após inibição do NOS hepático. Estes resultados suportam a hipótese de que o GSH hepático desempenha um papel crítico na acção periférica da insulina. Considerando que, no estado de jejum, tanto os níveis de GSH hepático como os níveis de NO hepático são baixos, testou-se a hipótese de que a co-administração intraportal de um dador de GSH e de um dador de NO promove um aumento da sensibilidade à insulina no estado de jejum, devido ao restabelecimento do mecanismo da HISS. Observou-se que a administração sequencial de dadores de GSH e de NO no fígado provocou um aumento na sensibilidade à insulina, dependente da dose de dador de GSH administrada. Concluiu-se portanto que ambos, GSH e NO, são essenciais para que o mecanismo da HISS esteja completamente funcional. O GSH e o NO reagem para formar um S-nitrosotiol, o S-nitrosoglutationo (GSNO). Os resultados supra-mencionados conduziram à formulação da hipótese de que a secreção/acção da HISS depende da formação de GSNO. Observou-se que a administração intravenosa de S-nitrosotióis (RSNOs) aumentou a sensibilidade à insulina, em animais submetidos a um período de jejum, ao contrário da administração intraportal destes fármacos, o que RSNOs têm uma acção periférica, mas não hepática, na sensibilidade à insulina. Os resultados obtidos conduziram à reformulação da hipótese da HISS, sugerindo que a ingestão de uma refeição activa os nervos parassimpáticos hepáticos levando à libertação de ACh no fígado que, por sua vez activa o NOS. Simultaneamente, ocorre um aumento dos níveis de GSH hepático que reage com o NO hepático para formar um composto nitrosado, o GSNO. Este composto mimetiza a acção hipoglicemiante da HISS no músculo esquelético. SUMMARY Insulin action at the skeletal muscle depends on a hepatic parasympathetic reflex that promotes the release of a hepatic insulin sensitizing substance (HISS) from the liver, which contributes 55% to total insulin action. HISS action is modulated by hepatic nitric oxide (NO) and also by the prandial status so as to, in the immediate ostprandial state, HISS action is maximal, decreasing with the duration of fasting. HISS secretion may be inhibited by interruption of the hepatic parasympathetic reflex, achieved either by surgical denervation of the liver or by cholinergic blockade with atropine, or by prevention of hepatic NO release, using NO synthase (NOS) antagonists. The main objective of this work was to characterize the signal transduction pathways that lead to HISS secretion by the liver. Wistar rats were used and insulin sensitivity was evaluated using the rapid insulin sensitivity test (RIST). The first hypothesis tested was that the sequence of events that lead to HISS secretion starts with an increase in the hepatic parasympathetic tone, followed by the activation of hepatic NOS and subsequent triggering of guanylate cyclase (GC). We observed that insulin resistance produced either by muscarinic receptor antagonism with atropine or by hepatic NOS inhibition was reversed by the intraportal administration of an NO donor. In contrast, intraportal acetylcholine (ACh) did not restore insulin sensitivity after NOS inhibition. We also observed that GC inhibition lead to a decrease in insulin sensitivity.These results suggest that the release of ACh in the liver activates hepatic NO synthesis in order to allow HISS secretion, through a signaling pathway modulated by GC. HISS release in response to insulin is controlled by the prandial status. The second hypothesis tested was that glutathione (GSH) is involved in HISS secretion since the hepatic levels of GSH are, like HISS action, decreased in the fasted state and increased after ingestion of a meal. We observed that hepatic GSH depletion led to insulin resistance of the same magnitude of that observed after inhibition of hepatic NOS. These results support the hypothesis that hepatic GSH is crucial in peripheral insulin action. Since, in the fasted state, both hepatic GSH and NO levels are low, we tested the hypothesis that intraportal o-administration of a GSH donor and an NO donor enhances insulin sensitivity in fasted Wistar rats, by restoring HISS secretion. We observed that GSH and NO increased insulin sensitivity in a GSH dose-dependent manner. We concluded that HISS secretion requires elevated levels of both GSH and NO in the liver. GSH and NO react to form a S-nitrosothiol, S-nitrosoglutathione (GSNO). The last hypothesis tested in this work was that HISS secretion/ action depends on the formation of GSNO. We observed that intravenous administration of -nitrosothiols (RSNOs) increased insulin sensitivity in animals fasted for 24 h, in contrast with the intraportal administration of the drug. This result suggests that RSNOs enhanced insulin sensitivity through a peripheral, and not hepatic, mechanism. The results obtained led to a restructuring of the HISS hypothesis, suggesting that the ingestion of a meal triggers the hepatic parasympathetic nerves, leading to the release of Ach in the liver, which in turn activates NOS. Simultaneously, hepatic GSH levels increase and react with NO to form a nitrosated compound, GSNO. S-nitrosoglutathione mimics HISS hypoglycaemic action at the skeletal muscle.

