Intrinsically photosensitive retinal ganglion cell function in relation to age: a pupillometric study in humans with special reference to the age-related optic properties of the lens.

BACKGROUND: The activity of melanopsin containing intrinsically photosensitive ganglion retinal cells (ipRGC) can be assessed by a means of pupil responses to bright blue (appr.480 nm) light. Due to age related factors in the eye, particularly, structural changes of the lens, less light reaches retina. The aim of this study was to examine how age and in vivo measured lens transmission of blue light might affect pupil light responses, in particular, mediated by the ipRGC. METHODS: Consensual pupil responses were explored in 44 healthy subjects aged between 26 and 68 years. A pupil response was recorded to a continuous 20 s light stimulus of 660 nm (red) or 470 nm (blue) both at 300 cd/m2 intensity (14.9 and 14.8 log photons/cm2/s, respectively). Additional recordings were performed using four 470 nm stimulus intensities of 3, 30, 100 and 300 cd/m2. The baseline pupil size was measured in darkness and results were adjusted for the baseline pupil and gender. The main outcome parameters were maximal and sustained pupil contraction amplitudes and the postillumination response assessed as area under the curve (AUC) over two time-windows: early (0-10 s after light termination) and late (10-30 s after light termination). Lens transmission was measured with an ocular fluorometer. RESULTS: The sustained pupil contraction and the early poststimulus AUC correlated positively with age (p=0.02, p=0.0014, respectively) for the blue light stimulus condition only.The maximal pupil contraction amplitude did not correlate to age either for bright blue or red light stimulus conditions.Lens transmission decreased linearly with age (p<0.0001). The pupil response was stable or increased with decreasing transmission, though only significantly for the early poststimulus AUC to 300 cd/m2 light (p=0.02). CONCLUSIONS: Age did not reduce, but rather enhance pupil responses mediated by ipRGC. The age related decrease of blue light transmission led to similar results, however, the effect of age was greater on these pupil responses than that of the lens transmission. Thus there must be other age related factors such as lens scatter and/or adaptive processes influencing the ipRGC mediated pupil response enhancement observed with advancing age.

Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells.

The recent discovery of melanopsin-expressing retinal ganglion cells that mediate the pupil light reflex has provided new insights into how the pupil responds to different properties of light. These ganglion cells are unique in their ability to transduce light into electrical energy. There are parallels between the electrophysiologic behavior of these cells in primates and the clinical pupil response to chromatic stimuli. Under photopic conditions, a red light stimulus produces a pupil constriction mediated predominantly by cone input via trans-synaptic activation of melanopsin-expressing retinal ganglion cells, whereas a blue light stimulus at high intensity produces a steady-state pupil constriction mediated primarily by direct intrinsic photoactivation of the melanopsin-expressing ganglion cells. Preliminary data in humans suggest that under photopic conditions, cones primarily drive the transient phase of the pupil light reflex, whereas intrinsic activation of the melanopsin-expressing ganglion cells contributes heavily to sustained pupil constriction. The use of chromatic light stimuli to elicit transient and sustained pupil light reflexes may become a clinical pupil test that allows differentiation between disorders affecting photoreceptors and those affecting retinal ganglion cells.

Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells: classification, function and clinical implications.

PURPOSE OF REVIEW: The discovery of a new class of intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) revealed their superior role for various nonvisual biological functions, including the pupil light reflex, and circadian photoentrainment. RECENT FINDINGS: Recent works have identified and characterized several anatomically and functionally distinct ipRGC subtypes and have added strong new evidence for the accessory role of ipRGCs in the visual system in humans. SUMMARY: This review summarizes current concepts related to ipRGC morphology, central connections and behavioural functions and highlights recent studies having clinical relevance to ipRGCs. Clinical implications of the melanopsin system are widespread, particularly as related to chronobiology.

Identification of C7orf11 (TTDN1) gene mutations and genetic heterogeneity in nonphotosensitive trichothiodystrophy.

