Hydrogen isotope fractionations between amphiboles, micas, and fluids in alkaline igneous intrusions

RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les teneurs des amphiboles en éléments majeurs et en isotopes stables ont été analysées dans plusieurs complexes ignés alcalins et hyperalcalins, dans le but de déterminer l'importance des variations de composition des minéraux pour le fractionnement isotopique de l'hydrogène dans un système naturel minéral-magma-fluide. Cette étude se concentre principalement sur les syénites néphéliniques de complexes intrusifs alcalins bien connus mais à chimie variable, dont les amphiboles, ainsi que d'autres silicates hydratés tels que micas et eudialytes, lorsque cela était possible, ont été séparés. L'intérêt principal s'est porté sur le complexe alcalin d'Ilímaussaq de la Province du Gardar, au Sud du Groenland. Dans une optique de comparaison, nous avons collecté et analysé d'autres échantillons provenant du complexe de Tugtutôq (Sud Groenland), des complexes de Khibina et Lovozero (Péninsule de Kola, Russie), du Mont St-Hilaire et du Mont Royal (Canada) et de 6 autres du nord-ouest de la Namibie (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld,et Okorusu). Les compositions isotopiques de l'hydrogène des amphiboles des ces différentes zones présentent de grandes variations (-227 à -700/00), ce qui est atypique pour des magmas d'origine mantellique. Les valeurs comprises entre -80 et -400/00 indiquent une provenance du manteau. Ces larges variations de compositions ainsi que l'extrême appauvrissement en isotope lourd de l'hydrogène (D), en comparaison avec d'autres roches ignées, semblent être propres.aux roches alcalines et hyperalcalines de ce type, ce qui indiquerait un processus commun. Les différents complexes alcalins choisis présentent un large intervalle de composition chimique des amphiboles. La caractérisation des amphiboles par microscopie électronique et par spectroscopie Mössbauer contribuent à observer le contrôle du Fe sur le fractionnement des isotopes de l'hydrogène. En effet, cela a mis en évidence un contrôle du Fe sur le fractionnement et même, dans le cas du complexe hyperalcalin d'Ilímaussaq, une relation entre le rapport Fei3+/FeT et les variations du rapport D/H. Les complexes étudiés diffèrent de par leur index agpaïtique (Na+K/Al) et également de par leur contenu en fer. Les plus hautes valeurs en Fe (27-35 wt%) et en éléments alcalins dans les amphiboles, ainsi que les teneurs de D/H les plus basses et leur grande variation, sont celles du complexe d'Ilímaussaq. Les amphiboles de la Péninsule de Kola et du Canada sont similaires, mais toutefois moins appauvries en D. En ce qui concerne les amphiboles des complexes du NO de la Namibie, elles présentent des compositions isotopiques de l'hydrogène magmatiques normales (-73 à -100 0/00), contiennent moins de Fe (15-17 wt%) et sont fortement enrichies en Ca et moins en Na. Dans ce cas, l'alcalinité est moins importante en comparaison des autres complexes étudiés. En dehors des teneurs en éléments alcalins des amphiboles, l'alcalinité des fluides s'avère également un facteur important, ce qui est cohérent avec certaines suggestions à partir de systèmes expérimentaux. Afin de mieux contraindre ce facteur, des expériences d'échanges hydrothermaux entre les amphiboles et les fluides de salinité différente ont été effectuées en simulant des conditions naturelles. L'approximation d'amphiboles naturelles de complexes ignés alcalins, couplée aux expériences d'échange, aide à préciser les facteurs contrôlant le fractionnement des isotopes de l'hydrogène dans les roches alcalines. Les valeurs extrêmement basses de 3D des amphiboles de ces complexes alcalins peuvent être dues à une combinaison de différents facteurs, telles qu'une haute alcalinité, une haute teneur en Fe et une faible profondeur d'intrusion. Les grandes variations ainsi que les faibles valeurs de SD des amphiboles étudiées peuvent résulter d'un processus magmatique interne et il est peu probable que de l'eau météorique soit impliquée et/ou que le dégazage magmatique ait joué un rôle. THESIS ABSTRACT Major element and stable isotope compositions of amphiboles were analyzed from a number of alkaline and peralkaline igneous complexes in order to determine the importance of compositional variations in minerals to hydrogen isotope fractionations in natural mineral-melt-fluid systems. The thesis mainly focuses on nepheline syenites of well-studied, but chemically variable alkaline intrusive rocks, from which amphiboles and, if possible, other hydrous silicates such as micas and eudialytes were separated. The system of primary interest was the alkaline Ilímaussaq Complex of the Gardar Province of South Greenland. For the purpose of comparison additional samples were collected and examined from the Tugtutôq Complex (South Greenland), the Khibina and Lovozero Complexes (Kola Peninsular, Russia), Mount St-Hilaire and Mount Royal (Canada) and six further complexes from NW Namibia (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld, and Okorusu). The hydrogen isotope compositions of amphiboles from the localities studied differ greatly, which is atypical for amphiboles from mantle, range between - 227 and - 700/00 (latter compatible with a simple mantle origin). As this wide range in compositions and the extreme depletion in the heavy hydrogen isotope (D) content relative to other igneous rocks appear to be unique to alkaline to peralkaline rocks of this type, a common process is indicated. The different alkaline complexes chosen cover a wide range of amphibole chemical compositions. Detailed chemical characterization of amphiboles by electron microprobe and Mössbauer spectroscopy analyses helped to constrain the control of Fe on the H-isotope fractionations. Complete characterization of the chemical compositions of the amphiboles support Fe-control on fractionations and at least for the peralkaline Ilímaussaq complex a relationship between Fe3+/FeT