Process engineering of liver cells for drug testing applications

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Bioengenharia

Novel approaches for culturing hepatocytes for drug testing applications

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemisry, Biotechnology

The inhibitory activity of synthetic compounds and ions against transporters of multi-drug resistant bacteria

RESUMO: Sessenta e três derivados de hidantoína foram utilizados para avaliar possíveis efeitos de modulação na actividade das bombas de efluxo (BE) na Salmonella NCTC 13349 utilizando um método fluorimétrico semi-automático. Nenhum dos compostos apresentaram actividade anti-bacteriana até concentrações de 240 mg/L. Entre todos os compostos, SZ-7 demonstrou possuir propriedades de modulação de effluxo na presença de glucose. Para testar esta actividade, estirpes de Salmonella resistentes à ciprofloxacina, induzidas a elevados níveis de resistência com sobre-expressão de BE, foram expostas ao SZ-7. Este derivado afectou a susceptibilidade das estirpes à ciprofloxacina. Uma vez que os 63 compostos estudados apresentaram pouco efeito inibitório /cumulativo, apesar de serem conhecidos pelos seus efeitos moduladores de BE-dependentes de iões em eucariotas, foi questionado o papel dos iões na regulação de BE bacterianas, que poderão influenciar a eficácia de novos compostos. Para este estudo, utilizamos a Escherichia coli AG100 como modelo, devido ao extenso conhecimento no que respeita a estrutura e actividade das BE. Devido à importância de iões de cálcio (Ca2+) nos canais de transporte membranar e na actividade de ATPases, a sua actividade na modulação do efluxo foi investigada. De resultados anteriormente obtidos concluiu-se que a pH 5 o efluxo é independente de energia metabólica; contudo, a pH 8 é absolutamente dependente, sendo que o Ca2+ é indispensável para manter a actividade das ATPases bacterianas. A acumulação/effluxo de EtBr pela E. coli AG100 foi determinada na presença/ausência de Ca2+, clorpromazina (inibidor de ligação de Ca2+ a proteínas), e ácido etilenodiamino tetra-acético (quelante de Ca2+). Acumulação/effluxo aumentou a pH 8, contudo o Ca2+ reverte estes efeitos evidenciando a sua importância no funcionamento das BE bacterianas. Em resumo este trabalho colocou em evidência que muitos aspectos bioquímicos e bioenergéticos devem ser tomados em consideração no estudo da resistência bacteriana mediada por BE.------- ABSTRACT: Sixty-three hydantoin derivatives were evaluated for their modulating effects on efflux pump (EP) activity of Salmonella NCTC 13349 utilizing a semi-automatic fluorometric method. None of the compounds presented antibacterial activities at concentrations as high as 240 mg/L. Among all compounds, SZ-7 showed possible efflux modulating activity in the presence of glucose, indicative of a potential EP inhibitor. To verify its potential effects, ciprofloxacin-resistant Salmonella strains, induced to high level resistance with over-expressing EPs, were exposed to SZ-7. This derivative affected the susceptibility of the ciprofloxacin-resistant strains. Since the 63 compounds studied had very low inhibitory/accumulative effects, even though their known for being efficient in modulating ion-driven eukaryotic EPs, we questioned whether ions had a leading role in regulating bacterial EPs, influencing the effectiveness of new compounds. For this study we used Escherichia coli AG100 as a model, due to the extensive knowledge on its EPs structure and activity. Owing the importance of calcium ions (Ca2+) for membrane transport channels and activity of ATPases, the role of Ca2+ was investigated. From previous results we concluded that at pH 5 efflux is independent of metabolic energy; however, at pH 8 it is entirely dependent of metabolic energy and the Ca2+ ions are essential to maintain the activity of bacterial ATPases. Accumulation and efflux of ethidium bromide (EtBr) by E. coli AG100 was determined in the presence and absence of Ca2+, chlorpromazine (inhibitor of Ca2+-binding to proteins), and ethylenediaminetetraacetic acid (Ca2+ chelator). Accumulation of EtBr increased at pH 8; however Ca2+ reversed these effects providing information as to the importance of this ion in the regulation of bacterial EP systems. Overall this work puts in evidence that many biochemical and bioenergetic aspects related to the strains physiology need to be taken into consideration in bacterial drug resistance mediated by EPs.

