Intrinsic ROS-production capacity of nanoparticles

Engineered nanomaterials (ENMs) exhibit special physicochemical properties and thus are finding their way into an increasing number of industries, enabling products with improved properties. Their increased use brings a greater likelihood of exposure to the nanoparticles (NPs) that could be released during the life cycle of nano-abled products. The field of nanotoxicology has emerged as a consequence of the development of these novel materials, and it has gained ever more attention due to the urgent need to gather information on exposure to them and to understand the potential hazards they engender. However, current studies on nanotoxicity tend to focus on pristine ENMs, and they use these toxicity results to generalize risk assessments on human exposure to NPs. ENMs released into the environment can interact with their surroundings, change characteristics and exhibit toxicity effects distinct from those of pristine ENMs. Furthermore, NPs' large surface areas provide extra-large potential interfaces, thus promoting more significant interactions between NPs and other co-existing species. In such processes, other species can attach to a NP's surface and modify its surface functionality, in addition to the toxicity in normally exhibits. One particular occupational health scenario involves NPs and low-volatile organic compounds (LVOC), a common type of pollutant existing around many potential sources of NPs. LVOC can coat a NP's surface and then dominate its toxicity. One important mechanism in nanotoxicology is the creation of reactive oxygen species (ROS) on a NP's surface; LVOC can modify the production of these ROS. In summary, nanotoxicity research should not be limited to the toxicity of pristine NPs, nor use their toxicity to evaluate the health effects of exposure to environmental NPs. Instead, the interactions which NPs have with other environmental species should also be considered and researched. The potential health effects of exposure to NPs should be derived from these real world NPs with characteristics modified by the environment and their distinct toxicity. Failure to suitably address toxicity results could lead to an inappropriate treatment of nano- release, affect the environment and public health and put a blemish on the development of sustainable nanotechnologies as a whole. The main objective of this thesis is to demonstrate a process for coating NP surfaces with LVOC using a well-controlled laboratory design and, with regard to these NPs' capacity to generate ROS, explore the consequences of changing particle toxicity. The dynamic coating system developed yielded stable and replicable coating performance, simulating an important realistic scenario. Clear changes in the size distribution of airborne NPs were observed using a scanning mobility particle sizer, were confirmed using both liquid nanotracking analyses and transmission electron microscopy (TEM) imaging, and were verified thanks to the LVOC coating. Coating thicknesses corresponded to the amount of coating material used and were controlled using the parameters of the LVOC generator. The capacity of pristine silver NPs (Ag NPs) to generate ROS was reduced when they were given a passive coating of inert paraffin: this coating blocked the reactive zones on the particle surfaces. In contrast, a coating of active reduced-anthraquinone contributed to redox reactions and generated ROS itself, despite the fact that ROS generation due to oxidation by Ag NPs themselves was quenched. Further objectives of this thesis included development of ROS methodology and the analysis of ROS case studies. Since the capacity of NPs to create ROS is an important effect in nanotoxicity, we attempted to refine and standardize the use of 2'7-dichlorodihydrofluorescin (DCFH) as a chemical tailored for the characterization of NPs' capacity for ROS generation. Previous studies had reported a wide variety of results, which were due to a number of insufficiently well controlled factors. We therefore cross-compared chemicals and concentrations, explored ways of dispersing NP samples in liquid solutions, identified sources of contradictions in the literature and investigated ways of reducing artificial results. The most robust results were obtained by sonicating an optimal sample of NPs in a DCFH-HRP solution made of 5,M DCFH and 0.5 unit/ml horseradish peroxidase (HRP). Our findings explained how the major reasons for previously conflicting results were the different experimental approaches used and the potential artifacts appearing when using high sample concentrations. Applying our advanced DCFH protocol with other physicochemical characterizations and biological analyses, we conducted several case studies, characterizing aerosols and NP samples. Exposure to aged brake wear dust engenders a risk of potential deleterious health effects in occupational scenarios. We performed microscopy and elemental analyses, as well as ROS measurements, with acellular and cellular DCFH assays. TEM images revealed samples to be heterogeneous mixtures with few particles in the nano-scale. Metallic and non-metallic elements were identified, primarily iron, carbon and oxygen. Moderate amounts of ROS were detected in the cell-free fluorescent tests; however, exposed cells were not dramatically activated. In addition to their highly aged state due to oxidation, the reason aged brake wear samples caused less oxidative stress than fresh brake wear samples may be because of their larger size and thus smaller relative reactive surface area. Other case studies involving welding fumes and differently charged NPs confirmed the performance of our DCFH assay and found ROS generation linked to varying characteristics, especially the surface functionality of the samples. Les nanomatériaux manufacturés (ENM) présentent des propriétés physico-chimiques particulières et ont donc trouvés des applications dans un nombre croissant de secteurs, permettant de réaliser des produits ayant des propriétés améliorées. Leur utilisation accrue engendre un plus grand risque pour les êtres humains d'être exposés à des nanoparticules (NP) qui sont libérées au long de leur cycle de