Downstream processing development of enveloped viruses for clinical applications: innovative tools for rational process optimization

Dissertation presented to obtain a Ph.D. degree in Engineering and Technology Sciences, Biotechnology at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

Spore differentiation in relation to the infectious cycle of the enteric pathogen Clostridium difficile

Clostridium difficile is a gram positive, spore former, anaerobic bacterium that is able to cause infection and disease, with symptoms ranging from mild diarrhea to pseudomembranous colitis, toxic megacolon, sepsis and death. In the last decade new strains have emerged that caused outbreaks of increased disease severity and higher recurrence, morbidity and mortality rates, and C. difficile is now considered both a main nosocomial pathogen associated with antibiotic therapy as well as a major concern in the community.(...)

Exploring the relationship between toxin and spore production in the human enteric pathogen Clostridium difficile

RESUMO: Clostridium difficile é presentemente a principal causa de doença gastrointestinal associada à utilização de antibióticos em adultos. C. difficile é uma bactéria Gram-positiva, obrigatoriamente anaeróbica, capaz de formar endósporos. Tem-se verificado um aumento dos casos de doença associada a C. difficile com sintomas mais severos, elevadas taxas de morbilidade, mortalidade e recorrência, em parte, devido à emergência de estirpes mais virulentas, mas também devido à má gestão do uso de antibióticos. C. difficile produz duas toxinas, TcdA e TcdB, que são os principais fatores de virulência e responsáveis pelos sintomas da doença. Estas são codificadas a partir do Locus de Patogenicidade (PaLoc) que codifica ainda para um regulador positivo, TcdR, uma holina, TcdE, e um regulador negativo, TcdC. Os esporos resistentes ao oxigénio são essenciais para a transmissão do organismo e recorrência da doença. A expressão dos genes do PaLoc ocorre em células vegetativas, no final da fase de crescimento exponencial, e em células em esporulação. Neste trabalho construímos dois mutantes de eliminação em fase dos genes tcdR e tcdE. Mostrámos que a auto-regulação do gene tcdR não é significativa. No entanto, tcdR é sempre necessário para a expressão dos genes presentes no PaLoc. Trabalho anterior mostrou que, com a exceção de tcdC, os demais genes do PaLoc são expressos no pré-esporo. Mostrámos aqui que TcdA é detectada à superfície do esporo maduro e que a eliminação do tcdE não influencia a acumulação de TcdA no meio de cultura ou em associação às células ou ao esporo. Estas observações têm consequências para o nosso entendimento do processo infecioso: sugeremque o esporo possa ser também um veículo para a entrega da toxina nos estágios iniciais da infecção, que TcdA possa ser libertada durante a germinação do esporo, e que o esporo possa utilizar o mesmo receptor reconhecido por TcdA para a ligação à mucosa do cólon.---------------------------ABSTRACT: Clostridium difficile is currently the major cause of antibiotic-associated gastrointestinal diseases in adults. This is a Gram-positive bacterium, endospore-forming and an obligate anaerobe that colonizes the gastrointestinal tract. Recent years have seen a rise in C. difficile associated disease (CDAD) cases, associated with more severe disease symptoms, higher rates of morbidity, mortality and recurrence, which were mostly caused due to the emergence of “hypervirulent” strains but also due to changing patterns of antibiotics use. C. difficile produces two potent toxins, TcdA and TcdB, which are the main virulence factors and the responsible for the disease symptoms. These are codified from a Pathogenicity Locus (PaLoc), composed also by the positive regulator, TcdR, the holin-like protein, TcdE, and a negative regulator, TcdC. Besides the toxins, the oxygen-resistant spores are also essential for transmission of the organism through diarrhea; moreover, spores can accumulate in the environment or in the host, which will cause disease recurrence. The expression of the PaLoc genes occurs in vegetative cells, at the end of the exponential growth phase, and in sporulating cells. In this work, we constructed two in-frame deletion mutants of tcdR and tcdE. We showed that the positive auto regulation of tcdR is not significant. However, tcdR is always necessary for the expression of the PaLoc genes. A previous work showed that, except tcdC, all the PaLoc genes are expressed in the forespore. Here, we detected TcdA at the spore surface. Furthermore, we showed that the in-frame deletion of tcdE does not affect the accumulation of TcdA in the culture medium or in association with cells or spores. This data was important for us to conclude about the infeccious process: it suggests that the spore may be the vehicle for the delivery of TcdA in early stages of infection, that TcdA may be released during spores germination and that this spore may use the same receptor recognized by TcdA to bind to the colonic mucosa.

