Regulation of excitotoxicity in thiamine deficiency : role of glutamate transporters.

L’excitotoxicité est un mécanisme physiopathologique majeur impliqué dans la pathogenèse de la déficience en thiamine (DT). Dans les régions cérébrales vulnérables à la DT, on observe une mort cellulaire induite par excitotoxicité dont l’origine semble être la conséquence d’une perturbation du métabolisme énergétique mitochondrial, d’une dépolarisation membranaire soutenue et d’une diminution de l’absorption du glutamate par les astrocytes suite à la diminution de l’expression des transporteurs EAAT1 et EAAT2. Il est clairement établi que le glutamate joue un rôle central dans l’excitotoxicité lors de la DT. Ainsi, la mise en évidence des mécanismes impliqués dans la diminution de l’expression des transporteurs du glutamate est essentielle à la compréhension de la physiopathologie de la DT. L’objectif de cette thèse consiste en l’étude de la régulation des transporteurs astrocytaires du glutamate et la mise au point de stratégies thérapeutiques ciblant la pathogenèse de l’excitotoxicité lors de l’encéphalopathie consécutive à la DT. Les principaux résultats de cette thèse démontrent des perturbations des transporteurs du glutamate à la fois dans des modèles animaux de DT et dans des astrocytes en culture soumis à une DT. La DT se caractérise par la perte du variant d’épissage GLT-1b codant pour un transporteur du glutamate dans le thalamus et le colliculus inférieur, les régions cérébrales affectées lors d’une DT, en l’absence de modification des niveaux d’ARNm. Ces résultats suggèrent une régulation post-transcriptionnelle de l’expression des transporteurs du glutamate en condition de DT. Les études basées sur l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des facteurs de transcription NFkB et de l’enzyme nucléaire poly(ADP)ribose polymérase-1 (PARP-1) démontrent que la régulation de l’expression du transporteur GLT-1 est sous le contrôle de voies de signalisation NFkB dépendantes de PARP-1. Cette étude démontre une augmentation de l’activation de PARP-1 et de NFkB dans les régions vulnérables chez le rat soumis à une DT et en culture d’astrocytes DT. L’inhibition pharmacologique du facteur de transcription NFkB par le PDTC induit une augmentation des niveaux d’expression de GLT-1, tandis que l’inhibition de PARP-1 par le DPQ conduit à l’inhibition de l’hyperactivation de NFkB observée lors de DT. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de régulation des transporteurs du glutamate par l’activation de PARP-1. L’accumulation de lactate est une caractéristique de la DT. Un traitement avec le milieu de culture d’astrocytes en condition de DT sur des cultures d’astrocytes naïfs induit une diminution de l’expression de GLT-1 ainsi qu’une inhibition de la capacité d’absorption du glutamate par les astrocytes naïfs. En revanche, l’administration de lactate exogène ne modifie pas le niveau d’expression protéique de GLT-1. Ainsi, des facteurs solubles autres que le lactate sont sécrétés par des astrocytes en condition de perturbation métabolique et peuvent potentiellement réguler l’activité des transporteurs du glutamate et contribuer à la pathogenèse du syncytium astroglial. En outre, la ceftriaxone, un antibiotique de la famille des β-lactamines, augmente de façon différentielle l’expression du variant-d’épissage GLT-1 dans le colliculus inférieur chez le rat DT et en culture d’astrocytes DT. Ces résultats suggèrent que la ceftriaxone peut constituer une avenue thérapeutique dans la régulation de l’activité des transporteurs du glutamate lors de DT. Pour conclure, la mort cellulaire d’origine excitotoxique lors de DT survient en conséquence d’une dysfonction mitochondriale associée à une perturbation du métabolisme énergétique cérébral. La modification de l’expression des transporteurs du gluatamate est sous le contrôle des voies de signalisation NFkB dépendantes du facteur PARP-1. De plus, l’inhibition métabolique et l’augmentation des sécrétions de lactate observées lors de DT peuvent également constituer un autre mécanisme physiopathologique expliquant la diminution d’expression des transporteurs de glutamate. Enfin, la ceftriaxone pourrait représenter une stratégie thérapeutique potentielle dans le traitement de la régulation de l’expression des transporteurs du glutamate et de la perte neuronale associés à l’excitotoxicité observée lors de DT.