Regulação integrada do metabolismo da glucose no estado pós-prandial : fisiologia e reversão de processos patológicos

Resumo: Os mecanismos que regulam a homeostase da glucose no pós-prandial são distintos dos mecanismos desencadeados em situações de jejum. Desta forma o fígado parece desempenhar um papel fundamental na acção periférica da insulina após a refeição através de um mecanismo que envolve os nervos parassimpáticos hepáticos e o óxido nítrico (NO). Esta dissertação procura evidenciar a importância de ambos na fi siologia de manutenção da glicémia pós-prandial e na fi siopatologia da resistência à insulina. Dos resultados obtidos observou-se que após a administração de uma refeição mista o perfi l glicémico foi distinto em animais com ou sem ablação dos nervos parassimpáticos hepáticos. A desnervação parassimpática hepática aumentou as excursões de glucose imediatamente após a refeição. Estas diferenças nas excursões de glucose dependentes do parassimpático ocorreram devido a uma diminuição da clearance de glucose, sem que fosse afectada a taxa de aparecimento de glucose no sangue, a produção endógena de glucose e secreção de insulina ou péptido-C. Este aumento das excursões de glucose revelou-se ser devida à diminuição da clearance de glucose pós-prandial exclusivamente no músculo-esquelético, coração e o rim. Concluiu-se que o fígado teria uma função endócrina nestes três órgãos. Surgiu assim a hipótese dos S-nitrosotiois (RSNOs) poderem mimetizar essa resposta endócrina. Testou-se o seu efeito in vivo na sensibilidade à insulina. Para níveis baixos de sensibilidade à insulina, como jejum, desnervação no estado pós-prandial e resistência à insulina os RSNOs potenciaram a sensibilidade à insulina para valores semelhantes ao pós-prandial indicando-os como potenciais fármacos no tratamento da resistência à insulina. O NO e seus derivados ganharam assim uma evidência cada vez maior na acção periférica da insulina e portanto fez-se uma caracterização dos seus níveis desde a fi siologia à fi siopatologia. Os resultados obtidos nesta dissertação permitiram correlacionar a sintetase de óxido nítrico (NOS), enzima responsável pela síntese de NO como um possível marcador da resistência à insulina. Os resultados obtidos contribuíram substancialmente para compreender os mecanismos fi siológicos e fi siopatológicos de manutenção da glicémia após a refeição, colocando o fígado como órgão primordial na regulação periférica (extra-hepática) da captação de glucose.-------- ABSTRACT: The mechanisms responsible for the postprandial response are different from the ones in the fasted state. Therefore the liver seems to play a fundamental role in postprandial insulin action through a mechanism that evolves the hepatic parasympathetic nerves (HPN) and nitric oxide (NO). This work focused on the importance of both, HPN and NO, on postprandial glycemic control and on the pathophysiology of insulin resistance. We observed that after administration of a mixed meal the glycemic profi les with or without the parasympathetic nerves were distinct, increasing glucose excursions after ablation of HPN.This increase in glucose excursions was due to a decrease on the rate of glucose disappearance in extra-hepatic tissues. Glucose appearance rate, endogenous glucose production and insulin secretion were not related to this mechanism. The increase on glucose excursions after the ablation of hepatic parasympathetic system was due to a decrease on glucose clearance on extra-hepatic tissues, namely skeletal-muscle, heart and kidney. We concluded that the liver has an endocrine function on those tissues increasing their glucose uptake.This mechanism led to propose the hypothesis that S-nitrosothiols (RSNOs) could mimic this mechanism. Therefore RSNOs effects on insulin sensitivity were tested. For low insulin sensitivity levels, i.e. fasted state, ablation of the HPN or insulin resistance state induced by a high sucrose diet RSNOs increased insulin sensitivity to levels normally observed in the postprandial state. These results indicated these drugs as potential pharmacological tools in the treatment of insulin resistance. NO and their derivates emerged as fundamental parts of insulin action. A characterization of nitric oxide and nitric oxide synthase (NOS), the enzyme responsible for NO synthesis was part of the work performed. We concluded that NO could be used as a biomarker for insulin resistance states. This work contributed for understanding the mechanism underlying postprandial glycemic control indicating the liver as a key organ in the regulation of peripheral (extra-hepatic) insulin action.