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

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

Susceptibility and prognostic factors in portuguese patients with juvenile idiopathic arthritis

ABSTRACT: Objectives: This study aimed to confirm whether 15 single nucleotide polymorphisms (SNPs) of selected genes are also associated with susceptibility for Juvenile idiopathic Arthritis (JIA) in thePortuguese population. Methods: Our study was conducted on Reuma.pt, the Rheumatic Diseases Portuguese Register, which includes patients with JIA receiving biological therapies and synthetic Disease Modifying Anti Rheumatic Drugs (DMARDs) since June 2001. Fifteen SNPs were investigated using Taqman® SNP genotyping assays in 291 Portuguese patients with JIA and 300 ethnically matched healthy controls. Results: Prior to Bonferroni correction for multiple testing, significant genotype association between one SNP and overall group of JIA was observed (PTPN22 rs2476601). In subgroup analysis, associations between six SNPs and the subgroup of patients with rheumatoid factor (RF)-positive Polyarticular (PTPN2 rs7234029), Extended oligoarticular (PTPN22 rs2476601), Systemic (PTPRC rs10919563, ANGPT1 rs7151781 and TNF rs361525) and Psoriatic JIA (IL2RA/CD25 rs2104286) were found. After Bonferroni correction for multiple testing, 3 genotype associations remained significant in the subgroup of patients with RF-positive polyarticular JIA (PTPN2 rs7234029 [corrected P 0.026]), extended oligoarticular (PTPN22 rs2476601 [corrected P 0.026]) and systemic JIA (ANGPT1 rs7151781 [corrected P 0.039]). Conclusion: Our results provide additional evidence for an association between polymorphisms in genes PTPN2, PTPN22 and ANGPT1 and the risk of RF-positive polyarticular, extended oligoarticular and systemic JIA, respectively, in a Portuguese population.

Estimation and hypothesis testing in mixed linear models

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Matemática, Estatística, pela Universidade Nova de Lisboa, faculdade de Ciências e Tecnologia

Testing native speakers of German and Portuguese on the understanding of topological operators-line-region relations in gvSIG

Dissertation submitted in partial fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies

Design and testing of a radiation hardened 13-bit 80 MS/s pipeline ADC implemented in a 90nm standard CMOS process

Second International Workshop on Analog and Mixed Signal Integrated Circuits for Space Applications (AMICSA 2008), Sintra, Portugal, Setembro de 2008

Prevalência do consumo de drogas ilícitas nas Forças Armadas estudo epidemiológico num dos ramos