L’inhibition des cytochromes P450 dans les cas d’insuffisance rénale chronique : rôle de l’hormone parathyroïdienne.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une réduction du métabolisme de plusieurs médicaments, due à une diminution du cytochrome P450 (CYP450) hépatique. Nos études précédentes ont montré que l’IRC affecte l’activité in vivo et in vitro, de même que l’expression protéique et génique des différents isoformes du CYP450, via la présence du sérum urémique et de l’hormone parathyroïdienne (PTH). Ce projet de doctorat se divise en quatre parties. Premièrement, nous avons développé une méthode d’analyse de l’activité du CYP450, à l’aide de la production du 3-hydroxy-5,5-dimethyl-4-[4-(methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFH) à partir du 3-[(3,4-difluorobenzyl)oxy]-5,5-dimethyl-4-[4-methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFB). Cette méthode nous a permis de mieux quantifier l’activité dans les études subséquentes. Deuxièmement, l’activité du CYP450 3A est diminuée chez les patients atteints d’IRC. De plus, il a déjà été démontré que des toxines urémiques dialysables seraient impliquées puisque l’hémodialyse prévient cette inhibition du CYP450. Par contre, le mécanisme expliquant l’amélioration transitoire la composition du sérum de patients atteints d’IRC par l’hémodialyse n’est pas connu. L’objectif du projet est d’évaluer l’effet de l’hémodialyse sur l’expression protéique et génique, de même que sur l’activité du CYP450 3A2 dans un modèle d’hépatocytes de rat en culture. Troisièmement, la déficience en calcidiol est fréquente dans les cas d’IRC et l’étiologie est peu connue. Nous avons récemment montré que l’IRC est associée à une diminution du métabolisme des médicaments par le foie suite à une réduction des différents isoformes du CYP450 en partie médiée par l’hormone parathyroïdienne (PTH). La 25-hydroxylation de la vitamine D, au niveau du foie, permet la formation du calcidiol par différents isoformes du CYP450 (CYP2C11, 27A1, 2R1, 3A2 et 2J3) et pourrait être ainsi altérée en présence d’IRC. Les objectifs de cette étude sont de a) confirmer la diminution de synthèse de calcidiol en présence d’IRC et b) évaluer le rôle de la PTH dans la déficience en calcidiol. Finalement, afin de mieux comprendre les inhibitions du CYP450, nous avons étudié les voies de signalisation impliquées dans la régulation du CYP450 en présence d’IRC et avec la PTH puisque les mécanismes d’action demeurent imprécis. La contribution des facteurs de transcription et des récepteurs nucléaires suivants est étudiée ; le récepteur pregnane X (PXR), le récepteur constitutif androstane (CAR) et le facteur nucléaire kappa B (NF-κB), puisqu’ils sont potentiellement activés par le récepteur de la PTH et ces molécules ont été précédemment impliqués dans la régulation du CYP450. Les résultats obtenus montrent que l’hémodialyse des patients atteints d’IRC améliore transitoirement l’expression du CYP450 lorsque des hépatocytes sont mis en culture avec du sérum provenant de ces patients. Aussi, la 25-hydroxylation de la vitamine D est affectée par l’IRC. Les voies de signalisation du NF-κB et les facteurs nucléaires PXR et CAR sont impliqués dans l’inhibition du CYP450. En conclusion, l’IRC affecte, non seulement le métabolisme des médicaments mais aussi l’hydroxylation de la vitamine D, un des rôles endogènes effectués par le CYP450. Ces études nous permettent de mieux comprendre les effets de l’IRC afin de mieux cibler les traitements de choix pour les patients qui en sont atteints.

Caractérisation des processus moléculaires impliqués dans l’activation de la protéine IKKbeta par l'angiotensine II et son rôle dans la réponse phénotypique des CMLV.