ratios and variations in D/H. The studied complexes differ in their agpaitic index (Na+K/Al) and also in their Fe-content. The most iron (27-35 wt. %) and alkaline element rich amphiboles, with the lowermost D/H ratio, as well with very wide range, are the ones from Ilímaussaq complex. Similar, but less D depleted amphiboles are from the Kola Peninsula and the Canadian localities. The complexes described from NW Namibia have amphiboles with normal magmatic hydrogen isotope composition (-730/00 to -1000/00), and have less Fe-content (15-17 wt. %), and are more Ca-and less Na-rich. In this case alkalinity is not that important in comparison to the other studied complexes. Beside the alkaline element contents in the amphiboles, the alkalinity of the fluids has been found to be an important factor, in conjunction with earlier suggestions from experimental systems. To further constrain this factor, hydrothermal exchange experiments between amphiboles and fluids of different salinity simulating natural conditions were performed. The approach of examining natural amphiboles from alkaline igneous complexes in parallel to performing exchange experiments - helped to further constrain the factors controlling the H-isotope fractionations in alkaline rocks. The observed changes between the hydrogen and oxygen isotope compositions of amphiboles and fluids before and after the experiments suggest that another phase was produced during the experiments, which influenced the final hydrogen isotope composition of the system. This presumably hydrous phase has also influenced the Fe3 +/Fe2+ ratio of the amphiboles, which became more oxidized. The extremely low SD values of amphiboles in these alkaline complexes may be due to a combination of different factors such as high alkalinity, high Fe-content, and shallow intrusion depths. This wide range and the low SD values of the amphiboles studied might be a result of internal, magmatic processes and it is unlikely that meteoric water was involved and/or magmatic degassing played an important role. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (pour le grand public) Fractionnement isotopique de l'hydrogène entre amphiboles, micas et fluides dans des intrusions alcalines Zsófia Wáczek Directeur de thèse, Prof. Torsten W. Vennemann Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne Les roches alcalines et celles qui leurs sont associées sont des sources importantes de nombreux minéraux et minerais, tels l'apatite, le niobium, le diamant et autres pierres précieuses. Cette étude se concentre sur des complexes alcalins localisés dans le sud du Groenland, au Canada, dans la péninsule de Kola en Russie et au nord-ouest de la Namibie. Ces complexes sont composés de roches ayant cristallisé à partir de magmas et de fluides très enrichis en alcalins. Cet enrichissement permet la précipitation de minéraux inhabituels riches en potassium et/ou sodium, telles les amphiboles sodiques, également enrichies en fer. Les amphiboles étudiées ont des compositions calciques, sodi-calciques et sodiques, qui reflètent leurs différents environnements de formation. Des études précédentes ont révélé une large gamme de rapports isotopiques de l'hydrogène dans les amphiboles de roches hyperalcalines, dont certains extrêmement bas. Cette variation importante est très intrigante, sachant que des valeurs entre -40 et -800/00 correspondent à des silicates ignés hydratés et non altérés, alors que des valeurs descendant jusqu'a -1500/00 nécessiteraient une altération par de l'eau météorique et/ou une contamination par les roches environnantes ou des sédiments riches en matière organique. Dans lé cas précis du complexe d'Ilímaussaq (sud du Groenland), aucune de ces explications n'a pu être démontrée et des valeurs encore plus faibles ont été trouvées. Le complexe d'Ilímaussaq présente des valeurs de rapport isotopique de l'hydrogène entre -227 et -500/00 dans les amphiboles. Une origine mantellique permet d'expliquer les valeurs élevées, mais d'autres processus doivent entrer en jeu pour engendrer les valeurs les plus négatives. C'est à l'identification de ces processus que nous nous sommes attachés dans ce travail. Les grandes variations observées dans les teneurs en fer et dans le rapport Fe3+/FeT des roches et des minéraux de ces complexes sont corrélées avec d'autres paramètres chimiques, tels que la composition isotopique de l'hydrogène dans les amphiboles. Nous avons dès lors abordé les questions suivantes: quelle est la relation entre la teneur en fer des amphiboles et leur composition isotopique? Que nous apprennent les changements de la teneur en fer et les changements dans le rapport Fe3+/FeT sur les processus pétrologiques dans ces roches? Pour répondre à ces questions, nous avons analysé les compositions isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène dans les amphiboles et d'autres silicates hydratés. La composition chimique et le rapport Fe3+/FeT des amphiboles ont également été déterminés. Des expériences hydrothermales simulant des conditions naturelles ont été entreprises afin de mieux comprendre les processus de fractionnement isotopiques dans ces systèmes très alcalins. Nos conclusions sont les suivantes: (1) Les valeurs extrêmement faibles ainsi que les larges variations des rapports isotopiques de l'hydrogène des amphiboles de ces complexes alcalins sont dues à une combinaison de facteurs tels que la forte alcalinité, la haute teneur en fer et la profondeur très faible de l'intrusion. (2) Ces valeurs sont probablement le résultat de processus magmatiques internes. (3) Il est peu probable que les eaux météoriques et/ou le dégazage magmatique aient joué un rôle lors de la formation de ces amphiboles. (4) Certaines corrélations, en accord avec les études précédentes, ont pu être trouvées au niveau des concentrations en fer. (5) Dans le cas du complexe d'Ilímaussaq exclusivement, une relation a été trouvée entre le rapport Fe3+/FeT et la composition isotopique de l'hydrogène des amphiboles.