Bacterial inter-species communication mediated by the autoinducer-2 signal

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology by Universidade Nova de Lisboa, Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Instituto Gulbenkian de Ciência.

Strategies of the African swine fever virus to manipulate innate immunity

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Pandemia influenza A/H1N1 2009 em Portugal : estratégias de intervenção e saúde pública

RESUMO - Introdução: A necessidade de gestão da ameaça de uma pandemia obriga à gestão da incerteza absoluta. O desconhecimento científico quanto a uma série de factores tais como, as características dos vírus causadores de infecções, a efectividade das medidas de prevenção e de tratamento, contribuiu para a dificuldade de actuação a vários níveis. Face à evolução da situação epidemiológica mundial no campo da gripe, Portugal reviu e adaptou o seu plano de contingência para a gripe tendo sido homologado, em Janeiro de 2006, um novo plano – Plano de Contingência Nacional do Sector da Saúde para a Pandemia. Objectivos: O presente estudo apresenta como principais objectivos (1) a avaliação das estratégias de intervenção e respectiva implementação das medidas de saúde pública não farmacológicas, durante a pandemia da gripe de 2009; (2) a identificação dos pontos críticos na gestão das medidas de saúde pública não farmacológicas, para preparação e resposta a futuras pandemias da gripe e, por último, (3) a definição de um modelo de acompanhamento, de monitorização e de avaliação das medidas de saúde pública não farmacológicas, que permita identificar os pontos importantes a ter em conta na implementação de boas práticas de saúde pública, nos diferentes níveis de prestação de cuidados de saúde, tendo como limitação o estado da arte dos sistemas de informação e avaliação, nacionais e internacionais, existentes. Material e Métodos: Para a avaliação das estratégias de intervenção e respectiva implementação das medidas de saúde pública não farmacológicas bem como, para a identificação dos pontos críticos na gestão das respectivas medidas foram consideradas duas perspectivas: a avaliação dos resultados através do Relatório da Pandemia da Gripe e a avaliação dos resultados através das avaliações da OMS e da Euro OMS. É apresentado um modelo de acompanhamento, de monitorização e de avaliação das medidas de saúde pública não farmacológicas, a implementar na classe médica que esteve na “linha da frente”, durante a pandemia H1N1 2009 em Portugal, nos cuidados primários, hospitalares e intensivos. Resultados: Deverá existir uma representação dos profissionais de saúde para suporte das decisões de forma a assegurar uma representação alargada não só na preparação mas também, na implementação e na aplicação do Plano de Contingência. O processo de planemanto deverá ter acesso público com possibilidade de participação activa do cidadão na sua implementação. O Plano deve ter a capacidade para se adaptar à situação epidemiológica e, no terreno os exercícios de simulações durante o processo de planeamento são importantes. As orientações técnicas devem ser dinâmicas, práticas, específicas e úteis e, dever-se investir numa cultura de confiança (“right people communicating to right people”). As alterações ao plano devem partir da coordenação, comando e controlo que, nos vários níveis de decisão, devem definir claramente quem toma as decisões. Conclusões: As estratégias para as intervenções ao nível da saúde pública, continuam, no mundo hodierno a desempenhar um papel fundamental e crucial na contenção das pandemias. O modelo apresentado neste estudo procura uma abordagem objectiva para destacar não só, os elementos essenciais de actividades bem-sucedidas, mas também as áreas em que a experiência pandémica sugere que o futuro planeamento deve dar maior ênfase.