Le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) régule l’homéostasie de la contraction des artères. Or, suivant la liaison de l’angiotensine II (Ang II) à son récepteur AT1, le SRAA est également impliqué dans l’activation de voies de signalisation à l’origine de l’inflammation et de l’hypertrophie des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV), soit deux processus participant au remodelage vasculaire caractéristique de diverses maladies cardiovasculaires, telles l’hypertension et l’athérosclérose. Ces pathologies sont les premières causes de mortalité naturelle en Amérique et les traitements les ciblant ne sont pas optimaux puisqu’ils visent seulement quelques facteurs de risque qui leur sont associés. Ainsi, la détermination des effecteurs intracellulaires régulant ces voies délétères est nécessaire à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. L’inflammation Ang II-dépendante dans les CMLV est attribuée au facteur de transcription nuclear factor-kappa B (NF-κB). Cependant, les processus moléculaires couplant le récepteur AT1 à son activation sont peu caractérisés. L’étude abordant cette question démontre in vitro que NF-κB est activé par la protéine IκB kinase β (IKKβ) dans les CMLV exposées à l’Ang II et que cette kinase est régulée par deux voies de signalisation indépendantes, mais complémentaires afin d’assurer son activation rigoureuse et soutenue. L’une des voies est précoce et dépend des seconds messagers ainsi que de deux nouveaux effecteurs sous-jacents au récepteur AT1, soit la E3 ligase TNF receptor-associated factor 6 (TRAF6) et la IKK kinase transforming growth factor-beta-activated kinase 1 (TAK1) tandis que la seconde est tardive et résulte de la signalisation mitogen-activated protein kinase kinase 1/2 (MEK1/2) - extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) - ribosomal S6 kinase (RSK). L’inhibition conjointe de ces voies abroge complètement la réponse inflammatoire, ce qui indique qu’elles en sont la seule source. Ainsi, l’inhibition d’IKKβ pourrait suffire à contrer l’inflammation impliquée dans le remodelage vasculaire associé à une suractivation du SRAA. Une découverte des plus novatrices découle de cette étude, qui veut que la E3 ligase TRAF6 est un nouvel effecteur des récepteurs couplés aux protéines G et est à l’origine de la formation d’un nouveau type de second messager, soit des chaînes libres de poly-ubiquitines. Les mécanismes moléculaires à la base de l’hypertrophie Ang II-dépendante dans les CMLV sont également peu définis. Or, suivant la parution d’un article démontrant qu’IKKβ dans les cellules cancéreuses participe aux mécanismes d’initiation de la traduction en réponse au facteur de nécrose tumorale α (TNFα) via la phosphorylation de la protéine Tuberous sclerosis 1 (TSC1) et donc l’activation du complexe mammalian target of rapamycin (mTORC1), une hypothèse a été émise selon laquelle cette kinase serait impliquée dans la synthèse protéique Ang II-dépendante dans les CMLV. Les expériences effectuées in vitro dans des CMLV exposées à l’Ang II démontrent qu’IKKβ induit la phosphorylation de TSC1 ainsi que l’activation de mTORC1 et de ses substrats S6 kinase 1 (S6K1) et translational regulators eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein (4E-BP1), deux protéines impliquées directement dans l’hypertrophie. Par ailleurs, la synthèse protéique au niveau des CMLV exposées à l’Ang II est réduite de 75% suivant la diminution de l’expression d’IKKβ et suivant la surexpression d’un mutant de TSC1 dont le site consensus d’IKKβ a été modifié, faisant de cette kinase un médiateur majeur au niveau de ce processus. Ainsi, in vitro IKKβ en réponse à l’Ang II est en amont de deux processus impliqués dans un remodelage vasculaire à l’origine de maladies cardiovasculaires. De plus, plusieurs facteurs de risque de ces pathologies convergent à l’activation d’IKKβ, ce qui en fait une cible thérapeutique particulièrement attrayante. Qui plus est, l’administration d’un inhibiteur d’IKKβ à des rats diminue non seulement la synthèse protéique dépendante de l’Ang II au niveau de l’aorte et des artères mésentériques, mais également la synthèse de la protéine pro-inflammatoire VCAM-1 par les cellules composant l’aorte, ce qui confirme son envergure en tant que cible.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.