Combination of carbon isotope ratio with hydrogen isotope ratio determinations in sports drug testing.

Carbon isotope ratio (CIR) analysis has been routinely and successfully applied to doping control analysis for many years to uncover the misuse of endogenous steroids such as testosterone. Over the years, several challenges and limitations of this approach became apparent, e.g., the influence of inadequate chromatographic separation on CIR values or the emergence of steroid preparations comprising identical CIRs as endogenous steroids. While the latter has been addressed recently by the implementation of hydrogen isotope ratios (HIR), an improved sample preparation for CIR avoiding co-eluting compounds is presented herein together with newly established reference values of those endogenous steroids being relevant for doping controls. From the fraction of glucuronidated steroids 5β-pregnane-3α,20α-diol, 5α-androst-16-en-3α-ol, 3α-Hydroxy-5β-androstane-11,17-dione, 3α-hydroxy-5α-androstan-17-one (ANDRO), 3α-hydroxy-5β-androstan-17-one (ETIO), 3β-hydroxy-androst-5-en-17-one (DHEA), 5α- and 5β-androstane-3α,17β-diol (5aDIOL and 5bDIOL), 17β-hydroxy-androst-4-en-3-one and 17α-hydroxy-androst-4-en-3-one were included. In addition, sulfate conjugates of ANDRO, ETIO, DHEA, 3β-hydroxy-5α-androstan-17-one plus 17α- and androst-5-ene-3β,17β-diol were considered and analyzed after acidic solvolysis. The results obtained for the reference population encompassing n = 67 males and females confirmed earlier findings regarding factors influencing endogenous CIR. Variations in sample preparation influenced CIR measurements especially for 5aDIOL and 5bDIOL, the most valuable steroidal analytes for the detection of testosterone misuse. Earlier investigations on the HIR of the same reference population enabled the evaluation of combined measurements of CIR and HIR and its usefulness regarding both steroid metabolism studies and doping control analysis. The combination of both stable isotopes would allow for lower reference limits providing the same statistical power and certainty to distinguish between the endo- or exogenous origin of a urinary steroid.