vie. En conséquence, la nanotoxicologie a émergé et gagné de plus en plus d'attention dû à la nécessité de recueillir les renseignements nécessaires sur l'exposition et les risques associés à ces nouveaux matériaux. Cependant, les études actuelles sur la nanotoxicité ont tendance à se concentrer sur les ENM et utiliser ces résultats toxicologiques pour généraliser l'évaluation des risques sur l'exposition humaine aux NP. Les ENM libérés dans l'environnement peuvent interagir avec l'environnement, changeant leurs caractéristiques, et montrer des effets de toxicité distincts par rapport aux ENM originaux. Par ailleurs, la grande surface des NP fournit une grande interface avec l'extérieur, favorisant les interactions entre les NP et les autres espèces présentes. Dans ce processus, d'autres espèces peuvent s'attacher à la surface des NP et modifier leur fonctionnalité de surface ainsi que leur toxicité. Un scénario d'exposition professionnel particulier implique à la fois des NP et des composés organiques peu volatils (LVOC), un type commun de polluant associé à de nombreuses sources de NP. Les LVOC peuvent se déposer sur la surface des NP et donc dominer la toxicité globale de la particule. Un mécanisme important en nanotoxicologie est la création d'espèces réactives d'oxygène (ROS) sur la surface des particules, et les LVOC peuvent modifier cette production de ROS. En résumé, la recherche en nanotoxicité ne devrait pas être limitée à la toxicité des ENM originaux, ni utiliser leur toxicité pour évaluer les effets sur la santé de l'exposition aux NP de l'environnement; mais les interactions que les NP ont avec d'autres espèces environnementales doivent être envisagées et étudiées. Les effets possibles sur la santé de l'exposition aux NP devraient être dérivés de ces NP aux caractéristiques modifiées et à la toxicité distincte. L'utilisation de résultats de toxicité inappropriés peut conduire à une mauvaise prise en charge de l'exposition aux NP, de détériorer l'environnement et la santé publique et d'entraver le développement durable des industries de la nanotechnologie dans leur ensemble. L'objectif principal de cette thèse est de démontrer le processus de déposition des LVOC sur la surface des NP en utilisant un environnement de laboratoire bien contrôlé et d'explorer les conséquences du changement de toxicité des particules sur leur capacité à générer des ROS. Le système de déposition dynamique développé a abouti à des performances de revêtement stables et reproductibles, en simulant des scénarios réalistes importants. Des changements clairs dans la distribution de taille des NP en suspension ont été observés par spectrométrie de mobilité électrique des particules, confirmé à la fois par la méthode dite liquid nanotracking analysis et par microscopie électronique à transmission (MET), et a été vérifié comme provenant du revêtement par LVOC. La correspondance entre l'épaisseur de revêtement et la quantité de matériau de revêtement disponible a été démontré et a pu être contrôlé par les paramètres du générateur de LVOC. La génération de ROS dû aux NP d'argent (Ag NP) a été diminuée par un revêtement passif de paraffine inerte bloquant les zones réactives à la surface des particules. Au contraire, le revêtement actif d'anthraquinone réduit a contribué aux réactions redox et a généré des ROS, même lorsque la production de ROS par oxydation des Ag NP avec l'oxygène a été désactivé. Les objectifs associés comprennent le développement de la méthodologie et des études de cas spécifique aux ROS. Etant donné que la capacité des NP à générer des ROS contribue grandement à la nanotoxicité, nous avons tenté de définir un standard pour l'utilisation de 27- dichlorodihydrofluorescine (DCFH) adapté pour caractériser la génération de ROS par les NP. Des etudes antérieures ont rapporté une grande variété de résultats différents, ce qui était dû à un contrôle insuffisant des plusieurs facteurs. Nous avons donc comparé les produits chimiques et les concentrations utilisés, exploré les moyens de dispersion des échantillons HP en solution liquide, investigué les sources de conflits identifiées dans les littératures et étudié les moyens de réduire les résultats artificiels. De très bon résultats ont été obtenus par sonication d'une quantité optimale d'échantillons de NP en solution dans du DCFH-HRP, fait de 5 nM de DCFH et de 0,5 unité/ml de Peroxydase de raifort (HRP). Notre étude a démontré que les principales raisons causant les conflits entre les études précédemment conduites dans la littérature étaient dues aux différentes approches expérimentales et à des artefacts potentiels dus à des concentrations élevées de NP dans les échantillons. Utilisant notre protocole DCFH avancé avec d'autres caractérisations physico-chimiques et analyses biologiques, nous avons mené plusieurs études de cas, caractérisant les échantillons d'aérosols et les NP. La vielle poussière de frein en particulier présente un risque élevé d'exposition dans les scénarios professionnels, avec des effets potentiels néfastes sur la santé. Nous avons effectué des analyses d'éléments et de microscopie ainsi que la mesure de ROS avec DCFH cellulaire et acellulaire. Les résultats de MET ont révélé que les échantillons se présentent sous la forme de mélanges de particules hétérogènes, desquels une faible proportion se trouve dans l'échelle nano. Des éléments métalliques et non métalliques ont été identifiés, principalement du fer, du carbone et de l'oxygène. Une quantité modérée de ROS a été détectée dans le test fluorescent acellulaire; cependant les cellules exposées n'ont pas été très fortement activées. La raison pour laquelle les échantillons de vielle poussière de frein causent un stress oxydatif inférieur par rapport à la poussière de frein nouvelle peut-être à cause de leur plus grande taille engendrant une surface réactive proportionnellement plus petite, ainsi que leur état d'oxydation avancé diminuant la réactivité. D'autres études de cas sur les fumées de soudage et sur des NP différemment chargées ont confirmé la performance de notre test DCFH et ont trouvé que la génération de ROS est liée à certaines caractéristiques, notamment la fonctionnalité de surface des échantillons.