Free radicals, metals and antioxidants in oxidative stress-induced cancer

Oxygen-free radicals, more generally known as reactive oxygen species (ROS) along with reactive nitrogen species (RNS) are well recognised for playing a dual role as both deleterious and beneficial species. The "two-faced" character of ROS is substantiated by growing body of evidence that ROS within cells act as secondary messengers in intracellular signalling cascades, which induce and maintain the oncogenic phenotype of cancer cells, however, ROS can also induce cellular senescence and apoptosis and can therefore function as anti-tumourigenic species. The cumulative production of ROS/RNS through either endogenous or exogenous insults is termed oxidative stress and is common for many types of cancer cell that are linked with altered redox regulation of cellular signalling pathways. Oxidative stress induces a cellular redox imbalance which has been found to be present in various cancer cells compared with normal cells; the redox imbalance thus may be related to oncogenic stimulation. DNA mutation is a critical step in carcinogenesis and elevated levels of oxidative DNA lesions (8-OH-G) have been noted in various tumours, strongly implicating such damage in the etiology of cancer. It appears that the DNA damage is predominantly linked with the initiation process. This review examines the evidence for involvement of the oxidative stress in the carcinogenesis process. Attention is focused on structural, chemical and biochemical aspects of free radicals, the endogenous and exogenous sources of their generation, the metal (iron, copper, chromium, cobalt, vanadium, cadmium, arsenic, nickel)-mediated formation of free radicals (e.g. Fenton chemistry), the DNA damage (both mitochondrial and nuclear), the damage to lipids and proteins by free radicals, the phenomenon of oxidative stress, cancer and the redox environment of a cell, the mechanisms of carcinogenesis and the role of signalling cascades by ROS; in particular. ROS activation of AP-1 (activator protein) and NF-kappa B (nuclear factor kappa B) signal transduction pathways, which, in turn lead to the transcription of genes involved in cell growth regulatory pathways. The role of enzymatic (superoxide dismutase (Cu. Zn-SOD. Mn-SOD), catalase, glutathione peroxidase) and non-enzymatic antioxidants (Vitamin C, Vitamin E, carotenoids, thiol antioxidants (glutathione, thioredoxin and lipoic acid), flavonoids, selenium and others) in the process of careinogenesis as well as the antioxidant interactions with various regulatory factors, including Ref-1, NF-kappa B, AP-1 are also reviewed. 2006 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Signaling via NF-kappaB in the nervous system

Nuclear factor kappa B (NF-kappaB) is an inducible transcription factor present in neurons and glia. Recent genetic models identified a role for NF-kappaB in neuroprotection against various neurotoxins. Furthermore, genetic evidence for a role in learning and memory is now emerging. This review highlights our current understanding of neuronal NF-kappaB in response to synaptic transmission and summarizes potential physiological functions of NF-kappaB in the nervous system. This article contains a listing of NF-kappaB activators and inhibitors in the nervous system, furthermore specific target genes are discussed. Synaptic NF-kappaB activated by glutamate and Ca2+ will be presented in the context of retrograde signaling. A controversial role of NF-kappaB in neurodegenerative diseases will be discussed. A model is proposed explaining this paradox as deregulated physiological NF-kappaB activity, where novel results are integrated, showing that p65 could be turned from an activator to a repressor of anti-apoptotic genes.

Potential role of NF-kappaB in adult neural stem cells: the underrated steersman?

Neural stem cells are precursors of neurons and glial cells. During brain development, these cells proliferate, migrate and differentiate into specific lineages. Recently neural stem cells within the adult central nervous system were identified. Informations are now emerging about regulation of stem cell proliferation, migration and differentiation by numerous soluble factors such as chemokines and cytokines. However, the signal transduction mechanisms downstream of these factors are less clear. Here, we review potential evidences for a novel central role of the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-kappaB) in these crucial signal transduction processes. NF-kappaB is an inducible transcription factor detected in neurons, glia and neural stem cells. NF-kappaB was discovered by David Baltimore's laboratory as a transcription factor in lymphocytes. NF-kappaB is involved in many biological processes such as inflammation and innate immunity, development, apoptosis and anti-apoptosis. It has been recently shown that members of the NF-kappaB family are widely expressed by neurons, glia and neural stem cells. In the nervous system, NF-kappaB plays a crucial role in neuronal plasticity, learning, memory consolidation, neuroprotection and neurodegeneration. Recent data suggest an important role of NF-kappaB on proliferation, migration and differentiation of neural stem cells. NF-kappaB is composed of three subunits: two DNA-binding and one inhibitory subunit. Activation of NF-kappaB takes place in the cytoplasm and results in degradation of the inhibitory subunit, thus enabling the nuclear import of the DNA-binding subunits. Within the nucleus, several target genes could be activated. In this review, we suggest a model explaining the multiple action of NF-kappaB on neural stem cells. Furthermore, we discuss the potential role of NF-kappaB within the so-called brain cancer stem cells.