Statistical Modeling of the Eye for Multimodal Treatment Planning for External Beam Radiation Therapy of Intraocular Tumors.

PURPOSE: Ocular anatomy and radiation-associated toxicities provide unique challenges for external beam radiation therapy. For treatment planning, precise modeling of organs at risk and tumor volume are crucial. Development of a precise eye model and automatic adaptation of this model to patients' anatomy remain problematic because of organ shape variability. This work introduces the application of a 3-dimensional (3D) statistical shape model as a novel method for precise eye modeling for external beam radiation therapy of intraocular tumors. METHODS AND MATERIALS: Manual and automatic segmentations were compared for 17 patients, based on head computed tomography (CT) volume scans. A 3D statistical shape model of the cornea, lens, and sclera as well as of the optic disc position was developed. Furthermore, an active shape model was built to enable automatic fitting of the eye model to CT slice stacks. Cross-validation was performed based on leave-one-out tests for all training shapes by measuring dice coefficients and mean segmentation errors between automatic segmentation and manual segmentation by an expert. RESULTS: Cross-validation revealed a dice similarity of 95% ± 2% for the sclera and cornea and 91% ± 2% for the lens. Overall, mean segmentation error was found to be 0.3 ± 0.1 mm. Average segmentation time was 14 ± 2 s on a standard personal computer. CONCLUSIONS: Our results show that the solution presented outperforms state-of-the-art methods in terms of accuracy, reliability, and robustness. Moreover, the eye model shape as well as its variability is learned from a training set rather than by making shape assumptions (eg, as with the spherical or elliptical model). Therefore, the model appears to be capable of modeling nonspherically and nonelliptically shaped eyes.

Sodium/hydrogen exchanger NHA2 is critical for insulin secretion in β-cells.

NHA2 is a sodium/hydrogen exchanger with unknown physiological function. Here we show that NHA2 is present in rodent and human β-cells, as well as β-cell lines. In vivo, two different strains of NHA2-deficient mice displayed a pathological glucose tolerance with impaired insulin secretion but normal peripheral insulin sensitivity. In vitro, islets of NHA2-deficient and heterozygous mice, NHA2-depleted Min6 cells, or islets treated with an NHA2 inhibitor exhibited reduced sulfonylurea- and secretagogue-induced insulin secretion. The secretory deficit could be rescued by overexpression of a wild-type, but not a functionally dead, NHA2 transporter. NHA2 deficiency did not affect insulin synthesis or maturation and had no impact on basal or glucose-induced intracellular Ca(2+) homeostasis in islets. Subcellular fractionation and imaging studies demonstrated that NHA2 resides in transferrin-positive endosomes and synaptic-like microvesicles but not in insulin-containing large dense core vesicles in β-cells. Loss of NHA2 inhibited clathrin-dependent, but not clathrin-independent, endocytosis in Min6 and primary β-cells, suggesting defective endo-exocytosis coupling as the underlying mechanism for the secretory deficit. Collectively, our in vitro and in vivo studies reveal the sodium/proton exchanger NHA2 as a critical player for insulin secretion in the β-cell. In addition, our study sheds light on the biological function of a member of this recently cloned family of transporters.

Distribution profile of zwitterions and hydrolysis of esters derived from N-benzylpiperazine

