Bone anabolic potential of soy isoflavones and plant extracts and genomic changes during differentiation of hPOB-tert osteoblast-like cells

Summary For the nutritional management of bone health and the prevention of osteoporosis it is important to identify nutrients that positively influence the bone remodeling process at the cellular level. Soy isoflavones show promising osteoprotective effects in animals and humans but their mechanism of action in bone cells is yet poorly understood. Firstly, soy tissue cultures were characterized as a new and optimized source of isoflavones. A large variability in the isoflavone content was observed and high-producing strains (46.3 mg/g dry wt isoflavones) were identified. In the Ishikawa cells bioassay, the estrogenicity of isoflavones was confirmed to be 1000 to 10000 less than 17Mestradiol and that of the malonyl forms was shown for the first time (EC50 of 350 nM and 1880 nM for malonylgenistin and malonyldaidzin, respectively). The estrogenic activity of soya tissue culture extracts correlated to their isoflavone content. Secondly, the effects of phytonutrients on BMP-2 gene expression and on the mevalonate synthesis pathway, as key mediators of bone formation, were investigated. Dietary achievable concentrations of genistein and daidzein (10vM), and statins (4xM) but not 17M estradiol (10nM), induced BMP-2 gene expression (by up to 3-fold) and inhibited the cholesterol biosynthetic pathway (by up to 50%) in the human osteoblastic cell line hP0B¬tert. In addition, several plant extracts (Cyperus rotundus, Lindera benzoin and Cnidium monnieri) induced BMP-2 gene expression but this induction was not restricted to the inhibition of the cholesterol synthesis pathway neither to the estrogenicity. Finally, the gene expression profiles during hP0B-tert differentiation induced by vitamin D and dexamethasone were analyzed with the Affymetrix human GeneChip. 1665 different genes and 98 ESTs were significantly regulated. The expression profiles of bone-related genes was largely in agreement with previously documented patterns, supporting the physiological relevance of the genomic results and the hP0B-tert cell line as a valid model of human osteoblast differentiation. The expression of alternative differentiation markers during the osteogenic treatment of hP0B-tert cells indicated that the adipocyte and myoblast differentiation pathways were repressed, confirming that these culture conditions allowed only osteoblast differentiation. The gene ontology analysis identified further sub-groups of genes that may be involved in the bone formation process. Aims of the thesis In order to define new strategies for the nutritional management of bone health and for the prevention of osteoporosis the major goal of the present work was to investigate the potential of phytonutrients to positively modulate the bone formation process at the cellular level and, in particular: 1.To select and optimise alternative plant sources containing high levels of isoflavones with estrogenic activity (Chapter 3). 2.To compare the effects of statins and phytonutrients on BMP-2 gene expression and on the mevalonate synthesis pathway and to select new plant extracts with a bone anabolic potential (Chapter 4). 3.To further characterize the new human periosteal cell line, hP0B-tert, as a bone- formation model, by elucidating its gene expression profile during differentiation induced by vitamin D and dexamethasone (Chapter 5).

Stability of nanoparticle agglomerates under mechanical stress and its effects on their release into the air