We have identified C7orf11, which localizes to the nucleus and is expressed in fetal hair follicles, as the first disease gene for nonphotosensitive trichothiodystrophy (TTD). C7orf11 maps to chromosome 7p14, and the disease locus has been designated "TTDN1" (TTD nonphotosensitive 1). Mutations were found in patients with Amish brittle-hair syndrome and in other nonphotosensititive TTD cases with mental retardation and decreased fertility but not in patients with Sabinas syndrome or Pollitt syndrome. Therefore, genetic heterogeneity in nonphotosensitive TTD is a feature similar to that observed in photosensitive TTD, which is caused by mutations in transcription factor II H (TFIIH) subunit genes. Comparative immunofluorescence analysis, however, suggests that C7orf11 does not influence TFIIH directly. Given the absence of cutaneous photosensitivity in the patients with C7orf11 mutations, together with the protein's nuclear localization, C7orf11 may be involved in transcription but not DNA repair.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Rapidly fatal poisoning with an insecticide containing rotenone.

Introduction: Rotenone is a botanical pesticide derived from extracts of Derris roots, which is traditionally used as piscicide, but also as an industrial insecticide for home gardens. Its mechanism of action is potent inhibition of mitochondrial respiratory chain by uncoupling oxidative phosphorylation by blocking electron transport at complex-I. Despite its classification as mild to moderately toxic to humans (estimated LD50, 300-500 mg/kg), there is a striking variety of acute toxicity of rotenone depending on the formulation (solvents). Human fatalities with rotenone-containing insecticides have been rarely reported, and a rapid deterioration within a few hours of the ingestion has been described previously in one case. Case report: A 49-year-old Tamil man with a history of asthma, ingested 250 mL of an insecticide containing 1.24% of rotenone (3.125 g, 52.1-62.5 mg/kg) in a suicide attempt at home. The product was not labeled as toxic. One hour later, he vomited repeatedly and emergency services were alerted. He was found unconscious with irregular respiration and was intubated. On arrival at the emergency department, he was comatose (GCS 3) with fixed and dilated pupils, and absent corneal reflexes. Physical examination revealed hemodynamic instability with hypotension (55/30 mmHg) and bradycardia (52 bpm). Significant laboratory findings were lactic acidosis (pH 6.97, lactate 17 mmol/L) and hypokalemia (2 mmol/L). Cranial computed tomography (CT) showed early cerebral edema. A single dose of activated charcoal was given. Intravenous hydration, ephedrine, repeated boli of dobutamine, and a perfusor with 90 micrograms/h norepinephine stabilized blood pressure temporarily. Atropine had a minimal effect on heart rate (58 bpm). Intravenous lipid emulsion was considered (log Pow 4.1), but there was a rapid deterioration with refractory hypotension and acute circulatory failure. The patient died 5h after ingestion of the insecticide. No autopsy was performed. Quantitative analysis of serum performed by high-resolution/accurate mass-mass spectrometry and liquid chromatography (LC-HR/AM-MS): 560 ng/mL rotenone. Other substances were excluded by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS). Conclusion: The clinical course was characterized by early severe symptoms and a rapidly fatal evolution, compatible with inhibition of mitochondrial energy supply. Although rotenone is classified as mild to moderately toxic, physicians must be aware that suicidal ingestion of emulsified concentrates may be rapidly fatal. (n=3): stridor, cyanosis, cough (one each). Local swelling after chewing or swallowing soap developed at the earliest after 20 minutes and persisted beyond 24 hours in some cases. Treatment with antihistamines and/or steroids relieved the symptoms in 9 cases. Conclusion: Bar soap ingestion by seniors carries a risk of severe local reactions. Half the patients developed symptoms, predominantly swellings of tongue and/or lips (38%). Cognitive impairment, particularly in the cases of dementia (37%), may increase the risk of unintentional ingestion. Chewing and intraoral retention of soap leads to prolonged contact with the mucosal membranes. Age-associated physiological changes of oral mucosa probably promote the irritant effects of the surfactants. Medical treatment with antihistamines and corticosteroids usually leads to rapid decline of symptoms. Without treatment, there may be a risk of airway obstruction.

Arabidopsis NPH1: a flavoprotein with the properties of a photoreceptor for phototropism.