Etiologia das infeções respiratórias virais em criançass em idade pré-escolar

RESUMO: Os vírus respiratórios continuam a ocupar um papel relevante na morbilidade e mortalidade infantil, tendo na última década sido alargado o espectro de vírus potencialmente causadores das infeções respiratórias. O diagnóstico destas infeções pode ser efetuado por várias metodologias, sendo as técnicas de biologia molecular consideradas as mais sensíveis para este fim. No âmbito do Projeto Ambiente e Saúde em Creches e Infantários (ENVIRH) foi efetuada uma comparação da prevalência dos principais vírus respiratórios em crianças em idade pré-escolar, com critérios de infeção respiratória, recorrendo a técnicas de biologia molecular, em duas populações: crianças que se encontravam na escola/domicilio e crianças que recorreram a uma urgência hospitalar. O estudo decorreu em dois períodos, de Fevereiro a Maio de 2011 e de Outubro de 2011 a Abril de 2012. Foram efetuadas duas colheitas de zaragatoas, uma nasal e outra orofaríngea. A metodologia utilizada para a identificação viral nas amostras foi a PCR e RT-PCR multiplex em tempo real. Os vírus pesquisados foram: Influenza A e B, Parainfluenza 1-4, Metapneumovirus humano, Vírus Sincicial respiratório (VSR), Rinovírus, Enterovírus, Coronavírus e Bocavirus. Foram realizadas 100 colheitas em crianças com idades compreendidas entre os 5 meses e os 5 anos. Foram obtidas 64 amostras dos infantários/domicílios, das quais 47 foram positivas. Da urgência Hospitalar obtiveram-se 36 amostras, em que 32 foram positivas. O vírus da gripe A (H3) foi o mais frequentemente detetado nas duas populações, mas apenas durante o surto de 2012. O VSR e os adenovírus foram mais frequentes nas crianças que recorreram ao hospital, ao contrário dos enterovirus e dos coronavírus, que não foram detetados nesta população. Os bocavirus nunca foram detetados isoladamente. Este estudo reforça a importância de se utilizarem técnicas de biologia molecular para o diagnóstico etiológico das infeções respiratórias, devido à elevada sensibilidade das mesmas, o que se reflete na elevada percentagem de amostras positivas. O facto de se utilizarem técnicas “multiplex”, que permitem a pesquisa simultânea de vários vírus, facilita a deteção de um maior espectro destes agentes. A elevada prevalência de Influenza A H3N2 deveu-se ao facto de grande parte do estudo ter coincidido com um período de surto por este vírus. O sistema de alerta montado durante o projeto ENVIRH pareceu promissor para uma eventual utilização futura em períodos de atividade gripal.--------------ABSTRACT: In the last decade, as respiratory viruses keep representing a relevant factor in child morbidity and mortality, the spectrum of viruses that may potentially cause respiratory infections has been widened. Within the several methodologies that may be applied in the diagnosis of these types of infections, the ones that use molecular biology are considered to be the most sensitive. The Environment and Health in Daycares and Nurseries Project (ENVIRH) arranged for a study, by means of molecular biology techniques, on the main respiratory viruses' influence in pre-school aged children with respiratory infection symptoms. This study compared children in two different populations: children at school or at home and children that were taken to a hospital emergency service. The study was conducted in two different time periods, one from February to May 2011 and the other from October 2011 to April 2012. During this time, two swab collections were held, one nasal and one oropharyngeal. PCR and RT-PCR multiplex in real time techniques were used for viral identification of the samples, searching for the viruses Influenza A and B, Parainfluenza 1-4, human Metapneumovirus, Respiratory Sincytial Virus (RSV), Rhinovirus, Enterovirus, Coronavirus and Bocavirus. One hundred (100) collections were held in children between the ages of 5 months and 5 years, sixty-four (64) at home/school and thirty-six (36) at the hospital's emergency service. From a total of seventy-nine (79) positive samples, forty-seven (47) were obtained at home/school and thirty-two (32) at the hospital. The virus detected the most in both populations was the Influenza A (H3), but only during the outbreak of 2012. Unlike the enteroviruses and coronaviruses, that were not detected within this population, the RSV and the adenoviruses were most common within the children at the hospital. Bocaviruses were never detected isolated from other viruses. The high percentage of positive samples reinforces the significance of using molecular biology techniques for the etiological diagnosis of respiratory infections. The use of multiplex techniques, that make the simultaneous search for multiple viruses possible, enhances the detection of a larger spectrum of such agents. Most of the study coincided with an outbreak of the Influenza A H3N2 virus, thus explaining the high number of its cases identified. The alert system set up during the ENVIRH project looked promising enough for eventual periods of flu activity in the future.