Mathematical model for NF-kappaB-driven proliferation of adult neural stem cells

Neural stem cells (NSCs) are early precursors of neuronal and glial cells. NSCs are capable of generating identical progeny through virtually unlimited numbers of cell divisions (cell proliferation), producing daughter cells committed to differentiation. Nuclear factor kappa B (NF-kappaB) is an inducible, ubiquitous transcription factor also expressed in neurones, glia and neural stem cells. Recently, several pieces of evidence have been provided for a central role of NF-kappaB in NSC proliferation control. Here, we propose a novel mathematical model for NF-kappaB-driven proliferation of NSCs. We have been able to reconstruct the molecular pathway of activation and inactivation of NF-kappaB and its influence on cell proliferation by a system of nonlinear ordinary differential equations. Then we use a combination of analytical and numerical techniques to study the model dynamics. The results obtained are illustrated by computer simulations and are, in general, in accordance with biological findings reported by several independent laboratories. The model is able to both explain and predict experimental data. Understanding of proliferation mechanisms in NSCs may provide a novel outlook in both potential use in therapeutic approaches, and basic research as well.

Antimicrobial Photodynamic Therapy in the Non-Surgical Treatment of Aggressive Periodontitis: Cytokine Profile in Gingival Crevicular Fluid, Preliminary Results

Background: Aggressive periodontitis is a specific form of periodontal disease that is characterized by rapid attachment loss and bone destruction. Cytokine profiles are of considerable value when studying disease course during treatment. The aim of this trial was to investigate cytokine levels in the gingival crevicular fluid (GCF) of patients with aggressive periodontitis, after treatment with photodynamic therapy (PDT) or scaling and root planing (SRP), in a split-mouth design on -7, 0, +1, +7, +30, and +90 days. Methods: Ten patients were randomly treated with PDT using a laser source associated with a photosensitizer or SRP with hand instruments. GCF samples were collected, and the concentrations of tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) and receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand (RANKL) were determined by enzyme-linked immunosorbent assays. The data were analyzed using generalized estimating equations to test the associations among treatments, evaluated parameters, and experimental times (alpha = 0.05). Results: Non-surgical periodontal treatment with PDT or SRP led to statistically significant reductions in TNF-alpha level 30 days following treatment. There were similar levels of TNF-alpha and RANKL at the different time points in both groups, with no statistically significant differences. Conclusion: SRP and PDT had similar effects on crevicular TNF-alpha and RANKL levels in patients with aggressive periodontitis. J Periodontol 2009;80:98-105.

Melatonin inhibits LPS-induced NO production in rat endothelial cells

Endothelial cells produce NO by activation of constitutive nitric oxide synthase (NOS) and transcription of inducible NOS (iNOS). We have previously shown that melatonin, in the nanomolar range, inhibits activation of constitutive NOS, and in the present paper, we evaluated whether it could interfere with the expression of iNOS, which is activated by lipopolysaccharide (LPS), a major component of gram-negative bacteria cell walls. Primary cultures of rat endothelial cells were loaded with fluorescent probe for NO detection. Nuclear factor kappa B (NF-kappa B) translocation in endothelial cells elicited by LPS was measured by electromobility shift assay, and the vasodilation of aortic rings was accessed by recording isometric contraction. Melatonin in a micromolar but not in a nanomolar range inhibits the NO production induced by LPS. This effect is not dependent on the activation of G protein-coupled melatonin receptors. The nuclear NF-kappa B translocation is a process necessary for iNOS transcription, and melatonin also inhibits its translocation. LPS induced vasodilation only in endothelium-intact aortic rings, and melatonin (10 mu m) inhibits the vasodilation. Here, we show that concentrations compatible with nocturnal melatonin surge (nm) did not interfere with the activity of iNOS. Considering that micromolar melatonin concentrations could be locally achieved through production by activated immune competent cells, extra-pineal melatonin could have a protective effect against tissue injury. We propose that melatonin blocked the LPS-induced vasodilation by inhibiting the NF-kappa B pathway. Finally, we propose that the effect of melatonin on vascular reactivity is one of the mechanisms that underlies the protective effect of this indolamine against LPS.