The NPH1 gene of Arabidopsis thaliana encodes a 120-kilodalton serine-threonine protein kinase hypothesized to function as a photoreceptor for phototropism. When expressed in insect cells, the NPH1 protein is phosphorylated in response to blue light irradiation. The biochemical and photochemical properties of the photosensitive protein reflect those of the native protein in microsomal membranes. Recombinant NPH1 noncovalently binds flavin mononucleotide, a likely chromophore for light-dependent autophosphorylation. The fluorescence excitation spectrum of the recombinant protein is similar to the action spectrum for phototropism, consistent with the conclusion that NPH1 is an autophosphorylating flavoprotein photoreceptor mediating phototropic responses in higher plants.

Novel micelle carriers for cyclosporin A topical ocular delivery: in vivo cornea penetration, ocular distribution and efficacy studies.

Cornea transplantation is one of the most performed graft procedures worldwide with an impressive success rate of 90%. However, for "high-risk" patients with particular ocular diseases in addition to the required surgery, the success rate is drastically reduced to 50%. In these cases, cyclosporin A (CsA) is frequently used to prevent the cornea rejection by a systemic treatment with possible systemic side effects for the patients. To overcome these problems, it is a challenge to prepare well-tolerated topical CsA formulations. Normally high amounts of oils or surfactants are needed for the solubilization of the very hydrophobic CsA. Furthermore, it is in general difficult to obtain ocular therapeutic drug levels with topical instillations due to the corneal barriers that efficiently protect the intraocular structures from foreign substances thus also from drugs. The aim of this study was to investigate in vivo the effects of a novel CsA topical aqueous formulation. This formulation was based on nanosized polymeric micelles as drug carriers. An established rat model for the prevention of cornea graft rejection after a keratoplasty procedure was used. After instillation of the novel formulation with fluorescent labeled micelles, confocal analysis of flat-mounted corneas clearly showed that the nanosized carriers were able to penetrate into all corneal layers. The efficacy of a 0.5% CsA micelle formulation was tested and compared to a physiological saline solution and to a systemic administration of CsA. In our studies, the topical CsA treatment was carried out for 14 days, and the three parameters (a) cornea transparency, (b) edema, and (c) neovascularization were evaluated by clinical observation and scoring. Compared to the control group, the treated group showed a significant higher cornea transparency and significant lower edema after 7 and 13 days of the surgery. At the end point of the study, the neovascularization was reduced by 50% in the CsA-micelle treated animals. The success rate of cornea graft transplantation was 73% in treated animals against 25% for the control group. This result was as good as observed for a systemic CsA treatment in the same animal model. This new formulation has the same efficacy like a systemic treatment but without the serious CsA systemic side effects. Ocular drug levels of transplanted and healthy rat eyes were dosed by UPLC/MS and showed a high CsA value in the cornea (11710 ± 7530 ng(CsA)/g(tissue) and 6470 ± 1730 ng(CsA)/g(tissue), respectively). In conclusion, the applied formulation has the capacity to overcome the ocular surface barriers, the micelles formed a drug reservoir in the cornea from, where a sustained release of CsA can take place. This novel formulation for topical application of CsA is clearly an effective and well-tolerated alternative to the systemic treatment for the prevention of corneal graft rejection.

NrsZ: a novel, processed, nitrogen-dependent, small non-coding RNA that regulates Pseudomonas aeruginosa PAO1 virulence.

The opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa PAO1 has a remarkable capacity to adapt to various environments and to survive with limited nutrients. Here, we report the discovery and characterization of a novel small non-coding RNA: NrsZ (nitrogen-regulated sRNA). We show that under nitrogen limitation, NrsZ is induced by the NtrB/C two component system, an important regulator of nitrogen assimilation and P. aeruginosa's swarming motility, in concert with the alternative sigma factor RpoN. Furthermore, we demonstrate that NrsZ modulates P. aeruginosa motility by controlling the production of rhamnolipid surfactants, virulence factors notably needed for swarming motility. This regulation takes place through the post-transcriptional control of rhlA, a gene essential for rhamnolipids synthesis. Interestingly, we also observed that NrsZ is processed in three similar short modules, and that the first short module encompassing the first 60 nucleotides is sufficient for NrsZ regulatory functions.