Combinative effects of β-Lapachone and APO866 on pancreatic cancer cell death through reactive oxygen species production and PARP-1 activation.

UNLABELLED: Pancreatic cancer (PC) is one of the most lethal human malignancies and a major health problem. Patients diagnosed with PC and treated with conventional approaches have an overall 5-year survival rate of less than 5%. Novel strategies are needed to treat this disease. Herein, we propose a combinatorial strategy that targets two unrelated metabolic enzymes overexpressed in PC cells: NAD(P)H: quinone oxidoreductase-1 (NQO1) and nicotinamide phosphoribosyl transferase (NAMPT) using β-lapachone (BL) and APO866, respectively. We show that BL tremendously enhances the antitumor activity of APO866 on various PC cell lines without affecting normal cells, in a PARP-1 dependent manner. The chemopotentiation of APO866 with BL was characterized by the following: (i) nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) depletion; (ii) catalase (CAT) degradation; (iii) excessive H2O2 production; (iv) dramatic drop of mitochondrial membrane potential (MMP); and finally (v) autophagic-associated cell death. H2O2 production, loss of MMP and cell death (but not NAD depletion) were abrogated by exogenous supplementation with CAT or pharmacological or genetic inhibition of PARP-1. Our data demonstrates that the combination of a non-lethal dose of BL and low dose of APO866 optimizes significantly cell death on various PC lines over both compounds given separately and open new and promising combination in PC therapy.