Bridging present and future of brain-computer interfaces: an assessment of impacts

Based on the report for the “Project III” unit of the PhD programme on Technology Assessment under the supervision of Prof. António B. Moniz. This report was discussed also at the 2nd Winter School on Technology Assessment held at Universidade Nova de Lisboa, Caparica Campus, Portugal on December 2011.

Brain-computer interface (BCI): a methodological proposal to assess the impacts of medical applications in 2022

Based on the report for “Project IV” unit of the PhD programme on Technology Assessment (Doctoral Conference) at Universidade Nova de Lisboa (December 2011). This thesis research has the supervision of António Moniz (FCT-UNL and ITAS-KIT) and Armin Grunwald (Karlsruhe Institute of Technology-ITAS, Germany). Other members of the thesis committee are Mário Forjaz Secca (FCT-UNL) and Femke Nijboer (University of Twente, Netherlands).

Soft biomaterials as a substitute for the Nucleus Pulposus

One of the largest health problems faced worldwide, when evaluated by direct (clinical) as well indirect cost (absenteeism), is the degeneration of the intervertebral disc (IVD) that leads to back pain and, potentially disability and individual´s quality of life decreasing. The intervertebral disc is a mechanical and biological complex structure, formed by a tough outer layer of fibrocartilage called Annulus Fibrosus (AF),which surrounds a soft, elastic and gelatinous core called Nucleus Pulposus (NP). These two structures are completed by two upper and lower encasing layer called Vertebral Endplates (VEP). The degeneration of the IVD is marked by the dehydration of the Nucleus Pulposus, reducing the hydrostatic pressure inside the nucleus, resulting in a loss of capability to support compressive forces, during the active period, and to regain height during the resting period. This situation will compromise the role of shock absorber by the NP and transfers these forces to the AF. This transfer will result in cracks on the AF, deteriorating the IVD, allowing the ingrowth of vessels and nerves. This project was based on the developing a protocol to test suitable NP replacements, in hope to future assessment of discrete mechanical values and characteristics for an NP replacement. For this, Nucleus pulposus samples from goat, encapsulated Hydromed gel denominated “Raviolis” and Chitosan gels, produced via wet route using an ammonium environment, were confined compressed. Chitosan was rheologically tested and swelling capability of all the three type of materials was assessed. Results showed that the Nucleus Pulposus and “Raviolis” have similar mechanical behavior, being able to swell and “build up” hydrostatic pressure after a compression stage, while the Chitosan gel did not showed that ability. Therefore, “Raviolis” are a more suitable candidate to replace the NP than Chitosan gels. It was also observed that confined compression is the key test to perform on any possible candidate to replace the NP.