Analysis of CD4+ and CD8+ T cells by defined MHC-peptide complexes

MHC class II-peptide multimers are important tools for the detection, enumeration and isolation of antigen-specific CD4+ Τ cells. However, their erratic and often poor performance impeded their broad application and thus in-depth analysis of key aspects of antigen-specific CD4+ Τ cell responses. In the first part of this thesis we demonstrate that a major cause for poor MHC class II tetramer staining performance is incomplete peptide loading on MHC molecules. We observed that peptide binding affinity for "empty" MHC class II molecules poorly correlates with peptide loading efficacy. Addition of a His-tag or desthiobiotin (DTB) at the peptide N-terminus allowed us to isolate "immunopure" MHC class II-peptide monomers by affinity chromatography; this significantly, often dramatically, improved tetramer staining of antigen-specific CD4+ Τ cells. Insertion of a photosensitive amino acid between the tag and the peptide, permitted removal of the tag from "immunopure" MHC class II-peptide complex by UV irradiation, and hence elimination of its potential interference with TCR and/or MHC binding. Moreover, to improve loading of self and tumor antigen- derived peptides onto "empty" MHC II molecules, we first loaded these with a photocleavable variant of the influenza A hemagglutinin peptide HA306-318 and subsequently exchanged it with a poorly loading peptide (e.g. NY-ESO-1119-143) upon photolysis of the conditional ligand. Finally, we established a novel type of MHC class II multimers built on reversible chelate formation between 2xHis-tagged MHC molecules and a fluorescent nitrilotriacetic acid (NTA)-containing scaffold. Staining of antigen-specific CD4+ Τ cells with "NTAmers" is fully reversible and allows gentle cell sorting. In the second part of the thesis we investigated the role of the CD8α transmembrane domain (TMD) for CD8 coreceptor function. The sequence of the CD8α TMD, but not the CD8β TMD, is highly conserved and homodimerizes efficiently. We replaced the CD8α TMD with the one of the interleukin-2 receptor a chain (CD8αTac) and thus ablated CD8α TMD interactions. We observed that ΤΙ Τ cell hybridomas expressing CD8αTacβ exhibited severely impaired intracellular calcium flux, IL-2 responses and Kd/PbCS(ABA) P255A tetramer binding. By means of fluorescence resonance energy transfer experiments (FRET) we established that CD8αTacβ associated with TCR:CD3 considerably less efficiently than CD8αβ, both in the presence and the absence of Kd/PbCS(ABA) complexes. Moreover, we observed that CD8αTacβ partitioned substantially less in lipid rafts, and related to this, associated less efficiently with p56Lck (Lck), a Src kinase that plays key roles in TCR proximal signaling. Our results support the view that the CD8α TMD promotes the formation of CD8αβP-CD8αβ dimers on cell surfaces. Because these contain two CD8β chains and that CD8β, unlike CD8α, mediates association of CD8 with TCR:CD3 as well as with lipid rafts and hence with Lck, we propose that the CD8αTMD plays an important and hitherto unrecognized role for CD8 coreceptor function, namely by promoting CD8αβ dimer formation. We discuss what implications this might have on TCR oligomerization and TCR signaling. - Les multimères de complexes MHC classe II-peptide sont des outils importants pour la détection, le dénombrement et l'isolation des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt. Cependant, leur performance erratique et souvent inadéquate a empêché leur utilisation généralisée, limitant ainsi l'analyse des aspects clés des réponses des lymphocytes Τ CD4+. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que la cause principale de la faible efficacité des multimères de complexes MHC classe II-peptide est le chargement incomplet des molécules MHC par des peptides. Nous montrons également que l'affinité du peptide pour la molécule MHC classe II "vide" n'est pas nécessairement liée au degré du chargement. Grâce à l'introduction d'une étiquette d'histidines (His-tag) ou d'une molécule de desthiobiotine à l'extrémité N-terminale du peptide, des monomères MHC classe II- peptide dits "immunopures" ont pu être isolés par chromatographic d'affinité. Ceci a permis d'améliorer significativement et souvent de façon spectaculaire, le marquage des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt. L'insertion d'un acide aminé photosensible entre l'étiquette et le peptide a permis la suppression de l'étiquette du complexe MHC classe- Il peptide "immunopure" par irradiation aux UV, éliminant ainsi de potentielles interférences de liaison au TCR et/ou au MHC. De plus, afin d'améliorer le chargement des molécules MHC classe II "vides" avec des peptides dérivés d'auto-antigènes ou d'antigènes tumoraux, nous avons tout d'abord chargé les molécules MHC "vides" avec un analogue peptidique photoclivable issu du peptide HA306-318 de l'hémagglutinine de la grippe de type A, puis, sous condition de photolyse, nous l'avons échangé avec de peptides à chargement faible (p.ex. NY-ESO-1119-143). Finalement, nous avons construit un nouveau type de multimère réversible, appelé "NTAmère", basé sur la formation chélatante reversible entre les molécules MHC-peptide étiquettés par 2xHis et un support fluorescent contenant des acides nitrilotriacetiques (NTA). Le marquage des cellules Τ CD4+ spécifiques pour un antigène d'intérêt avec les "NTAmères" est pleinement réversible et permet également un tri cellulaire plus doux. Dans la deuxième partie de cette thèse nous avons étudié le rôle du domaine transmembranaire (TMD) du CD8α pour la fonction coréceptrice du CD8. La séquence du TMD du CD8α, mais pas celle du TMD du CD8β, est hautement conservée et permet une homodimérisation efficace. Nous avons remplacé le TMD du CD8α avec celui de la chaîne α du récepteur à l'IL-2 (CD8αTac), éliminant ainsi les interactions du TMD du CD8α. Nous avons montré que les cellules des hybridomes Τ T1 exprimant le CD8αTacβ présentaient une atteinte sévère du flux du calcium intracellulaire, des réponses d'IL-2 et de la liaison des tétramères Kd/PbCS(ABA) P255A. Grâce aux expériences de transfert d'énergie entre molécules fluorescentes (FRET), nous avons montré que l'association du CD8αTacβ avec le TCR:CD3 est considérablement moins efficace qu'avec le CD8αβ, et ceci aussi bien en présence qu'en absence de complexes Kd/PbCS(ABA). De plus, nous avons observé que le CD8αTacβ se distribuait beaucoup moins bien dans les radeaux lipidiques, engendrant ainsi, une association moins efficace avec p56Lck (Lck), une kinase de la famille Src qui joue un rôle clé dans la signalisation proximale du TCR. Nos résultats soutiennent l'hypothèse que le TMD du CD8αβ favorise la formation des dimères de CD8αβ à la surface des cellules. Parce que ces derniers contiennent deux chaînes CD8β et que CD8β, contrairement à CD8α, favorise l'association du CD8 au TCR:CD3 aussi bien qu'aux radeaux lipidiques et par conséquent à Lck, nous proposons que le TMD du CD8α joue un rôle important, jusqu'alors inconnu, pour la fonction coreceptrice du CD8, en encourageant la formation des dimères CD8αβ. Nous discutons des implications possibles sur l'oligomerisation du TCR et la signalisation du TCR.