Molecular mechanism of a green-shifted, pH-dependent red fluorescent protein mKate variant.

Fluorescent proteins that can switch between distinct colors have contributed significantly to modern biomedical imaging technologies and molecular cell biology. Here we report the identification and biochemical analysis of a green-shifted red fluorescent protein variant GmKate, produced by the introduction of two mutations into mKate. Although the mutations decrease the overall brightness of the protein, GmKate is subject to pH-dependent, reversible green-to-red color conversion. At physiological pH, GmKate absorbs blue light (445 nm) and emits green fluorescence (525 nm). At pH above 9.0, GmKate absorbs 598 nm light and emits 646 nm, far-red fluorescence, similar to its sequence homolog mNeptune. Based on optical spectra and crystal structures of GmKate in its green and red states, the reversible color transition is attributed to the different protonation states of the cis-chromophore, an interpretation that was confirmed by quantum chemical calculations. Crystal structures reveal potential hydrogen bond networks around the chromophore that may facilitate the protonation switch, and indicate a molecular basis for the unusual bathochromic shift observed at high pH. This study provides mechanistic insights into the color tuning of mKate variants, which may aid the development of green-to-red color-convertible fluorescent sensors, and suggests GmKate as a prototype of genetically encoded pH sensors for biological studies.

L-tyrosine and nitric oxide synergize to prevent cytotoxic effects of superoxide.

We found previously that the nitric oxide donor DEA/NO enhanced lipid peroxidation, DNA fragmentation, and cytotoxicity in human bronchial epithelial cells (BEAS-2B) when they were cultured in LHC-8 medium containing the superoxide-generating system hypoxanthine/xanthine oxidase (HX/XO). We have now discovered that DEA/NO's prooxidant action can be reversed by raising the L-tyrosine concentration from 30 to 400 microM. DEA/NO also protected the cells when they were cultured in Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM), whose standard concentration of L-tyrosine is 400 microM. Similar trends were seen with the colon adenoma cell line CaCo-2. Since HPLC analysis of cell-free DMEM or LHC-8 containing 400 microM L-tyrosine, DEA/NO, and HX/XO revealed no evidence of L-tyrosine nitration, our data suggest the existence of an as-yet uncharacterized mechanism by which L-tyrosine can influence the biochemical and toxicological effects of reactive nitrogen species.

Caveolin-1-mediated post-transcriptional regulation of inducible nitric oxide synthase in human colon carcinoma cells.

Reactive oxygen species are now widely recognized as important players contributing both to cell homeostasis and the development of disease. In this respect nitric oxide (NO) is no exception. The discussion here will center on regulation of the inducible form of nitric oxide synthase (iNOS) for two reasons. First, only iNOS produces micromolar NO concentrations, amounts that are high by comparison with the picomolar to nanomolar concentrations resulting from Ca2(+)-controlled NO production by endothelial eNOS or neuronal nNOS. Second, iNOS is not constitutively expressed in cells and regulation of this isoenzyme, in contrast to endothelial eNOS or neuronal nNOS, is widely considered to occur at the transcriptional level only. In particular, we were interested in the possibility that caveolin-1, a protein that functions as a tumor suppressor in colon carcinoma cells (Bender et al., 2002; this issue), might regulate iNOS activity. Our results provide evidence for the existence of a post-transcriptional mechanism controlling iNOS protein levels that involves caveolin-1-dependent sequestration of iNOS within a detergent-insoluble compartment. Interestingly, despite the high degree of conservation of the caveolin-1 scaffolding domain binding motif within all NOS enzymes, the interaction detected between caveolin-1 and iNOS in vitro is crucially dependent on presence of a caveolin-1 sequence element immediately adjacent to the scaffolding domain. A model is presented summarizing the salient aspects of these results. These observations are important in the context of tumor biology, since down-regulation of caveolin-1 is predicted to promote uncontrolled iNOS activity, genotoxic damage and thereby facilitate tumor development in humans.

Transition mutation in codon 248 of the p53 tumor suppressor gene induced by reactive oxygen species and a nitric oxide-releasing compound.