Résumé Les esters sont des agents thérapeutiques largement utilisés comme médicaments et prodrogues. Leurs dégradation est chimique et enzymatique. Le Chapitre IV de cette thèse a comme objet l'hydrolyse chimique de plusieurs dérivés esters du 2,3-dimethoxyphenol. Des composés modèles ont été synthétisés dans le but de déterminer leur mécanismes de dégradation. Les profils d'ionisation et d'hydrolyse de ces composés ont permis d'identifier la présence d'une catalyse intramoléculaire basique par un atome d'azote non-protoné. Les effets électroniques exercés par les groupes phenylethenyle et phenylcyclopropyle influencent également la vitesse d'hydrolyse des esters. La résolution des problèmes liés à l'adsorption et la perméation est devenue à nos jours l'étape limitante dans la conception de nouveaux médicaments car de trop nombreux candidats prometteurs ont échoué à cause d'une mauvaise biodisponibilité. La lipophilie décrit le partage d'un médicament entre une membrane lipidique et son environnement physiologique aqueux, et de ce fait elle influence sa pharmacocinétique. Des études récents ont mis en évidence l'importance de la détermination de la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Le Chapitre V de cette thèse est centré sur une classe particulière de composés ionisables, les zwitterions. Plusieurs methoxybenzylpiperazines de nature zwitterionique ont été étudiées. Leurs profils d'ionisation ont montré que dans un large intervalle de pH, l'espèce prédominante est le zwitterion. Les profils de lipophilie ont montré que leur lipophilie est plus élevée que celles des zwitterions courants. Une interaction électrostatique entre l'oxygène du carboxylate et l'azote protoné est responsable de ce profil et rend la plupart des zwitterions non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux aspects peuvent favoriser le passage de la barrière hémato-éncephalique. Les données biologiques ont par la suite confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Résumé large public Les esters sont des composés souvent rencontrés en chimie thérapeutique. Ils sont dégradés en milieu aqueux par une réaction d'hydrolyse, avec ou sans la participation d'enzymes. Dans ce travail de thèse, une série d'esters ont été étudiés dans le but d'établir une relation entre leur structure et les mécanismes responsables de leur dégradation chimique. Il a été prouvé que la dégradation est accélérée par un atome d'azote non-protoné. D'autres mécanismes peuvent intervenir en fonction du pH du milieu. La présence d'une liaison simple ou double ou d'un groupe phenylcyclopropyle peut également influencer la vitesse de dégradation. Il est essentiel, dans la conception de nouveaux médicaments, d'optimiser les étapes qui influencent leur distribution dans le corps. Ce dernier peut être visualisé comme une série infinie de compartiments aqueux séparés par des membranes lipidiques. La lipophilie est une propriété moléculaire importante qui décrit le passage des barrières rencontrées par les médicaments. Des études récentes ont mis en évidence l'importance de déterminer la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Dans ce travail de thèse a été étudiée une série particulière de composés ionisables , les zwitterions. Une relation a été établie entre leur structure et leur proprietés physico-chimiques. Une lipophilie plus élevée par rapport à celle des zwitterions courants a été trouvée. Une interaction entre les groupes chargés des zwitterions étudiés est responsable de ce comportement inattendu et rend la plupart d'entre eux non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux facteurs peuvent favoriser la pénétration cérébrale. Les données biologiques ont confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Summary Esters are often encountered in medicinal chemistry. Their hydrolysis may be chemical as well as enzymatic. Chapter IV of this manuscript provides a mechanistic insight into the chemical hydrolysis of a particular series of basic esters derived from 2,3-dimethoxyphenol. Their ionization and pH-rate profiles allowed to identify the presence of an intramolecular base catalysis by a non-protonated nitrogen atom. Electronic effects exerted by the phenylethenyl and phenylcyclopropyl groups that are present in the structure of the esters also influenced their rate of hydrolysis. Numerous works in the literature witness of the importance of lipophilicity in determining the fate of a drug. Most published partition coefficients are those of neutral species. In contrast, no exhaustive treatment of the lipophilicity of charged molecules is available at present, and a lack of information characterizes in particular zwitterions. Chapter V of this manuscript provides an insight into the physicochemical parameters of a series of zwitterionic methoxybenzylpiperazines. Their ionization profiles showed that they exist predominantly in the zwitterionic form in a broad pH-range. An electrostatic interaction between the oxygen of the carboxylate and the protonated nitrogen atom is increases the lipophilicity of the investigated zwitterions, and prevents the majority of them to express their hydrogen-bonding capacity. These two aspects may favor the crossing of the blood-brain barrier. The available ratios PSt/PSf measured in vitro have confirmed this point for a number of compounds.

Mixing of Rhône River water in Lake Geneva (Switzerland-France) inferred from stable hydrogen and oxygen isotope profiles

Depth profiles were sampled at different locations throughout Lake Geneva on a monthly and seasonal basis over the course of 2 years and analysed for their stable hydrogen and oxygen isotope compositions. The isotopic compositions indicate an isotopic stratification in the metalimnion during summer and fall. This is related to mixing of Rhône River water, which in summer is dominated by snow and glacier melt waters, and lake water, with the latter having a homogenous isotopic composition. The observed interflow layer is 7-15 m thick and can be traced by the distinct stable isotope composition of the water for about 55 km throughout the lake as well as into shallow bay regions. Depth of the interflow layer close to the Rhône River mouth is similar to those previously described based on echo-soundings and turbidity profiles of sediment dispersion. In contrast to previous descriptions of the interflow within Lake Geneva, the stable isotope compositions allow for direct, natural tracing of the Rhône River water even in cases where the turbidity and conductivity measurements do not indicate such an interflow. In addition, the method allows for a quantification of the Rhône River and lake water in the interflow with the fraction of Rhône River water within the interflow estimated to be up to 37% in summer. The isotopic composition further indicates different vertical mixing processes within the two lake basins of Lake Geneva, related to the density gradients and local stability within the water column. The method may be applicable to other lakes in catchments with large differences in the topography as water that originates from high altitudes or glaciers has a distinct oxygen and hydrogen isotope composition compared to other sources of water originating at lower altitudes and/or from direct precipitation over the lake. Stable isotope measurements thus improve the understanding of the circulation of water within the lake, which is fundamental for an evaluation of the water residence times, dissolved pollutant and nutrient transport as well as oxygenation.