Hazardous substances in frequently used professional cleaning products.

A growing number of studies have identified cleaners as a group at risk for adverse health effects of the skin and the respiratory tract. Chemical substances present in cleaning products could be responsible for these effects. Currently, only limited information is available about irritant and health hazardous chemical substances found in cleaning products. We hypothesized that chemical substances present in cleaning products are known health hazardous substances that might be involved in adverse health effects of the skin and the respiratory tract. We performed a systematic review of cleaning products used in the Swiss cleaning sector. We surveyed Swiss professional cleaning companies (n = 1476) to identify the most used products (n = 105) for inclusion. Safety data sheets (SDSs) were reviewed and hazardous substances present in cleaning products were tabulated with current European and global harmonized system hazard labels. Professional cleaning products are mixtures of substances (arithmetic mean 3.5 +/- 2.8), and more than 132 different chemical substances were identified in 105 products. The main groups of chemicals were fragrances, glycol ethers, surfactants, solvents; and to a lesser extent, phosphates, salts, detergents, pH-stabilizers, acids, and bases. Up to 75% of products contained irritant (Xi), 64% harmful (Xn) and 28% corrosive (C) labeled substances. Hazards for eyes (59%) and skin (50%), and hazards by ingestion (60%) were the most reported. Cleaning products potentially give rise to simultaneous exposures to different chemical substances. As professional cleaners represent a large workforce, and cleaning products are widely used, it is a major public health issue to better understand these exposures. The list of substances provided in this study contains important information for future occupational exposure assessment studies.