Exposing the human bronchial epithelial cell line BEAS-2B to the nitric oxide (NO) donor sodium 1-(N,N-diethylamino)diazen-1-ium-1, 2-diolate (DEA/NO) at an initial concentration of 0.6 mM while generating superoxide ion at the rate of 1 microM/min with the hypoxanthine/xanthine oxidase (HX/XO) system induced C:G-->T:A transition mutations in codon 248 of the p53 gene. This pattern of mutagenicity was not seen by 'fish-restriction fragment length polymorphism/polymerase chain reaction' (fish-RFLP/PCR) on exposure to DEA/NO alone, however, exposure to HX/XO led to various mutations, suggesting that co-generation of NO and superoxide was responsible for inducing the observed point mutation. DEA/NO potentiated the ability of HX/XO to induce lipid peroxidation as well as DNA single- and double-strand breaks under these conditions, while 0.6 mM DEA/NO in the absence of HX/XO had no significant effect on these parameters. The results show that a point mutation seen at high frequency in certain common human tumors can be induced by simultaneous exposure to reactive oxygen species and a NO source.

Individual differences in gene expression : insights from transcriptional control of the CSL gene and from human population studies

CSL is a key transcription factor, mostly acting as a repressor, which has been shown to have a highly context-dependent function. While known as the main effector of Notch signaling, it can also exert Notch-independent functions. The downstream effects of the Notch/CSL signaling pathway and its involvement in several biological processes have been intensively studied. We recently showed that CSL is important to maintain skin homeostasis, as its specific deletion in mouse dermal fibroblasts -or downmodulation in human stromal fibroblasts- creates an inducing environment for squamous cell carcinoma (SCC) development, possibly due to the conversion of stromal fibroblasts into cancer associated fibroblasts (CAFs). Despite the wide interest in CSL as a transcriptional regulator, the mechanism of its own regulation has so far been neglected. We show here that CSL expression levels differ between individuals, and correlate among others with genes involved in DNA damage response. Starting from this finding we show that in dermal fibroblasts CSL is under transcriptional control of stress inducers such as UVA irradiation and Reactive Oxygen Species (ROS) induction, and that a main player in CSL transcriptional regulation is the transcription factor p53. In a separate line of work, we focused on individual variability, studying the differences in gene expression between human populations in various cancer types, particularly focusing on the Caucasian and African populations. It is indeed widely known that these populations have different incidences and mortalities for various cancers, and response to cancer treatment may also vary between them. We show here several genes that are differentially expressed and could be of interest in the study of population differences in cancer. -- CSL est un facteur de transcription agissant essentiellement comme répresseur, et qui a une fonction hautement dépendant du contexte. C'est l'effecteur principal de la voie de signalisation de Notch, mais il peut également exercer ses fonctions dans une façon Notch- indépendante. Nous avons récemment montré que CSL est important pour maintenir l'homéostasie de la peau. Sa suppression spécifique dans les fibroblastes dermiques de la souris ou dans les fibroblastes stromales humaines crée un environnement favorable pour le développement du carcinome épidermoïde (SCC), probablement en raison de la conversion des fibroblastes en fibroblastes associé au cancer (CAF). Malgré le grand intérêt de CSL comme régulateur transcriptionnel, le mécanisme de sa propre régulation a été jusqu'ici négligée. Nous montrons ici que dans les fibroblastes dermiques CSL est sous le contrôle transcriptionnel de facteurs de stress tels que l'irradiation UVA et l'induction des ROS dont p53 est l'acteur principal de cette régulation. Nous montrons aussi que les niveaux d'expression de CSL varient selon les individus, en corrélation avec d'autres gènes impliqués dans la réponse aux dommages de l'ADN. Dans une autre axe de recherche, concernant la variabilité individuelle, nous avons étudié les différences dans l'expression des gènes dans différents types de cancer entre les populations humaines, en se concentrant particulièrement sur les populations africaines et caucasiennes. Il est en effet bien connu que ces populations montrent des variations dans l'incidence des cancers, la mortalité, ainsi que pour les réponses au traitement. Nous montrons ici plusieurs gènes qui sont exprimés différemment et pourraient être digne d'intérêt dans l'étude du cancer au sein de différentes populations.