L'exposition professionnelle aux nanomatériaux manufacturés dans l'air présente des risques potentiels pour la santé des travailleurs dans les secteurs de la nanotechnologie. Il est important de comprendre les scénarios de libération des aérosols de nanoparticules dans les processus et les activités associées à l'exposition humaine. Les mécanismes de libération, y compris les taux de libération et les propriétés physico-chimiques des nanoparticules, déterminent leurs comportements de transport ainsi que les effets biologiques néfastes. La distribution de taille des particules d'aérosols est l'un des paramètres les plus importants dans ces processus. La stabilité mécanique d'agglomérats de nanoparticules affecte leurs distributions de tailles. Les potentiels de désagglomération de ces agglomérats déterminent les possibilités de leur déformation sous énergies externes. Cela rend les changements possibles dans leur distribution de taille et de la concentration en nombre qui vont finalement modifier leurs risques d'exposition. Les conditions environnementales, telles que l'humidité relative, peuvent influencer les processus de désagglomération par l'adhérence de condensation capillaire de l'humidité. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les scénarios de libération des nanomatériaux manufacturés des processus et activités sur le lieu de travail. Les sous-objectifs étaient les suivants: 1. Etudier les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans des conditions environnementales variées. 2. Etudier la libération des nano-objets à partir de nanocomposites polymères; 3. Evaluer la libération de nanoparticules sur le lieu de travail dans des situations concrètes. Nous avons comparé différents systèmes de laboratoire qui présentaient différents niveau d'énergie dans l'aérosolisation des poudres. Des nanopoudres de TiO2 avec des hydrophilicités de surface distinctes ont été testées. Un spectromètre à mobilité électrique (SMPS), un spectromètre à mobilité aérodynamique (APS) et un spectromètre optique (OPC) ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de taille des particules. La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Les propriétés des aérosols (distribution de taille et concentration en nombre) étaient différentes suivant la méthode employée. Les vitesses des flux d'air d'aérosolisation ont été utilisées pour estimer le niveau d'énergie dans ces systèmes, et il a été montré que les tailles modales des particules étaient inversement proportionnelles à la vitesse appliquée. En général, les particules hydrophiles ont des diamètres plus grands et des nombres inférieurs à ceux des particules hydrophobes. Toutefois, cela dépend aussi des méthodes utilisées. La vitesse de l'air peut donc être un paramètre efficace pour le classement de l'énergie des procédés pour des systèmes d'aérosolisation similaires. Nous avons développé un système laboratoire pour tester les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans l'air en utilisant des orifices critiques et un humidificateur. Sa performance a été comparée à un système similaire dans un institut partenaire. Une variété de nanopoudres différentes a été testée. Le niveau d'énergie appliquée et l'humidité ont été modifiés. Le SMPS et l'OPC ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de la taille. Un TEM a été utilisé pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Le diamètre moyen des particules a diminué et la concentration en nombre s'est accrue lorsque des énergies externes ont été appliquées. Le nombre de particules inférieures à 100 nm a été augmenté, et celui au-dessus de 350 nm réduits. Les conditions humides ont faits exactement le contraire, en particulier pour les petites particules. En outre, ils ont réduits les effets de la différence de pression due à l'orifice. Les résultats suggèrent que la désagglomération d'agglomérats de nanoparticules dans l'air est possible dans la gamme d'énergie appliquée. Cependant, l'atmosphère humide peut favoriser leur agglomération et améliorer leurs stabilités en réduisant la libération de nanoparticules dans l'environnement. Nous proposons d'utiliser notre système pour le test de routine des potentiels de désagglomération des nanomatériaux manufacturés et de les classer. Un tel classement faciliterait la priorisation de l'exposition et du risque encouru en fonction du niveau d'ENM. Un système de perçage automatique et un système de sciage manuel ont été développés pour étudier la libération de nanoparticules à partir de différents types de nanocomposites. La vitesse de perçage et taille de la mèche ont été modifiées dans les expériences. La distribution de taille des particules et leur concentration en nombre ont été mesurées par un SMPS et un miniature diffusion size classifier (DISCmini). Les distributions de nanoparticules dans les composites et les particules libérées ont été analysés par un TEM et un microscope électronique à balayage (SEM). Les tests de perçage ont libérés un plus grand nombre de particules que le sciage. Des vitesses de perçage plus rapide et les mèches plus grandes ont augmentés la génération de particules. Les charges de nanoparticules manufacturées dans les composites ne modifient pas leurs comportements de libération dans les expériences de perçage. Toutefois, le sciage différencie les niveaux de libération entre les composites et les échantillons blancs. De plus, les vapeurs de polymères ont été générées par la chaleur de sciage. La plupart des particules libérées sont des polymères contenant des nanoparticules ou sur leurs surface. Les résultats ont souligné l'importance du type de processus et paramètres pour déterminer la libération de nanoparticules de composites. Les émissions secondaires telles que les fumées polymères appellent à la nécessité d'évaluations de l'exposition et de risque pour de tels scénarios. Une revue systématique de la littérature sur le sujet de libérations de nanoparticules dans l'air dans les secteurs industriels et laboratoires de recherche a été effectuée. Des stratégies de recherche des informations pertinentes et de stockage ont été développées. Les mécanismes de libération, tels que la taille de particules d'aérosol et de leur concentration en nombre, ont été comparés pour différentes activités. La disponibilité de l'information contextuelle qui est pertinente pour l'estimation de l'exposition humaine a été évaluée. Il a été constaté que les données relatives à l'exposition ne sont pas toujours disponibles dans la littérature actuelle. Les propriétés des aérosols libérés semblent dépendre de la nature des activités. Des procédés à haute énergie ont tendance à générer des plus hauts niveaux de concentrations de particules dans les gammes de plus petite taille. Les résultats peuvent être utiles pour déterminer la priorité des procédés industriels pour l'évaluation les risques associés dans une approche à plusieurs niveaux. Pour l'évaluation de l'exposition, la disponibilité de l'information peut être améliorée par le développement d'une meilleure méthode de communication des données.