Evolution of Teeth and Quadrate in Non-avian Theropoda (Dinosauria: Saurischia), with the Description of Torvosaurus Remains from Portugal

Theropods form a highly successful and morphologically diversified group of dinosaurs that gave rise to birds. They include most, if not all, carnivorous dinosaurs, yet many theropod clades were secondarily adapted to piscivory, omnivory and herbivory, and theropods show a large array of skull and dentition morphologies. This work aims to investigate aspects of the evolution of theropod dinosaurs by analyzing in detail both the anatomy and ontogeny of teeth and quadrates in non-avian theropods, and by studying embryonic and adult material of a new species of theropod. A standardized list of terms and notations for each anatomical entity of the tooth, quadrate, and maxilla is here proposed with the goal of facilitating descriptions of these important cranial and dental elements. The distribution of thirty dental characters among 113 theropod taxa is investigated, and a list of diagnostic dental characters is proposed. As an example, four isolated theropod teeth from the Lourinhã Formation (Kimmeridgian‒Tithonian) of Portugal are described and identified based on a cladistic analysis performed on a data matrix of 141 dentition-based characters coded in 60 taxa. Two shed teeth are referred to an abelisaurid, providing the first record of Abelisauridae in the Jurassic of Laurasia and the one of the oldest records of this clade in the world, suggesting a possible radiation of Abelisauridae in Europe well before the Upper Cretaceous. The consensus tree resulting from this phylogenetic analysis, the most extensive on theropod teeth, indicates that theropod teeth provide reliable data for identification at approximately family level, and this method will help identifying theropod teeth with more confidence. A detailed description of the dentition of Megalosauridae is also provided, and a discriminant analysis performed on a dataset of numerical data collected on the teeth of 62 theropod taxa reveals that megalosaurid teeth are hardly distinguishable from other theropod clades with ziphodont dentition. This study highlights the importance of detailing anatomical descriptions and providing additional morphometric data on teeth with the purpose of helping to identify isolated theropod teeth. In order to evaluate the phylogenetic potential and investigate the evolutionary transformations of the quadrate, a phylogenetic morphometric analysis as well as a cladistic analysis using 98 discrete quadrate related characters were conducted. The quadrate morphology by its own provides a wealth of data with strong phylogenetic signal, and the phylogenetic morphometric analysis reveals two main morphotypes of the mandibular articulation of the quadrate linked to function. As an example, six isolated quadrates from the Kem Kem beds (Cenomanian) of Morocco are determined to be from juvenile and adult individuals of Spinosaurinae based on phylogenetic, morphometric, and phylogenetic morphometric analyses. Morphofunctional analysis of the spinosaurid mandibular articulation has shown that the posterior parts of the two mandibular rami displaced laterally when the jaw was depressed due to a mediolaterally oriented intercondylar sulcus of the quadrate. Such lateral movement of the mandibular ramus was possible due to a movable mandibular symphysis in spinosaurids, allowing the pharynx to be widened. A new species of theropod from the Lourinhã Formation of Portugal, Torvosaurus gurneyi, is erected based on a right maxilla and an incomplete caudal centrum. This taxon supports the mechanism of vicariance that occurred in the Iberian Meseta during the Late Jurassic when the proto-Atlantic was already well formed. A theropod clutch containing several crushed eggs and embryonic material is also assigned to this new species of Torvosaurus. Investigation on the maxilla ontogeny in basal tetanurans reveals that crown denticles, elongation of the anterior ramus, and fusion of interdental plates appear at a posthatchling stage. On the other hand, maxillary pneumaticity is already present at an embryonic stage in non-avian theropods.

Estudo da vascularização dos nervos periféricos e da sua influência na regeneração nervosa : estudo experimental e no cadáver humano