On-line desorption of dried blood spots coupled to hydrophilic interaction/reversed-phase LC/MS/MS system for the simultaneous analysis of drugs and their polar metabolites.

An assay for the simultaneous analysis of pharmaceutical compounds and their metabolites from micro-whole blood samples (i.e. 5 microL) was developed using an on-line dried blood spot (on-line DBS) device coupled with hydrophilic interaction/reversed-phase (HILIC/RP) LC/MS/MS. Filter paper is directly integrated to the LC device using a homemade inox desorption cell. Without any sample pretreatment, analytes are desorbed from the paper towards an automated system of valves linking a zwitterionic-HILIC column to an RP C18 column. In the same run, the polar fraction is separated by the zwitterionic-HILIC column while the non-polar fraction is eluted on the RP C18. Both fractions are detected by IT-MS operating in full scan mode for the survey scan and in product ion mode for the dependant scan using an ESI source. The procedure was evaluated by the simultaneous qualitative analysis of four probes and their relative phase I and II metabolites spiked in whole blood. In addition, the method was successfully applied to the in vivo monitoring of buprenorphine metabolism after the administration of an intraperitoneal injection of 30 mg/kg on adult female Wistar rat.

Sodium/hydrogen exchanger NHA2 in osteoclasts: subcellular localization and role in vitro and in vivo.

NHA2 was recently identified as a novel sodium/hydrogen exchanger which is strongly upregulated during RANKL-induced osteoclast differentiation. Previous in vitro studies suggested that NHA2 is a mitochondrial transporter required for osteoclast differentiation and bone resorption. Due to the lack of suitable antibodies, NHA2 was studied only on RNA level thus far. To define the protein's role in osteoclasts in vitro and in vivo, we generated NHA2-deficient mice and raised several specific NHA2 antibodies. By confocal microscopy and subcellular fractionation studies, NHA2 was found to co-localize with the late endosomal and lysosomal marker LAMP1 and the V-ATPase a3 subunit, but not with mitochondrial markers. Immunofluorescence studies and surface biotinylation experiments further revealed that NHA2 was highly enriched in the plasma membrane of osteoclasts, localizing to the basolateral membrane of polarized osteoclasts. Despite strong upregulation of NHA2 during RANKL-induced osteoclast differentiation, however, structural parameters of bone, quantified by high-resolution microcomputed tomography, were not different in NHA2-deficient mice compared to wild-type littermates. In addition, in vitro RANKL stimulation of bone marrow cells isolated from wild-type and NHA2-deficient mice yielded no differences in osteoclast development and activity. Taken together, we show that NHA2 is a RANKL-induced plasmalemmal sodium/hydrogen exchanger in osteoclasts. However, our data from NHA2-deficient mice suggest that NHA2 is dispensable for osteoclast differentiation and bone resorption both in vitro and in vivo.

Hydrogen and oxygen isotope behaviors during variable degrees of upper mantle melting: Example from the basaltic glasses from Macquarie Island