Occupational respiratory exposures to irritating and sensitizing volatile compounds deriving from cleaning products

Recent findings suggest an association between exposure to cleaning products and respiratory dysfunctions including asthma. However, little information is available about quantitative airborne exposures of professional cleaners to volatile organic compounds deriving from cleaning products. During the first phases of the study, a systematic review of cleaning products was performed. Safety data sheets were reviewed to assess the most frequently added volatile organic compounds. It was found that professional cleaning products are complex mixtures of different components (compounds in cleaning products: 3.5 ± 2.8), and more than 130 chemical substances listed in the safety data sheets were identified in 105 products. The main groups of chemicals were fragrances, glycol ethers, surfactants, solvents; and to a lesser extent phosphates, salts, detergents, pH-stabilizers, acids, and bases. Up to 75% of products contained irritant (Xi), 64% harmful (Xn) and 28% corrosive (C) labeled substances. Hazards for eyes (59%), skin (50%) and by ingestion (60%) were the most reported. Monoethanolamine, a strong irritant and known to be involved in sensitizing mechanisms as well as allergic reactions, is frequently added to cleaning products. Monoethanolamine determination in air has traditionally been difficult and air sampling and analysis methods available were little adapted for personal occupational air concentration assessments. A convenient method was developed with air sampling on impregnated glass fiber filters followed by one step desorption, gas chromatography and nitrogen phosphorous selective detection. An exposure assessment was conducted in the cleaning sector, to determine airborne concentrations of monoethanolamine, glycol ethers, and benzyl alcohol during different cleaning tasks performed by professional cleaning workers in different companies, and to determine background air concentrations of formaldehyde, a known indoor air contaminant. The occupational exposure study was carried out in 12 cleaning companies, and personal air samples were collected for monoethanolamine (n=68), glycol ethers (n=79), benzyl alcohol (n=15) and formaldehyde (n=45). All but ethylene glycol mono-n-butyl ether air concentrations measured were far below (<1/10) of the Swiss eight hours occupational exposure limits, except for butoxypropanol and benzyl alcohol, where no occupational exposure limits were available. Although only detected once, ethylene glycol mono-n-butyl ether air concentrations (n=4) were high (49.5 mg/m3 to 58.7 mg/m3), hovering at the Swiss occupational exposure limit (49 mg/m3). Background air concentrations showed no presence of monoethanolamine, while the glycol ethers were often present, and formaldehyde was universally detected. Exposures were influenced by the amount of monoethanolamine in the cleaning product, cross ventilation and spraying. The collected data was used to test an already existing exposure modeling tool during the last phases of the study. The exposure estimation of the so called Bayesian tool converged with the measured range of exposure the more air concentrations of measured exposure were added. This was best described by an inverse 2nd order equation. The results suggest that the Bayesian tool is not adapted to predict low exposures. The Bayesian tool should be tested also with other datasets describing higher exposures. Low exposures to different chemical sensitizers and irritants should be further investigated to better understand the development of respiratory disorders in cleaning workers. Prevention measures should especially focus on incorrect use of cleaning products, to avoid high air concentrations at the exposure limits. - De récentes études montrent l'existence d'un lien entre l'exposition aux produits de nettoyages et les maladies respiratoires telles que l'asthme. En revanche, encore peu d'informations sont disponibles concernant la quantité d'exposition des professionnels du secteur du nettoyage aux composants organiques volatiles provenant des produits qu'ils utilisent. Pendant la première phase de cette étude, un recueil systématique des produits professionnels utilisés dans le secteur du nettoyage a été effectué. Les