Purification of complex biopharmaceuticals with new processes, advanced analytics and computer-aided process design tools

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Integrated functional genomics for improved manufacture of recombinant enveloped virus

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences-Biotechnology

Dissecting gastrointestinal dysfunction and inflammation in a “pre-motor” rodent model of Parkinson’s disease

Research on Parkinson’s disease (PD) has mainly focused on the degeneration of the dopaminergic neurons of nigro-striatal (NS) pathway; also, post-mortem studies have demonstrated that the noradrenergic and the serotonergic transmitter systems are also affected (Jellinger, 1999). Degeneration of these neuronal cell bodies is generally thought to start prior to the loss of dopaminergic neurons in the NS pathway and precedes the appearance of the motor symptoms that are the “hallmark” of PD. Gastrointestinal (GI) motility is often disturbed in PD, manifesting chiefly as impaired gastric emptying and constipation. These GI dysfunction symptoms may be the result of a loss in noradrenergic and serotonergic innervation. GI deficits were evaluated using an organ bath technique. Groups treated with different combinations of neurotoxins (6-OHDA alone, 6-OHDA + pCA or 6-OHDA + DSP-4) presented significant differences in gut contractility compared to control groups. Since a substantial body of literature suggests the presence of an inflammatory process in parkinsonian state (Whitton, 2007), changes in pro-inflammatory cytokines in the gut were assessed using a cytokine microarray. It has been found in this work that groups with a combined dopaminergic and noradrenergic lesion have a significant increase in both expressions of IL-13 and VEGF. IL-6 also shows a decrease in treatment groups; however this decrease did not reach statistical significance. The therapeutic value of Exendin-4 (EX-4) was evaluated. It has been previously demonstrated that EX-4, a glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) agonist, is neuroprotective in rodent models of PD (Harkavyi et al., 2008). In this thesis it has been found that EX-4 was able to reverse a decrease in gut contractility obtained through intracerebral bilateral 6-OHDA injection. Although more studies are required, EX-4 could be used as a possible therapy for the GI symptoms prominent in the early stages of PD.

Bioprocess design of canine adenovirus vectors for gene therapy applications

The potential of human adenovirus vectors as vehicles for gene transfer with clinical applications in vaccination, cancer treatment and in many monogenic and acquired diseases has been demonstrated in several studies and clinical trials. However, the clinical use of these vectors can be limited by pre-existing humoral and cellular anti-capsid immunity. One way to circumvent this bottleneck while keeping the advantages of using adenovirus vectors is using non-human viruses such as Canine Adenovirus type 2 (CAV-2). Moreover, CAV-2 vectors present attractive features to develop potential treatment of neurodegenerative and ocular disorders. While the interest in CAV-2 vectors increases, scalable and robust production processes are required to meet the need for preclinical and possibly clinical uses.(...)

Staying under the radar - the multifunctional LANA Protein

Many viruses have developed numerous strategies to recruit and take advantage of cellular protein degradation pathways to evade the cellular viral immune system. One such virus is the Kaposi´s Sarcoma associated herpesvirus (KSHV), first discovered in Kaposi´s Sarcoma lesions found in AIDS patients. Latency-Associated Nuclear Antigen (LANA) is a KSHV multifunctional protein responsible for tethering viral DNA to the chromosome ensuring maintenance and segregation of the viral genome during cell division. Besides its main role of viral maintenance, LANA also physically interacts with several host proteins to modulate cell functions. One such function is to recruit the EC5S ubiquitin-ligase complex by interacting with Elongin BC complex and Cullin 5 protein, which in turn ubiquitinate substrates such as NF-κB and p53 to allow persistent viral infection. Like any other post-translation modifications, ubiquitination is reversible through deubiquitination enzymes (DUBs). LANA also interacts with ubiquitin specific protease 7 (USP7), a deubiquitination enzyme involved in regulation of several proteins including p53. Interaction with USP7 is made through a conserved peptide motif, which is also present in LANA. This work addresses the role of LANA in the recruitment and modulation of the ubiquitination and deubiquitination pathways. Despite the continued efforts in uncovering new LANA interacting partners to form a functional EC5S ubiquitin-ligase complex, only MHV-68 LANA interacted directly with Elongin BC, other interactions were not direct and may require a linker protein. On the other hand, LANA interaction with USP7 was able to be analysed by X-ray structure determination. In addition to a conserved P/AxxS motif, a novel Glutamine (Gln) residue from KSHV LANA was shown to make a specific interaction with USP7. This Gln residue is also present in other herpesvirus protein and hence it might be a conserved motif within herpesviruses.