RESUMO: Desde 1976 que as Forças Armadas desenvolvem acções de prevenção do consumo de drogas e álcool. Na década de 80 foi criada capacidade laboratorial e deu-se início a um programa de rastreios toxicológicos. No quinquénio 2001 a 2005, as proporções de resultados positivos, associando todos os tipos de rastreio, variaram entre 3,7% e 1,5%. De Outubro de 2006 a Julho de 2007 realizou-se um estudo analítico transversal, para estimar a prevalência do consumo de drogas (canabinóides, opiáceos, cocaína e anfetaminas) num dos Ramos das Forças Armadas, com base nos despistes realizados pelo seu laboratório. Foi utilizada uma amostra aleatória simples de 1039 militares, profissionais (QP) e contratados (RC), no activo e de ambos os sexos. Desde a nomeação dos militares a rastrear, passando pela cadeia de custódia das amostras até à obtenção do resultado foi utilizado apoio informático específico. O processo de pesquisa utilizou duas técnicas de triagem por imunoensaio e tecnologia de confirmação por GC/MS, de acordo com as recomendações europeias, permitindo estabelecer uma metodologia standard para organizações e empresas. A prevalência estimada, de consumidores de droga, foi de 3,8/1.000, para um erro de 0,37%. O número de casos registado (4) não permitiu a utilização de testes estatísticos que conduzissem à identificação de características determinantes da positividade, mas não deixou de revelar aspectos inesperados. A observação de séries de casos e a realização regular de estudos epidemiológicos, que ajudem a redefinir grupos alvo e a perceber a dimensão, as determinantes e as consequências do consumo de drogas é sugerida, em conclusão.--------------------------------------- RÉSUMÉ: Depuis 1976, les Forces Armées mettent au point des mesures visant à prévenir la consommation de drogues et d'alcool. En 1980, fut créé capacité laboratoriel et ont ensuite commencé un programme de dépistage toxicologique. Au cours des cinq années allant de 2001 à 2005, les proportions de consommateurs, impliquant tous les types de dépistage, allaient de 3,7% à 1,5 %. D'octobre 2006 à juillet 2007, une étude analytique transversale a été organisée pour évaluer la prévalence de l’usage de drogues (cannabis, opiacés, cocaïne et amphétamines) dans une branche de les Forces Armées, basée sur les dépistages faites par un laboratoire militaire, à l'aide d'un échantillon aléatoire de 1039 militaires, professionnels (QP) et sous contract (RC), à l’actif et des deux sexes. Tout au long du procès, de la nomination des donneurs, en passant par la chaine de garde des échantillons, jusqu’à obtention du résultat, il fut employé un appui informatique sécurisé. Le processus de recherche employa deux techniques de tri par imunoessay et la technologie de confirmation GC/MS, selon les recommandations européennes, permettant d'établir une méthodologie standard pour les organisations et les entreprises. La prévalence estimée fut de 3,8/1.000 pour une marge d’erreur de 0,37%. Le nombre de cas enregistrés (4) n'autorise pas l'utilisation de testes statistiques de menant à l'identification de caractéristiques déterminant de la positivité, mais il permet à révéler des aspects inattendus. L'observation de séries de cas et la tenue régulière d’études épidémiologiques, qui contribuent à redéfinir les groupes cibles et de comprendre l'ampleur, les déterminants et les conséquences de l'usage de drogues, est suggéré, en fin de compte.--------------------------------------- ABSTRACT: Since 1976, the Armed Forces, have been developing measures to prevent the use of drugs and alcohol. In 1980, was created laboratory facility which then started a program of toxicological screenings. In the five years running from 2001 to 2005, the proportions of consumers, involving all types of screening, ranged from 3,7% to 1,5%. From October 2006 to July 2007, a cross-sectional study was held to estimate the prevalence of drug use (cannabinoids, opiates, cocaine and amphetamines) in one branch of the Portuguese Armed Forces, based on laboratory screenings, using a random sample of 1039 military, professional (QP) and enlisted (RC), active-duty and of both sexes. Specific computer support was used all the way, from the appointment, including the chain of custody of samples, to the obtaining of the result. The process of search used two techniques for sorting by immunoassay and confirmation technology GC/MS, according to European recommendations, allowing to establish a standard methodology for organizations and companies. The estimated prevalence of drug users was 3.8/1.000 for a 0.37% error (95% confidence interval). The number of cases registered (4) does not permit use of statistical testing leading to the identification of characteristics weighing in the establishing to extrapolate for the population, but it allows revealing unexpected aspects. The observation of series of cases and the regular holding of epidemiological studies, which help redefine target groups and to understand the extent, the determinants and consequences of drug use, is suggested, in conclusion.

Massive shift in the pneumococcal nasopharyngeal flora after the 7-valent conjugate vaccine: epidemiological studies and testing pathogenic potential in animal models

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biology/Molecular Biology by Universidade Nova de Lisboa, Instituto de Tecnologia Química e Biológica

O financiamento por capitação ajustada pelo risco em contexto de integração vertical de cuidados de saúde : a utilização dos consumos com medicamentos como proxy da carga de doença em ambulatório