fiches de données de sécurité de ces produits ont ensuite été analysées, afin de répertorier les composés organiques volatiles les plus souvent utilisés. Il a été mis en évidence que les produits de nettoyage professionnels sont des mélanges complexes de composants chimiques (composants chimiques dans les produits de nettoyage : 3.5 ± 2.8). Ainsi, plus de 130 substances listées dans les fiches de données de sécurité ont été retrouvées dans les 105 produits répertoriés. Les principales classes de substances chimiques identifiées étaient les parfums, les éthers de glycol, les agents de surface et les solvants; dans une moindre mesure, les phosphates, les sels, les détergents, les régulateurs de pH, les acides et les bases ont été identifiés. Plus de 75% des produits répertoriés contenaient des substances décrites comme irritantes (Xi), 64% nuisibles (Xn) et 28% corrosives (C). Les risques pour les yeux (59%), la peau (50%) et par ingestion (60%) était les plus mentionnés. La monoéthanolamine, un fort irritant connu pour être impliqué dans les mécanismes de sensibilisation tels que les réactions allergiques, est fréquemment ajouté aux produits de nettoyage. L'analyse de la monoéthanolamine dans l'air a été habituellement difficile et les échantillons d'air ainsi que les méthodes d'analyse déjà disponibles étaient peu adaptées à l'évaluation de la concentration individuelle d'air aux postes de travail. Une nouvelle méthode plus efficace a donc été développée en captant les échantillons d'air sur des filtres de fibre de verre imprégnés, suivi par une étape de désorption, puis une Chromatographie des gaz et enfin une détection sélective des composants d'azote. Une évaluation de l'exposition des professionnels a été réalisée dans le secteur du nettoyage afin de déterminer la concentration atmosphérique en monoéthanolamine, en éthers de glycol et en alcool benzylique au cours des différentes tâches de nettoyage effectuées par les professionnels du nettoyage dans différentes entreprises, ainsi que pour déterminer les concentrations atmosphériques de fond en formaldéhyde, un polluant de l'air intérieur bien connu. L'étude de l'exposition professionnelle a été effectuée dans 12 compagnies de nettoyage et les échantillons d'air individuels ont été collectés pour l'éthanolamine (n=68), les éthers de glycol (n=79), l'alcool benzylique (n=15) et le formaldéhyde (n=45). Toutes les substances mesurées dans l'air, excepté le 2-butoxyéthanol, étaient en-dessous (<1/10) de la valeur moyenne d'exposition aux postes de travail en Suisse (8 heures), excepté pour le butoxypropanol et l'alcool benzylique, pour lesquels aucune valeur limite d'exposition n'était disponible. Bien que détecté qu'une seule fois, les concentrations d'air de 2-butoxyéthanol (n=4) étaient élevées (49,5 mg/m3 à 58,7 mg/m3), se situant au-dessus de la frontière des valeurs limites d'exposition aux postes de travail en Suisse (49 mg/m3). Les concentrations d'air de fond n'ont montré aucune présence de monoéthanolamine, alors que les éthers de glycol étaient souvent présents et les formaldéhydes quasiment toujours détectés. L'exposition des professionnels a été influencée par la quantité de monoéthanolamine présente dans les produits de nettoyage utilisés, par la ventilation extérieure et par l'emploie de sprays. Durant la dernière phase de l'étude, les informations collectées ont été utilisées pour tester un outil de modélisation de l'exposition déjà existant, l'outil de Bayesian. L'estimation de l'exposition de cet outil convergeait avec l'exposition mesurée. Cela a été le mieux décrit par une équation du second degré inversée. Les résultats suggèrent que l'outil de Bayesian n'est pas adapté pour mettre en évidence les taux d'expositions faibles. Cet outil devrait également être testé avec d'autres ensembles de données décrivant des taux d'expositions plus élevés. L'exposition répétée à des substances chimiques ayant des propriétés irritatives et sensibilisantes devrait être investiguée d'avantage, afin de mieux comprendre l'apparition de maladies respiratoires chez les professionnels du nettoyage. Des mesures de prévention devraient tout particulièrement être orientées sur l'utilisation correcte des produits de nettoyage, afin d'éviter les concentrations d'air élevées se situant à la valeur limite d'exposition acceptée.