RESUMO: Na clínica, a recuperação funcional que se segue a uma lesão nervosa raramente é atingida na sua totalidade. A reinervação, quer motora, quer sensitiva, ocorre geralmente com maior ou menor deficit. Interessa, então, identificar os factores que podem interferir na regeneração nervosa. O neurónio é a unidade anatómica fundamental do sistema nervoso periférico e é muito vulnerável à isquemia pela grande distância que existe entre o corpo neuronal e a extensão do axónio, que pode ser de apenas alguns milímetros ou até atingir um metro. É, por isso, fundamental o estudo da vascularização do nervo periférico e da sua influência na regeneração nervosa. O resultado deste estudo pode levar ao desenvolvimento de técnicas cirúrgicas que criem as condições que garantam, por sua vez, a revascularização precoce do nervo periférico em caso de lesão, ou mesmo em caso de doenças, nas quais a vascularização do nervo está alterada como, por exemplo, na neuropatia diabética. O estudo da vascularização do nervo periférico realizou-se através da investigação da vascularização do nervo mediano do cadáver humano, pela investigação da vascularização do nervo isquiático do rato Wistar e do Plexo Braquial (PB) do mesmo. A vascularização do PB do rato não é muito diferente daquela que é reportada na espécie humana, existindo uma homologia entre o rato e o Homem no que diz respeito à morfologia e à vascularização do PB. Através da comparação angiomorfológica entre o nervo isquiático do rato e o nervo mediano humano, concluíu-se que a microvascularização do nervo isquiático do rato e do mediano humano são muito semelhantes, o que suporta a utilização do rato como modelo experimental de lesões do nervo mediano humano. Para a avaliação da influência da vascularização na regeneração nervosa foi feita a análise da eficácia de enxerto de tubo de membrana amniótica humana imunologicamente inerte, de enxerto de veia jugular externa autóloga e de auto-enxerto de nervo, na reparação de um defeito de 10 milímetros no nervo isquiático do rato, na presença de um fornecimento vascular axial, comparando-se com os mesmos procedimentos em estudos realizados anteriormente, sem suprimento vascular. Os ratos foram avaliados funcionalmente através do estudo das pegadas, da electroneurografia e da força de flexão ao nível do tornozelo, e estruturalmente, através das avaliações histológicas e morfométricas, da taxa de recuperação do peso dos músculos gastrocnémio e solhear e da marcação axonal retrógrada com True Blue às 4, 8 e 12 semanas. Os nervos reconstruídos apresentaram uma arquitectura normal, incluindo a arquitectura vascular. A membrana amniótica foi bem tolerada, persistindo imunologicamente em torno do nervo até à 12.ª semana. Concluiu-se também que, na presença de um suprimento vascular axial local, a membrana amniótica humana e as veias autólogas são, pelo menos, tão eficazes como os auto-enxertos nervosos na reconstrução de defeitos nervosos de 10 milímetros.--------------------------------------ABSTRACT: At the clinic, the functional recovery that follows a nerve lesion is rarely achieved in full. The neuron is very vulnerable to ischemia that’s why it is essential to study the vascularization of the peripheral nerve and its influence on the nerve’s regeneration. The outcome of this study may lead to the development of surgical techniques that create the conditions which are necessary to ensure an early revascularization in case of a peripheral nerve injury. This study investigated the vascularization of the median nerve of the human cadaver and the vascularization of the sciatic nerve of the Wistar rat and his Brachial Plexus (BP) through animal experimentation. The mouse's BP vascularization is not so different from the one that is reported in the human species. An angiomorphological comparison between the mouse sciatic nerve and the human median nerve concluded that the microvascularizations are very similar, which supports the use of the mouse as an experimental model for the study of median nerve’s lesions. To evaluate the influence of vascularization in the nerve’s regeneration, it was made an assessment of the effectiveness of the human amniotic immuno-inert membrane grafts, of the autologous external jugular vein grafts and of the nerve auto-graft in the repair of a defect of 10 mm on the sciatic nerve of the rat, in the presence of an axial vascular supply, comparing these with the same procedures that were adopted in the previous studies, without vascular supply. The rats were functionally assessed and structurally evaluated (through histological and morphometric evaluations) at the 4.th, 8.th and 12.th weeks. The nerves reconstructed presented a normal architecture, including vascular architecture. The amniotic membrane was well-tolerated immunologically, persisting around the nerve until the 12.th week. As a result, it was also concluded that in the presence of a local axial vascular supply, the human amniotic membrane and the autologous veins are, at least, as effective as the nerve auto-grafts in the reconstruction of the nerve’s defects of 10 mm.