We present measurements of hydrogen and oxygen isotopes in MORB glasses from Macquarie Island (SW. Pacific Ocean) coupled with determination of bulk H2O content by two independent techniques: total dehydration and FTIR. The incompatible trace elements in these glasses vary by a factor of 12 to 17, with K2O varying from 0.1 to 1.7 wt.%; these ranges reflect a variable degree of closed-system mantle melting, estimated from 1 to 15%. Water concentrations determined by the two techniques match well, yielding a range from 0.25 to 1.49 wt.% which correlates positively with all of the measured incompatible trace elements, suggesting that water is un-degassed, and behaves conservatively during mantle melting. Also, the agreement between the FTIR-determined and extracted water contents gives us confidence that the measured isotopic values of hydrogen reflect that of the mantle. Comparison of the range of water content with that of other incompatible trace elements allows estimation of the water partition coefficient in lherzolite, 0.0208 (ranging from 0.017 to 0.023), and the water content in the source, 386 ppm (ranging from 370 to 440 ppm). We observe a fairly narrow range in delta D and delta O-18 values of -75.5 +/- 4.5 parts per thousand and 5.50 +/- 0 .05 parts per thousand respectively, that can be explained by partial melting of normal lherzolitic mantle. The measured delta D and delta O-18 values of Macquarie Island glasses that range from nepheline- to hypersthene-normative, and from MORB to EMORB in composition, are identical to those in average global MORB. The observed lack of variation of delta D and delta O-18 with 1 to 15% degree of mantle melting is consistent with a bulk melting model of delta D and delta O-18 fractionation, in which water is rapidly scavenged into the first partial melt. The narrow ranges of delta D and delta O-18 in normal mantle are mostly due to the buffering effect of clino- and orthopyroxenes in the residual assemblage; additionally, fast ``wet'' diffusion of oxygen and hydrogen isotopes through the melting regions may further smooth isotopic differences. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Rifaximin treatment for the irritable bowel syndrome with a positive lactulose hydrogen breath test improves symptoms for at least 3 months.

BACKGROUND: While rifaximin was able to improve symptoms in patients with irritable bowel syndrome (IBS) in phase III trials, these results are yet to be repeated in phase IV studies. AIM: To evaluate the treatment response to rifaximin in IBS patients in a phase IV trial. METHODS: IBS patients underwent lactulose hydrogen breath testing (LHBT). LHBT-positive patients were treated with rifaximin for 14 days. Prior to treatment as well as at week 4 and 14 following the start of rifaximin treatment, patients completed a questionnaire assessing symptom severity on a Likert scale from 0 to 10. RESULTS: One hundred and six of 150 IBS patients (71%) were LHBT-positive and treated with rifaximin. As assessed at week 4 following commencement of the therapy, rifaximin provided significant improvement of the following IBS-associated symptoms: bloating (5.5±2.6 before the start of the treatment vs. 3.6±2.7 at week 4, P<0.001), flatulence (5.0±2.7 vs. 4.0±2.7, P=0.015), diarrhoea (2.9±2.4 vs. 2.0±2.4, P=0.005) and abdominal pain (4.8±2.7 vs. 3.3±2.5, P<0.001). Overall well-being also significantly improved (3.9 ± 2.4 vs. 2.7 ± 2.3, P < 0.001). Similar improvements in IBS symptoms were obtained at week 14. Eighty-six per cent of patients undergoing repetitive LHBT (55/64) tested negative at week 4. CONCLUSIONS: We found a high percentage of LHBT-positive IBS patients. IBS-associated symptoms (bloating, flatulence, diarrhoea, pain) were improved for a period of 3 months following 2 weeks of treatment with rifaximin. We conclude that rifaximin treatment alleviates symptoms in LHBT-positive IBS patients.

Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.

Subcellular Redistribution of Root Aquaporins Induced by Hydrogen Peroxide.

Aquaporins are water channel proteins that mediate the fine-tuning of cell membrane water permeability during development or in response to environmental stresses. The present work focuses on the oxidative stress-induced redistribution of plasma membrane intrinsic protein (PIP) aquaporins from the plasma membrane (PM) to intracellular membranes. This process was investigated in the Arabidopsis root. Sucrose density gradient centrifugation showed that exposure of roots to 0.5 mM H2O2 induces significant depletion in PM fractions of several abundant PIP homologs after 15 min. Analyses by single-particle tracking and fluorescence correlative spectroscopy showed that, in the PM of epidermal cells, H2O2 treatment induces an increase in lateral motion and a reduction in the density of a fluorescently tagged form of the prototypal AtPIP2;1 isoform, respectively. Co-expression analyses of AtPIP2;1 with endomembrane markers revealed that H2O2 triggers AtPIP2;1 accumulation in the late endosomal compartments. Life-time analyses established that the high stability of PIPs was maintained under oxidative stress conditions, suggesting that H2O2 triggers a mechanism for intracellular sequestration of PM aquaporins without further degradation. In addition to information on cellular regulation of aquaporins, this study provides novel and complementary insights into the dynamic remodeling of plant internal membranes during oxidative stress responses.