Circadian and wake-dependent effects on the pupil light reflex in response to narrow-bandwidth light pulses.

PURPOSE: Nonvisual light-dependent functions in humans are conveyed mainly by intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, which express melanopsin as photopigment. We aimed to identify the effects of circadian phase and sleepiness across 24 hours on various aspects of the pupil response to light stimulation. METHODS: We tested 10 healthy adults hourly in two 12-hour sessions covering a 24-hour period. Pupil responses to narrow bandwidth red (635 ± 18 nm) and blue (463 ± 24 nm) light (duration of 1 and 30 seconds) at equal photon fluxes were recorded, and correlated with salivary melatonin concentrations at the same circadian phases and to subjective sleepiness ratings. The magnitude of pupil constriction was determined from minimal pupil size. The post-stimulus pupil response was assessed from the pupil size at 6 seconds following light offset, the area within the redilation curve, and the exponential rate of redilation. RESULTS: Among the measured parameters, the pupil size 6 seconds after light offset correlated with melatonin concentrations (P < 0.05) and showed a significant modulation over 24 hours with maximal values after the nocturnal peak of melatonin secretion. In contrast, the post-stimulus pupil response following red light stimulation correlated with subjective sleepiness (P < 0.05) without significant changes over 24 hours. CONCLUSIONS: The post-stimulus pupil response to blue light as a marker of intrinsic melanopsin activity demonstrated a circadian modulation. In contrast, the effect of sleepiness was more apparent in the cone contribution to the pupil response. Thus, pupillary responsiveness to light is under influence of the endogenous circadian clock and subjective sleepiness.

Surfactant palmitoylmyristoylphosphatidylcholine is a marker for alveolar size during disease.

Two common lung-related complications in the neonate are respiratory distress syndrome, which is associated with a failure to generate low surface tension at the air-liquid interface because of pulmonary surfactant insufficiency, and bronchopulmonary dysplasia (BPD), a chronic lung injury with reduced alveolarization. Surfactant phosphatidylcholine (PC) molecular species composition during alveolarization has not been examined. Mass spectrometry analysis of bronchoalveolar lavage fluid of rodents and humans revealed significant changes in surfactant PC during alveolar development and BPD. In rats, total PC content rose during alveolarization, which was caused by an increase in palmitoylmyristoyl-PC (16:0/14:0PC) concentration. Furthermore, two animal models of BPD exhibited a specific reduction in 16:0/14:0PC content. In humans, 16:0/14:0PC content was specifically decreased in patients with BPD and emphysema compared with patients without alveolar pathology. Palmitoylmyristoyl-PC content increased with increasing intrinsic surfactant curvature, suggesting that it affects surfactant function in the septating lung. The changes in acyl composition of PC were attributed to type II cells producing an altered surfactant during alveolar development. These data are compatible with extracellular surfactant 16:0/14:0PC content being an indicator of alveolar architecture of the lung.

Differential monocular vs. binocular pupil responses from melanopsin-based photoreception in patients with anterior ischemic optic neuropathy.

We examined the effect of anterior ischemic optic neuropathy (AION) on the activity of intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) using the pupil as proxy. Eighteen patients with AION (10 unilateral, 8 bilateral) and 29 age-matched control subjects underwent chromatic pupillometry. Red and blue light stimuli increasing in 0.5 log steps were presented to each eye independently under conditions of dark and light adaptation. The recorded pupil contraction was plotted against stimulus intensity to generate scotopic and photopic response curves for assessment of synaptically-mediated ipRGC activity. Bright blue light stimuli presented monocularly and binocularly were used for melanopsin activation. The post-stimulus pupil size (PSPS) at the 6th second following stimulus offset was the marker of intrinsic ipRGC activity. Finally, questionnaires were administered to assess the influence of ipRGCs on sleep. The pupil response and PSPS to all monocularly-presented light stimuli were impaired in AION eyes, indicating ipRGC dysfunction. To binocular light stimulation, the PSPS of AION patients was similar to that of controls. There was no difference in the sleep habits of the two groups. Thus after ischemic injury to one or both optic nerves, the summated intrinsic ipRGC activity is preserved when both eyes receive adequate light exposure.