RESUMO - Introdução - Com o presente projecto de investigação pretendeu-se estudar o financiamento por capitação ajustado pelo risco em contexto de integração vertical de cuidados de saúde, recorrendo particularmente a informação sobre o consumo de medicamentos em ambulatório como proxy da carga de doença. No nosso país, factores como a expansão de estruturas de oferta verticalmente integradas, inadequação histórica da sua forma de pagamento e a recente possibilidade de dispor de informação sobre o consumo de medicamentos de ambulatório em bases de dados informatizadas são três fortes motivos para o desenvolvimento de conhecimento associado a esta temática. Metodologia - Este trabalho compreende duas fases principais: i) a adaptação e aplicação de um modelo de consumo de medicamentos que permite estimar a carga de doença em ambulatório (designado de PRx). Nesta fase foi necessário realizar um trabalho de selecção, estruturação e classificação do modelo. A sua aplicação envolveu a utilização de bases de dados informatizadas de consumos com medicamentos nos anos de 2007 e 2008 para a região de Saúde do Alentejo; ii) na segunda fase foram simulados três modelos de financiamento alternativos que foram propostos para financiar as ULS em Portugal. Particularmente foram analisadas as dimensões e variáveis de ajustamento pelo risco (índices de mortalidade, morbilidade e custos per capita), sua ponderação relativa e consequente impacto financeiro. Resultados - Com o desenvolvimento do modelo PRx estima-se que 36% dos residentes na região Alentejo têm pelo menos uma doença crónica, sendo a capacidade de estimação do modelo no que respeita aos consumos de medicamentos na ordem dos 0,45 (R2). Este modelo revelou constituir uma alternativa a fontes de informação tradicionais como são os casos de outros estudos internacionais ou o Inquérito Nacional de Saúde. A consideração dos valores do PRx para efeitos de financiamento per capita introduz alterações face a outros modelos propostos neste âmbito. Após a análise dos montantes de financiamento entre os cenários alternativos, obtendo os modelos 1 e 2 níveis de concordância por percentil mais próximos entre si comparativamente ao modelo 3, seleccionou-se o modelo 1 como o mais adequado para a nossa realidade. Conclusão - A aplicação do modelo PRx numa região de saúde permitiu concluir em função dos resultados alcançados, que já existe a possibilidade de estruturação e operacionalização de um modelo que permite estimar a carga de doença em ambulatório a partir de informação relativa ao seu perfil de consumo de medicamentos dos utentes. A utilização desta informação para efeitos de financiamento de organizações de saúde verticalmente integradas provoca uma variação no seu actual nível de financiamento. Entendendo este estudo como um ponto de partida onde apenas uma parte da presente temática ficará definida, outras questões estruturantes do actual sistema de financiamento não deverão também ser olvidadas neste contexto. ------- ABSTRACT - Introduction - The main goal of this study was the development of a risk adjustment model for financing integrated delivery systems (IDS) in Portugal. The recent improvement of patient records, mainly at primary care level, the historical inadequacy of payment models and the increasing number of IDS were three important factors that drove us to develop new approaches for risk adjustment in our country. Methods - The work was divided in two steps: the development of a pharmacy-based model in Portugal and the proposal of a risk adjustment model for financing IDS. In the first step an expert panel was specially formed to classify more than 33.000 codes included in Portuguese pharmacy national codes into 33 chronic conditions. The study included population of Alentejo Region in Portugal (N=441.550 patients) during 2007 and 2008. Using pharmacy data extracted from three databases: prescription, private pharmacies and hospital ambulatory pharmacies we estimated a regression model including Potential Years of Life Lost, Complexity, Severity and PRx information as dependent variables to assess total cost as the independent variable. This healthcare financing model was compared with other two models proposed for IDS. Results - The more prevalent chronic conditions are cardiovascular (34%), psychiatric disorders (10%) and diabetes (10%). These results are also consistent with the National Health Survey. Apparently the model presents some limitations in identifying patients with rheumatic conditions, since it underestimates prevalence and future drug expenditure. We obtained a R2 value of 0,45, which constitutes a good value comparing with the state of the art. After testing three scenarios we propose a model for financing IDS in Portugal. Conclusion - Drug information is a good alternative to diagnosis in determining morbidity level in a population basis through ambulatory care data. This model offers potential benefits to estimate chronic conditions and future drug costs in the Portuguese healthcare system. This information could be important to resource allocation decision process, especially concerning risk adjustment and healthcare financing.