TLR4 and CD14 receptors expressed in rat pineal gland trigger NFKB pathway

Nuclear factor-kappa B (NFKB), a pivotal player in inflammatory responses, is constitutively expressed in the pineal gland. Corticosterone inhibits pineal NFKB leading to an enhancement of melatonin production, while tumor necrosis factor (TNF) leads to inhibition of Aa-nat transcription and the production of N-acetylserotonin in cultured glands. The reduction in nocturnal melatonin surge favors the mounting of the inflammatory response. Despite these data, there is no clear evidence of the ability of the pineal gland to recognize molecules that signal infection. This study investigated whether the rat pineal gland expresses receptors for lipopolysaccharide (LPS), the endotoxin from the membranes of Gram-negative bacteria, and to establish the mechanism of action of LPS. Here, we show that pineal glands possess both CD14 and toll-like receptor 4 (TLR4), membrane proteins that bind LPS and trigger the NFKB pathway. LPS induced the nuclear translocation of p50/p50 and p50/RELA dimers and the synthesis of TNF. The maximal expression of TNF in cultured glands coincides with an increase in the expression of TNF receptor 1 (TNFR1) in isolated pinealocytes. In addition, LPS inhibited the synthesis of N-acetylserotonin and melatonin. Therefore, the pineal gland transduces Gram-negative endotoxin stimulation by producing TNF and inhibiting melatonin synthesis. Here, we provide evidence to reinforce the idea of an immune-pineal axis, showing that the pineal gland is a constitutive player in the innate immune response.

Arachidonic acid actions on functional integrity and attenuation of the negative effects of palmitic acid in a clonal pancreatic beta-cell line

Chronic exposure of pancreatic beta-cells to saturated non-esterified fatty acids can lead to inhibition of insulin secretion and apoptosis. Several previous studies have demonstrated that saturated fatty acids such as PA (palmitic acid) are detrimental to beta-cell function compared with unsaturated fatty acids. In the present study, we describe the effect of the polyunsaturated AA (arachidonic acid) on the function of the clonal pancreatic beta-cell line BRIN-BD11 and demonstrate AA-dependent attenuation of PA effects. When added to beta-cell incubations at 100 mu M, AA can stimulate cell proliferation and chronic (24 h) basal insulin secretion. Microarray analysis and/or real-time PCR indicated significant AA-dependent up-regulation of genes involved in proliferation and fatty acid metabolism [e.g. Angptl (angiopoietin-like protein 4), Ech1 (peroxisomal Delta(3.5),Delta(2.4)-dienoyl-CoA isomerase), Cox-1 (cyclo-oxygenase-1) and Cox-2, P < 0.05]. Experiments using specific COX and LOX (lipoxygenase) inhibitors demonstrated the importance of COX-1 activity for acute (20 min) stimulation of insulin secretion, suggesting that AA metabolites may be responsible for the insulinotropic effects. Moreover, concomitant incubation of AA with PA dose-dependently attenuated the detrimental effects of the saturated fatty acid, so reducing apoptosis and decreasing parameters of oxidative stress [ROS (reactive oxygen species) and NO levels] while improving the GSH/GSSG ratio. AA decreased the protein expression of iNOS (inducible NO synthase), the p65 subunit of NF-kappa B (nuclear factor kappa B) and the p47 subunit of NADPH oxidase in PA-treated cells. These findings indicate that AA has an important regulatory and protective beta-cell action, which may be beneficial to function and survival in the `lipotoxic` environment commonly associated with Type 2 diabetes mellitus.

Suppressive effect of short-chain fatty acids on production of proinflammatory mediators by neutrophils

Short chain fatty acids (SCFAs) are fermentation products of anaerobic bacteria. More than just being an important energy source for intestinal epithelial cells, these compounds are modulators of leukocyte function and potential targets for the development of new drugs. The aim of this study was to evaluate the effects of SCFAs (acetate, propionate and butyrate) on production of nitric oxide (NO) and proinflammatory cytokines [tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) and cytokine-induced neutrophil chemoattractant-2 (CINC-2 alpha beta)] by rat neutrophils. The involvement of nuclear factor kappa B (NF-kappa B) and histone deacetylase (HDAC) was examined. The effect of butyrate was also investigated in vivo after oral administration of tributyrin (a pro-drug of butyrate). Propionate and butyrate diminished TNF-alpha, CINC-2 alpha beta and NO production by LPS-stimulated neutrophils. We also observed that these fatty acids inhibit HDAC activity and NF-kappa B activation, which might be involved in the attenuation of the LPS response. Products of cyclooxygenase and 5-lipoxygenase are not involved in the effects of SCFAs as indicated by the results obtained with the inhibitors of these enzymes. The recruitment of neutrophils to the peritonium after intraperitoneal administration of a glycogen solution (1%) and the ex vivo production of cytokines and NO by neutrophils were attenuated in rats that previously received tributyrin. These results argue that this triglyceride may be effective in the treatment of inflammatory conditions. Crown Copyright (C) 2011 Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

In vivo hydroquinone exposure alters circulating neutrophil activities and impairs LPS-induced lung inflammation in mice

Hydroquinone (HQ) is an environmental contaminant which causes immune toxicity. In this study, the effects of exposure to low doses of HQ on neutrophil mobilization into the LPS-inflamed lung were investigated. Male Swiss mice were exposed to aerosolized vehicle (control) or 12.5, 25 or 50 ppm HQ (1 h/day for 5 days). One hour later, oxidative burst, cell cycle. DNA fragmentation and adhesion molecules expressions in circulating neutrophils were determined by flow cytometry, and plasma malondialdehyde (MDA) levels were measured by HPLC. Also, 1 h later the last exposures, inflammation was induced by LPS inhalation (0.1 mg/ml/10 min) and 3 h later, the numbers of leukocytes in peripheral blood and in the bronchoalveolar lavage fluid (BALF) were determined using a Neubauer chamber and stained smears; adhesion molecules expressed on lung microvessel endothelial cells were quantified by immunohistochemistry; myeloperoxidase (MPO) activity was measured in the lung tissue by colorimetric assay; and cytokines in the BALF were determined by ELISA. In vivo HQ exposure augmented plasma MDA levels and oxidative activity of neutrophils, but did not cause alterations in cell cycle and DNA fragmentation. Under these conditions, the number of circulating leukocytes was not altered, but HQ exposure reduced LPS-induced neutrophil migration into the alveolar space, as these cells remained in the lung tissue. The impaired neutrophil migration into BALF may not be dependent on reduced cytokines secretions in the BALF and lung endothelial adhesion molecules expressions. However, HQ exposure increased the expression of beta(2) and beta(3) integrins and platelet-endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) in neutrophils, which were not further enhanced by fMLP in vitro stimulation, indicating that HQ exposure activates circulating neutrophils, impairing further stimulatory responses. Therefore, it has been shown, for the first time, that neutrophils are target of lower levels of in vivo HQ exposure, which may be considered in host defense in infectious diseases. (C) 2011 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Glucocorticoids Exacerbate Lipopolysaccharide-Induced Signaling in the Frontal Cortex and Hippocampus in a Dose-Dependent Manner

Although the anti-inflammatory actions of glucocorticoids (GCs) are well established, evidence has accumulated showing that proinflammatory GC effects can occur in the brain, in a poorly understood manner. Using electrophoretic mobility shift assay, real-time PCR, and immunoblotting, we investigated the ability of varying concentrations of corticosterone (CORT, the GC of rats) to modulate lipopolysaccharide (LPS)-induced activation of NF-kappa B (nuclear factor kappa B), expression of anti- and proinflammatory factors and of the MAP (mitogen-activated protein) kinase family [ERK (extracellular signal-regulated kinase), p38, and JNK/ SAPK (c-Jun N-terminal protein kinase/ stress-activated protein kinase)], and AKT. In the frontal cortex, elevated CORT levels were proinflammatory, exacerbating LPS effects on NF-kappa B, MAP kinases, and proinflammatory gene expression. Milder proinflammatory GCs effects occurred in the hippocampus. In the absence of LPS, elevated CORT levels increased basal activation of ERK1/ 2, p38, SAPK/ JNK, and AKT in both regions. These findings suggest that GCs do not uniformly suppress neuroinflammation and can even enhance it at multiple levels in the pathway linking LPS exposure to inflammation.