Development of electrochemical nitrite biosensors using cytochrome c nitrite reductase from Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Development and application of NMR techniques to study water-in-CO2 microemulsions

Self-assembly is a phenomenon that occurs frequently throughout the universe. In this work, two self-assembling systems were studied: the formation of reverse micelles in isooctane and in supercritical CO2 (scCO2), and the formation of gels in organic solvents. The goal was the physicochemical study of these systems and the development of an NMR methodology to study them. In this work, AOT was used as a model molecule both to comprehensively study a widely researched system water/AOT/isooctane at different water concentrations and to assess its aggregation in supercritical carbon dioxide at different pressures. In order to do so an NMR methodology was devised, in which it was possible to accurately determine hydrodynamic radius of the micelle (in agreement with DLS measurements) using diffusion ordered spectroscopy (DOSY), the micellar stability and its dynamics. This was mostly assessed by 1H NMR relaxation studies, which allowed to determine correlation times and size of correlating water molecules, which are in agreement with the size of the shell that interacts with the micellar layer. The encapsulation of differently-sized carbohydrates was also studied and allowed to understand the dynamics and stability of the aggregates in such conditions. A W/CO2 microemulsion was prepared using AOT and water in scCO2, with ethanol as cosurfactant. The behaviour of the components of the system at different pressures was assessed and it is likely that above 130 bar reverse microemulsions were achieved. The homogeneity of the system was also determined by NMR. The formation of the gel network by two small molecular organogelators in toluene-d8 was studied by DOSY. A methodology using One-shot DOSY to perform the spectra was designed and applied with success. This yielded an understanding about the role of the solvent and gelator in the aggregation process, as an estimation of the time of gelation.

Estudo da influência de nanotubos de carbono funcionalizados nas propriedades de revestimentos de poliuretano

Dissertação de mestrado em Propriedades e Tecnologias de Polímeros

Preparação de suspensões aquosas de nanopartículas de carbono para deposição em superfícies

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Development and characterization of lipid-based nanosystems for controlled release of bioactive compounds

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica.

Chemical functionalization in bionanoparticles

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

Preparació de materials híbrids orgànico-inorgànics a partir de sals d'imidazoli

Estudi elaborat a partir d’una estada a l’ Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier, França, durant 2006. S’han sintetitzat materials híbrids orgànico-inorgànics mitjançant el procés sol-gel i altres estratègies sintètiques. En alguns casos, s’ha intentat estructurar aquests materials, ja sigui per autoestructuració o per mitjà de tensioactius. Com a catalitzadors de les reaccions d'hidròlisi i policondensació s’han utilitzat àcids, bases i fluorurs. Els materials obtinguts s’han caracteritzat mitjançant diferents tècniques: BET (Brunauer-Emmett-Teller), TEM (microscopia electrònica de transmissió), SEM (microscòpia electrònica de rastreig), raigs X en pols , IR i RMN (ressonància magnètica nuclear) en estat sòlid. Amb aquests materials es pretén preparar catalitzadors heterogenis de Pd per reaccions d’acoblament creuat, i de Ru per reaccions de metàtesi. També s’han sintetitzat sals d'imidazoli amb cadenes hidrocarbonades llargues amb l'objectiu de preparar gels de sílice amb aquestes molècules atrapades dins la matriu inorgànica. Aquests materials s’utilitzaran com a organocatalitzadors i també es prepararan els corresponents catalitzadors de Pd per reaccions de Heck, Suzuki i Sonogashira. Les sals d’imidazoli s’han utilitzat com a tensioactius en la preparació de gels de sílice estructurats. Aquestes molècules han resultat ser cristalls líquids i s’han caracteritzar mitjançant DSC (differential scanning calorimetry), microscopia òptica i raigs X.

Preparació i caracterització de materials mesoporosos en sistemes tensioactius

Estudi elaborat a partir d’una estada a la Universitat Nacional de Yokohama des de maig fins a mitjans de juny del 2006. S'ha estudiat el comportament fàssic i la preparació de sílica mesoporosa pels nous tensioactius fluorats d'estructura C8F17SO2(C3H7)N(C2H4O)nH (abreujat C8F17(EO)n. El tensioactiu C8F17(EO)n forma micel•les allargades i cristalls líquids en aigua, i per tant pot ser adequat per a la preparació de materials mesoporosos. Sílica mesoestructurada es va preparar pel mètode de precipitació per autoagregació cooperativa. Un estudi sistemàtic es va realitzar, investigant la influència de les concentracions de tensioactiu i precursor (TEOS), l’efecte del pH i de la longitud de cadena de poliòxid d’etilè. Els materials es van caracteritzar per raigs X a angle petit (SAXS), sorció de nitrògen i TEM. Els materials obtinguts presenten diàmetres de por petits i parets de por gruixudes. A més, aquests materials posseeixen altes superfícies específiques, que s’han obtingut emprant concentracions de tensioactiu petites, produint parets de por robustes sense microporositat significativa. La superfície específica es manté durant el procés de calcinació, malgrat un petit encongiment degut a l’entrecreuament de la sílica. Els materials de sílica obtinguts han mostrat ser significativament més robustos que altres materials similars descrits a la bibliografia, com la sílica MCM-41.

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.

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.

Experimental and computational study on the synthesis and characterization of self-assembling meso/macroporous materials in highly concentrated emulsions

Report for the scientific sojourn carried out at Massachusetts General Hospital Cancer Center-Harvard Medical School, Estats Units, from 2010 to 2011. The project aims to study the aggregation behavior of amphiphilic molecules in the continuous phase of highly concentrated emulsions, which can be used as templates for the synthesis of meso/macroporous materials. At this stage of the project, we have investigated the self-assembly of diblock and triblock surfactants under the effect of a confined geometry being surrounded by the droplets of the dispersed phase. These droplets limit the growth of the aggregates, deeply modify their orientation and hence alter their spatial arrangement as compared to the self-assembly taking place far enough from any boundary surface, that is in the bulk. By performing Monte Carlo simulations, we have showed that the interface between the dispersed and continuous phases as well as its shape has a significant impact on the structural order of the resulting aggregates and hence on the potential applications of highly concentrated emulsions as reaction media, drug delivery systems, or templates for meso/macroporous materials. Due to the combined effect of symmetry breaking and morphological frustration, very intriguing structures, such as square columnar liquid crystals, twisted X-shaped aggregates, and helical phases of cylindrical aggregates, never observed in the bulk for the same model surfactant, have been found. The presence of other more conventional structures, such as micelles and cubic and hexagonal liquid crystals, formed at low and high amphiphilic concentrations, respectively, further enhance the interest on this already rich aggregation behavior.

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.