Development of cyclodextrin-hydrogel polymeric systems in scCO2 for drug delivery

Thesis for the Degree of Master of Science in Bioorganic Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Development of electrospun Ion jelly fibers® for drug delivery

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

A contribuição das bombas de efluxo QacA e Smr para a multirresistência em Staphylococcus aureus

RESUMO: O efluxo de compostos antimicrobianos é um mecanismo importante na multirresistência em bactérias. Bombas de efluxo codificadas em plasmídeos, como a QacA e a Smr, estão implicadas na susceptibilidade reduzida a biocidas, geralmente utilizados na prevenção e controlo de infecções nosocomiais, incluindo as causadas por estirpes de Staphylococcus aureus resistentes à meticilina (MRSA). Neste trabalho pretendeu-se avaliar a relevância de QacA e Smr no perfil de susceptibilidade dos isolados clínicos MRSA SM39 e SM52, que transportam os plasmídeos pSM39 e pSM52 com os determinantes qacA e smr, respectivamente. A actividade de efluxo das estirpes SM39 e SM39 curada (sem pSM39) e das estirpes SM52 e RN4220:pSM52 (estirpe susceptível RN4220 transformada com pSM52) foi caracterizada por: (1) determinação da concentração mínima inibitória (CMI) de biocidas, corantes e antibióticos, na ausência e presença dos inibidores de efluxo tioridazina, clorpromazina, verapamil e reserpina; e (2) fluorometria em tempo-real. A determinação de CMIs demonstrou que a actividade de efluxo mediada por QacA e Smr está envolvida na susceptibilidade reduzida aos biocidas e corantes testados, que incluíram o brometo de hexadeciltrimetilamónio, a cetrimida, o cloreto de benzalcónio, a berberina, o cloreto de dequalínio, a pentamidina e o brometo de etídeo. Os ensaios fluorométricos confirmaram a elevada actividade de efluxo presente nas estirpes com os genes qacA ou smr. A determinação de CMIs para antibióticos β-lactâmicos em conjunto com o teste da nitrocefina revelou a presença simultânea do gene qacA e de uma β-lactamase no plasmídeo pSM39. Este trabalho evidencia a importância das bombas de efluxo QacA e Smr na resistência a biocidas em estirpes MRSA e na sobrevivência destas estirpes em ambiente hospitalar e na comunidade, para além de destacar a questão da potencial co-resistência entre biocidas e antibióticos.--------------- ABSTRACT: Drug efflux has become an important cause of multidrug resistance (MDR) in bacteria. Plasmid-encoded MDR efflux pumps, such as QacA and Smr, are implicated in reduced susceptibility to biocides, generally used in the prevention and control of nosocomial infections, including the ones caused by methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). In this work, we aimed to evaluate the relevance of QacA and Smr to the susceptibility profile of the clinical MRSA isolates SM39 and SM52, which harbor the plasmids pSM39 and pSM52 that carry the determinants qacA and smr, respectively. Efflux activity of strain SM39 and its plasmid-free counterpart, SM39 cured, SM52 and RN4220:pSM52 (susceptible strain RN4220 transformed with pSM52) was characterized by: (1) determination of minimum inhibitory concentration (MIC) of biocides, dyes and antibiotics, in the absence and presence of the efflux inhibitors thioridazine, chlorpromazine, verapamil and reserpine; and (2) real-time fluorometry. MIC determination showed that QacA and Smr mediated efflux was involved in the reduced susceptibility profile to the biocides and dyes tested, which included hexadecyltrymethylammonium bromide, cetrimide, benzalkonium chloride, berberine, dequalinium chloride, pentamidine and ethidium bromide. Fluorometric assays confirmed the higher efflux activity present in strains harboring qacA or smr genes. Moreover, MIC determination for β-lactam antibiotics together with the nitrocefin test confirmed the presence of a β-lactamase in the plasmid carried by SM39 strain, pSM39. This work highlights the relevance of QacA and Smr to the biocide resistance in MRSA strains, and consequently to their survival and maintenance in the hospital environment and in the community. Furthermore, the presence of a β-lactamase and qacA determinants in the the same plasmid reinforces the question of the potencial biocide/antibiotic co-resistance in MRSA strains.

Protein adducts from the anti-HIV drug abacavir – possible biomarkers of drug toxicity

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina