Primary production in systems subject to natural and anthropogenic eutrophication

Tese dout., Química, Universidade do Algarve, 2005

Contribution to fundamental aspects of biophysics, radiobiology, and modeling of cellular response to low radiation doses

Tese de doutoramento, Engenharia Biomédica e Biofísica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Aerosol-Radiation Feedback and PM10 Air Concentrations Over Poland

We have implemented the WRF-Chem model version 3.5 over Poland to quantify the direct and indirect feedback effects of aerosols on simulated meteorology and aerosol concentrations. Observations were compared with results from three simulations at high spatial resolutions of 5 × 5 km: (1) BASE—without any aerosol feedback effects; (2) DIR—with direct aerosol-radiative effects (3) INDIR—with direct and indirect aerosol-radiative effects. We study the overall effect during January 2011 as well as selected episodes of the highest differences in PM10 concentrations between the three simulations. For the DIR simulation, the decrease in monthly mean incoming solar radiation (SWDOWN) appears for the entire study area. It changes geographically, from about −8.0 to −2.0 W m−2, respectively for the southern and northern parts of the country. The highest changes do not correspond to the highest PM10 concentration. Due to the solar radiation changes, the surface mean monthly temperature (T2) decreases for 96 % of the area of Poland, but not more than 1.0 °C. Monthly mean PBLH changes by more than ±5 m for 53 % of the domain. Locally the differences in PBLH between the DIR and BASE are higher than ± 20 m. Due to the direct effect, for 84 % of the domain, the mean monthly PM10 concentrations increase by up to 1.9 µg m−3. For the INDIR simulation the spatial distribution of changes in incoming solar radiation as well as air temperature is similar to the DIR simulation. The decrease of SWDOWN is noticed for the entire domain and for 23 % of the domain is higher than −5.0 W m−2. The absolute differences of PBLH are slightly higher for INDIR than DIR but similarly distributed spatially. For daily episodes, the differences between the simulations are higher, both for meteorology and PM10 concentrations, and the pattern of changes is usually more complex. The results indicate the potential importance of the aerosol feedback effects on modelled meteorology and PM10 concentrations.

Dynamic Network Mechanisms of Relational Integration

A prominent hypothesis states that specialized neural modules within the human lateral frontopolar cortices (LFPCs) support “relational integration” (RI), the solving of complex problems using inter-related rules. However, it has been proposed that LFPC activity during RI could reflect the recruitment of additional “domain-general” resources when processing more difficult problems in general as opposed to RI specifi- cally. Moreover, theoretical research with computational models has demonstrated that RI may be supported by dynamic processes that occur throughout distributed networks of brain regions as opposed to within a discrete computational module. Here, we present fMRI findings from a novel deductive reasoning paradigm that controls for general difficulty while manipulating RI demands. In accordance with the domain- general perspective, we observe an increase in frontoparietal activation during challenging problems in general as opposed to RI specifically. Nonetheless, when examining frontoparietal activity using analyses of phase synchrony and psychophysiological interactions, we observe increased network connectivity during RI alone. Moreover, dynamic causal modeling with Bayesian model selection identifies the LFPC as the effective connectivity source. Based on these results, we propose that during RI an increase in network connectivity and a decrease in network metastability allows rules that are coded throughout working memory systems to be dynamically bound. This change in connectivity state is top-down propagated via a hierarchical system of domain-general networks with the LFPC at the apex. In this manner, the functional network perspective reconciles key propositions of the globalist, modular, and computational accounts of RI within a single unified framework.

Mechanisms of protein homeostasis in health, aging and disease.

When emerging from the ribosomes, new polypeptides need to fold properly, eventually translocate, and then assemble into stable, yet functionally flexible complexes. During their lifetime, native proteins are often exposed to stresses that can partially unfold and convert them into stably misfolded and aggregated species, which can in turn cause cellular damage and propagate to other cells. In animal cells, especially in aged neurons, toxic aggregates may accumulate, induce cell death and lead to tissue degeneration via different mechanisms, such as apoptosis as in Parkinson's and Alzheimer's diseases and aging in general. The main cellular mechanisms effectively controlling protein homeostasis in youth and healthy adulthood are: (1) the molecular chaperones, acting as aggregate unfolding and refolding enzymes, (2) the chaperone-gated proteases, acting as aggregate unfolding and degrading enzymes, (3) the aggresomes, acting as aggregate compacting machineries, and (4) the autophagosomes, acting as aggregate degrading organelles. For unclear reasons, these cellular defences become gradually incapacitated with age, leading to the onset of degenerative diseases. Understanding these mechanisms and the reasons for their incapacitation in late adulthood is key to the design of new therapies against the progression of aging, degenerative diseases and cancers.

Cellular Mechanisms of Resveratrol's Interaction with Mitochondrial Reactive Oxygen Species Metabolism

Resveratrol, a polyphenol found naturally in red wines, has attracted great interest in both the scientific community and the general public for its reported ability to protect against many of the diseases facing Western society today. While the purported health effects of resveratrol are well characterized, details of the cellular mechanisms that give rise to these observations are unclear. Here, the mitochondrial antioxidant enzyme Mn superoxide dismutase (MnSOD) was identified as a proximal target of resveratrol in vitro and in vivo. MnSOD protein and activity levels increase significantly in cultured cells treated with resveratrol, and in the brain tissue of mice given resveratrol in a high fat diet. Preventing the increase in MnSOD levels eliminates two of resveratrol’s more interesting effects in the context of human health: inhibition of proliferative cell growth and cytoprotection. Thus, the induction of MnSOD is a critical step in the molecular mechanism of resveratrol. Mitochondrial morphology is a malleable property that is capable of impeding cell cycle progression and conferring resistance against stress induced cell death. Using confocal microscopy and a novel ‘cell free’ fusion assay it was determined that concurrent with changes in MnSOD protein levels, resveratrol treatment leads to a more fused mitochondrial reticulum. This observation may be important to resveratrol’s ability to slow proliferative cell growth and confer cytoprotection. Resveratrol's biological activities, including the ability to increase MnSOD levels, are strikingly similar to what is observed with estrogen treatment. Resveratrol fails to increase MnSOD levels, slow proliferative cell growth and confer cytoprotection in the presence of an estrogen receptor antagonist. Resveratrol's effects can be replicated with the specific estrogen receptor beta agonist diarylpropionitrile, and are absent in myoblasts lacking estrogen receptor beta. Four compounds that are structurally similar to resveratrol and seven phytoestrogens predicted to bind to estrogen receptor beta were screened for their effects on MnSOD, proliferative growth rates and stress resistance in cultured mammalian cells. Several of these compounds were able to mimic the effects of resveratrol on MnSOD levels, proliferative cell growth and stress resistance in vitro. Thus, I hypothesize that resveratrol interacts with estrogen receptor beta to induce the upregulation of MnSOD, which in turn affects cell cycle progression and stress resistance. These results have important implications for the understanding of RES’s biological activities and potential applications to human health.

Cerebral edema and acute liver failure : pathophysiological mechanisms and new therapeutic approaches

L’encéphalopathie hépatique (EH) se développe chez les patients atteints d’une maladie du foie et se caractérise par de nombreuses anomalies neuropsychiatriques. L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par une perte progressive de l’état de conscience, par une augmentation rapide de l’œdème cérébral et une augmentation de la pression intracrânienne entraînant une herniation cérébrale et la mort. Plusieurs facteurs sont responsables du développement de l’EH mais depuis une centaine d’années, l’hyperammonémie qui peut atteindre des concentrations de l’ordre de plusieurs millimolaires chez les patients atteints d’IHA aux stades de coma est considérée comme un facteur crucial dans la pathogenèse de l’EH. La présente thèse comprend 4 articles suggérant l’implication de nouveaux mécanismes pathogéniques dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA et tente d’expliquer l’effet thérapeutique de l’hypothermie et de la minocycline dans la prévention de l’EH et de l’œdème cérébral: 1. L’IHA induite par dévascularisation hépatique chez le rat se caractérise par une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (IL-6, IL-1, TNF-). Cette observation constitue la première évidence directe que des mécanismes neuro-inflammatoires jouent une rôle dans la pathogenèse de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA (Chapitre 2.1, articles 1 et 2). 2. L’activation de la microglie telle que mesurée par l’expression de marqueurs spécifiques (OX42, OX-6) coïncide avec le développement de l’encéphalopathie (stade coma) et de l’œdème cérébral et s’accompagne d’une production accrue de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (Chapitre 2.1, article 1 et 2). 3. Un stress oxydatif/nitrosatif causé par une augmentation de l’expression de l’oxyde nitrique synthétase et une augmentation de la synthèse d’oxyde nitrique cérébral participe à la pathogénèse des complications neurologiques de l’IHA (Chapitre 2.3, articles 3 et 4). 4. Des traitements anti-inflammatoires tels que l’hypothermie et la minocycline peuvent constituer de nouvelles approches thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA (Chapitre 2.1, article 1; Chapitre 2.2, article 2). 5. Les effets bénéfiques de l’hypothermie et de la minocycline sur les complications neurologiques de l’IHA expérimentale s’expliquent, en partie, par une diminution du stress oxydatif/nitrosatif (Chapitre 2.3, article 3; Chapitre 2.4, article 4).

Molecular mechanisms for a switch-like mating decision in Saccharomyces cerevisiae

Les changements évolutifs nous instruisent sur les nombreuses innovations permettant à chaque organisme de maximiser ses aptitudes en choisissant le partenaire approprié, telles que les caractéristiques sexuelles secondaires, les patrons comportementaux, les attractifs chimiques et les mécanismes sensoriels y répondant. L'haploïde de la levure Saccharomyces cerevisiae distingue son partenaire en interprétant le gradient de la concentration d'une phéromone sécrétée par les partenaires potentiels grâce à un réseau de protéines signalétiques de type kinase activées par la mitose (MAPK). La décision de la liaison sexuelle chez la levure est un événement en "tout–ourien", à la manière d'un interrupteur. Les cellules haploïdes choisissent leur partenaire sexuel en fonction de la concentration de phéromones qu’il produit. Seul le partenaire à proximité sécrétant des concentrations de phéromones égales ou supérieures à une concentration critique est retenu. Les faibles signaux de phéromones sont attribués à des partenaires pouvant mener à des accouplements infructueux. Notre compréhension du mécanisme moléculaire contrôlant cet interrupteur de la décision d'accouplement reste encore mince. Dans le cadre de la présente thèse, je démontre que le mécanisme de décision de la liaison sexuelle provient de la compétition pour le contrôle de l'état de phosphorylation de quatre sites sur la protéine d'échafaudage Ste5, entre la MAPK, Fus3, et la phosphatase,Ptc1. Cette compétition résulte en la dissociation de type « intérupteur » entre Fus3 et Ste5, nécessaire à la prise de décision d'accouplement en "tout-ou-rien". Ainsi, la décision de la liaison sexuelle s'effectue à une étape précoce de la voie de réponse aux phéromones et se produit rapidement, peut-être dans le but de prévenir la perte d’un partenaire potentiel. Nous argumentons que l'architecture du circuit Fus3-Ste5-Ptc1 génère un mécanisme inédit d'ultrasensibilité, ressemblant à "l'ultrasensibilité d'ordre zéro", qui résiste aux variations de concentration de ces protéines. Cette robustesse assure que l'accouplement puisse se produire en dépit de la stochasticité cellulaire ou de variations génétiques entre individus.Je démontre, par la suite, qu'un évènement précoce en réponse aux signaux extracellulaires recrutant Ste5 à la membrane plasmique est également ultrasensible à l'augmentation de la concentration de phéromones et que cette ultrasensibilité est engendrée par la déphosphorylation de huit phosphosites en N-terminal sur Ste5 par la phosphatase Ptc1 lorsqu'elle est associée à Ste5 via la protéine polarisante, Bem1. L'interférence dans ce mécanisme provoque une perte de l'ultrasensibilité et réduit, du même coup, l'amplitude et la fidélité de la voie de réponse aux phéromones à la stimulation. Ces changements se reflètent en une réduction de la fidélité et de la précision de la morphologie attribuable à la réponse d'accouplement. La polarisation dans l'assemblage du complexe protéique à la surface de la membrane plasmique est un thème général persistant dans tous les organismes, de la bactérie à l'humain. Un tel complexe est en mesure d'accroître l'efficacité, la fidélité et la spécificité de la transmission du signal. L'ensemble de nos découvertes démontre que l'ultrasensibilité, la précision et la robustesse de la réponse aux phéromones découlent de la régulation de la phosphorylation stoichiométrique de deux groupes de phosphosites sur Ste5, par la phosphatase Ptc1, un groupe effectuant le recrutement ultrasensible de Ste5 à la membrane et un autre incitant la dissociation et l'activation ultrasensible de la MAPK terminal Fus3. Le rôle modulateur de Ste5 dans la décision de la destinée cellulaire étend le répertoire fonctionnel des protéines d'échafaudage bien au-delà de l'accessoire dans la spécificité et l'efficacité des traitements de l'information. La régulation de la dynamique des caractères signal-réponse à travers une telle régulation modulaire des groupes de phosphosites sur des protéines d'échafaudage combinées à l'assemblage à la membrane peut être un moyen général par lequel la polarisation du destin cellulaire est obtenue. Des mécanismes similaires peuvent contrôler les décisions cellulaires dans les organismes complexes et peuvent être compromis dans des dérèglements cellulaires, tel que le cancer. Finalement, sur un thème relié, je présente la découverte d'un nouveau mécanisme où le seuil de la concentration de phéromones est contrôlé par une voie sensorielle de nutriments, ajustant, de cette manière, le point prédéterminé dans lequel la quantité et la qualité des nutriments accessibles dans l'environnement déterminent le seuil à partir duquel la levure s'accouple. La sous-unité régulatrice de la kinase à protéine A (PKA),Bcy1, une composante clé du réseau signalétique du senseur aux nutriments, interagit directement avec la sous-unité α des petites protéines G, Gpa1, le premier effecteur dans le réseau de réponse aux phéromones. L'interaction Bcy1-Gpa1 est accrue lorsque la cellule croit en présence d'un sucre idéal, le glucose, diminuant la concentration seuil auquel la décision d'accouplement est activée. Compromettre l'interaction Bcy1-Gpa1 ou inactiver Bcy1 accroît la concentration seuil nécessaire à une réponse aux phéromones. Nous argumentons qu'en ajustant leur sensibilité, les levures peuvent intégrer le stimulus provenant des phéromones au niveau du glucose extracellulaire, priorisant la décision de survie dans un milieu pauvre ou continuer leur cycle sexuel en choisissant un accouplement.

Étude du mécanisme de régulation de la sénescence et de p53 par la protéine SOCS1

Les mécanismes cellulaires anti-prolifératifs, lesquels comprennent l’apoptose, aussi appelée la mort cellulaire programmée, l’arrêt transitoire du cycle cellulaire et la sénescence, permettent à la cellule de prévenir, en réponse à différents stress, l’accumulation de mutations pouvant conduire à une prolifération incontrôlée et, éventuellement, au développement d’une tumeur. La régulation de ces différents mécanismes requiert l’activation de protéines appelées des suppresseurs de tumeur, dont le principal est p53. p53 est un facteur de transcription dont la stabilisation et l’activation conduit à une hausse de l’expression de gènes directement impliqués dans l’arrêt de la prolifération. Au cours des dernières années, l’ensemble des travaux sur p53 ont permis de mettre en évidence la complexité de sa fonction, de même que la multitude de voies de signalisation et de protéines avec lesquelles il coopère pour maintenir l’intégrité du génome. De ce fait, l’étude des mécanismes d’activation de p53 est de mise pour la compréhension de sa régulation et, éventuellement, pour la prévention et l’élaboration de nouvelles stratégies de traitement contre le cancer. L’objet de cette thèse est la mise en évidence d’un mécanisme d’activation de p53 et de la sénescence par la protéine SOCS1, un suppresseur de la signalisation par les cytokines. Ce mécanisme implique une interaction directe entre les deux protéines, plus précisément entre le domaine SH2 de SOCS1 et le domaine de transactivation de p53. SOCS1 interagit également, au niveau de son SOCS Box, avec les kinases ATM et ATR de la voie du dommage à l’ADN de façon à faciliter la phosphorylation de p53 en sérine 15. Ainsi, en interagissant à la fois avec p53 et ATM/ATR, SOCS1 contribue à la stabilisation et à l’activation de p53. En accord avec ce modèle, l’inhibition de SOCS1 dans des fibroblastes humains normaux tend à diminuer le nombre de cellules sénescentes suite à l’expression de l’oncogène ca-STAT5A et à réduire l’accumulation nucléaire de p53 dans ces cellules. De la même façon, les lymphocytes T provenant de souris Socs1-/-Ifnγ-/- sont moins susceptibles d’entrer en apoptose que les lymphocytes provenant de souris Socs1+/+Ifnγ+/+, suite à une exposition à des radiations. Dans les deux contextes, on observe une baisse de l’expression des gènes cibles de p53, ce qui démontre que SOCS1 est impliquée dans l’activation de p53 in vivo. Cette thèse a également pour but de mettre en évidence l’implication de SOCS1 dans l’activation d’autres facteurs de transcription et, par le fait même, de démontrer qu’elle peut agir comme un régulateur plus général de la transcription. Une étude approfondie de l’interaction entre SOCS1 et p53 a permis de démontrer que le domaine de transactivation II de p53 (acides aminés 36-67) est suffisant pour l’interaction. Plus précisément, il semble que le tryptophane 53 (W53) et la phénylalanine 54 (F54) sont les principaux résidus impliqués. Une analyse structurale de ce domaine de p53 a conduit à l’identification d’un motif conservé dans plusieurs autres facteurs de transcription pourvus d’un domaine de transactivation acide, dont p63, p73 et E2F1. En accord avec ces résultats, SOCS1 est en mesure d’interagir avec chacune des deux protéines. Ainsi, la capacité de SOCS1 d’interagir et de réguler l’activité de p53 peut s’étendre à d’autres facteurs de transcription. En terminant, le mécanisme présenté dans cette thèse contribue à la compréhension de la régulation de p53, le principal suppresseur de tumeur de la cellule. De plus, il met en évidence une nouvelle fonction de SOCS1, laquelle était jusqu’alors essentiellement connue pour inhiber la voie de signalisation JAK/STAT. Ce nouveau rôle pour SOCS1 permet d’expliquer de quelle manière une activation aberrante de la signalisation par les cytokines peut déclencher la sénescence ou l’apoptose. Enfin, le fait que SOCS1 puisse réguler différents facteurs de transcription permet de la qualifier de régulateur général des facteurs de transcription composés d’un domaine de transactivation acide.

Investigations on the Radiation Characteristics of Broadband Strip Loaded Slotted Microstrip Antennas

With the recent progress and rapid increase in mobile terminals, the design of antennas for small mobile terminals is acquiring great importance. In view of this situation, several design concepts are already been addressed by the scientists and engineers. Compactness and efficiency are the major criteria for mobile terminal antennas. The challenging task of the microwave scientists and engineers is to device compact printed radiating systems having broadband behavior, together with good efficiency. Printed antenna technology has received popularity among antenna scientists after the introduction of microstrip antenna in 1970s. The successors in this kind such as printed monopoles and planar inverted F are also equally important. Scientists and Engineers are trying to explore this technology as a viable coast effective solution for forthcoming microwave revolution. The transmission line perspectives of antennas are very interesting. The concept behind any electromagnetic radiator is simple. Any electromagnetic system with a discontinuity is radiating electromagnetic energy. The size, shape and the orientation of the discontinuities controls the radiation characteristics of the system such as radiation pattern, gain, polarization etc. It can be either resonant or non resonant structure. Microstrip antennas are suitable for wireless applications due to their low cost, high gain and ease of fabrication. But the major disadvantage of micro strip antennas is their inherent narrow bandwidth. A lot of techniques are introduced by the researchers all over the world to enhance the bandwidth of micro strip patch antennas. The thesis addresses an attempt to enhance the bandwidth of micro strip patch antennas by incorporating impedance matching strip as a part of the micro strip patch antenna. The first part of the thesis deals with the broadband operation of the tilted square slot and polygonal slot loaded square micro strip patch antennas. The resonant mechanisms are clearly mentioned using the simulation and experimental studies. The bandwidth of the polygonal slotted broadband patch antenna is again enhanced by implementing an Lstrip feed mechanism. In the second major part of the thesis, a novel gain enhancement technique for single band and broadband square micro strip patch antennas is achieved by implementing offset stacked configurations.

Development and Investigations of Mobile Antennas for less Radiation Hazards

Antennas, the key element in wireless communication devices had undergone amazing developments especially in the direction of compactness and safety aspects. In the last two decades, the use of the cellular phones has become the most popular mode of communication across the globe. At the same time, the concerns about the radiation effects have increased in the general public. The main concern of this thesis is to develop a mobile antenna which gives reduced RF interference to the user. The reduction of the power absorbed by the user can tremendously avoid any possible health hazards. The radiation characteristic of a monopole antenna is modified with good radiation characteristics suitable for a mobile handset. The modification is implemented by using different resonating structures which provides reduced radiation along one direction. The direction of less radiation can be changed by modifying the planar antenna structure to a ground folded antenna. This modified structure with excellent radiation characteristic is suitable for modern wireless handheld devices with less user RF interference. Specific Absorption Rate (SAR) is an important parameter for mobile handset. The SAR is estimated for the newly developed antenna for different conditions and discussed in this thesis.

Studies On The Effect Of Laser Radiation And Other Mutagens On Plants

The effect of lasers of three wavelengths in the visible region - 476, 488 and 514 nm on mitotic and meiotic cell divisions, growth, yield and activity of specific enzymes were studied in two taxonomically diverse plant species — A/lium cepa L. and Vicia faba. The effect of laser exposures was compared with the effect of two physical mutagens (Gamma and Ultraviolet radiations) and two chemical mutagens (Ethyl Methane Sulphonate and Hydroxyl amine). The study indicated that lasers could be mutagenic causing aberration in the mitotic and meiotic cell divisions while also producing changes in the growth and yield of the plants. Lasers of higher wavelengths 488 and 514 nm caused aberrations in the early stages of mitotic cell division whereas lasers of lower wavelengths (476 nm) caused more aberrations in the later stages of mitotic cell division. Laser exposure of 488 nm wavelength at power density 400 mW induced higher mitotic and meiotic aberrations and also induced higher pollen sterility than lasers of 476 and 514 nm. The frequency of mitotic aberrations induced by lasers was lesser than that caused by y-irradiation but comparable to that induced by EMS and HA. Lasers cause mutations in higher frequencies than UV. Lasers had a stimulatory effect on growth and yield in both plant species. This stimulatory effect of lasers on germination could not however be correlated to the activity of amylase and protease, the key enzymes in seed gennination. Enzymes such as peroxidase and catalase, involved in scavenging of free oxygen radicals often produced by irradiation, did not show increased activity in laser irradiated samples. Further studies are required for elucidating the exact mechanisms by which lasers cause mutations

Role of Low-level Mechanisms in Brightness Perception

Brightness judgments are a key part of the primate brain's visual analysis of the environment. There is general consensus that the perceived brightness of an image region is based not only on its actual luminance, but also on the photometric structure of its neighborhood. However, it is unclear precisely how a region's context influences its perceived brightness. Recent research has suggested that brightness estimation may be based on a sophisticated analysis of scene layout in terms of transparency, illumination and shadows. This work has called into question the role of low-level mechanisms, such as lateral inhibition, as explanations for brightness phenomena. Here we describe experiments with displays for which low-level and high-level analyses make qualitatively different predictions, and with which we can quantitatively assess the trade-offs between low-level and high-level factors. We find that brightness percepts in these displays are governed by low-level stimulus properties, even when these percepts are inconsistent with higher-level interpretations of scene layout. These results point to the important role of low-level mechanisms in determining brightness percepts.

An update of the mechanisms of resistance to EGFR-tyrosine kinase inhibitors in breast cancer: gefitinib (Iressatrade mark)-induced changes in the expression and nucleo-cytoplasmic trafficking of HER-ligands (Review)

Intrinsic resistance to the epidermal growth factor receptor (EGFR; HER1) tyrosine kinase inhibitor (TKI) gefitinib, and more generally to EGFR TKIs, is a common phenomenon in breast cancer. The availability of molecular criteria for predicting sensitivity to EGFR-TKIs is, therefore, the most relevant issue for their correct use and for planning future research. Though it appears that in non-small-cell lung cancer (NSCLC) response to gefitinib is directly related to the occurrence of specific mutations in the EGFR TK domain, breast cancer patients cannot be selected for treatment with gefitinib on the same basis as such EGFR mutations have been reported neither in primary breast carcinomas nor in several breast cancer cell lines. Alternatively, there is a general agreement on the hypothesis that the occurrence of molecular alterations that activate transduction pathways downstream of EGFR (i.e., MEK1/MEK2 - ERK1/2 MAPK and PI-3'K - AKT growth/survival signaling cascades) significantly affect the response to EGFR TKIs in breast carcinomas. However, there are no studies so far addressing a role of EGF-related ligands as intrinsic breast cancer cell modulators of EGFR TKI efficacy. We recently monitored gene expression profiles and sub-cellular localization of HER-1/-2/-3/-4 related ligands (i.e., EGF, amphiregulin, transforming growth factor-α, ß-cellulin, epiregulin and neuregulins) prior to and after gefitinib treatment in a panel of human breast cancer cell lines. First, gefitinibinduced changes in the endogenous levels of EGF-related ligands correlated with the natural degree of breast cancer cell sensitivity to gefitinib. While breast cancer cells intrinsically resistant to gefitinib (IC50 ≥15 μM) markedly up-regulated (up to 600 times) the expression of genes codifying for HERspecific ligands, a significant down-regulation (up to 106 times) of HER ligand gene transcription was found in breast cancer cells intrinsically sensitive to gefitinib (IC50 ≤1 μM). Second, loss of HER1 function differentially regulated the nuclear trafficking of HER-related ligands. While gefitinib treatment induced an active import and nuclear accumulation of the HER ligand NRG in intrinsically gefitinib-resistant breast cancer cells, an active export and nuclear loss of NRG was observed in intrinsically gefitinib-sensitive breast cancer cells. In summary, through in vitro and pharmacodynamic studies we have learned that, besides mutations in the HER1 gene, oncogenic changes downstream of HER1 are the key players regulating gefitinib efficacy in breast cancer cells. It now appears that pharmacological inhibition of HER1 function also leads to striking changes in both the gene expression and the nucleo-cytoplasmic trafficking of HER-specific ligands, and that this response correlates with the intrinsic degree of breast cancer sensitivity to the EGFR TKI gefitinib. The relevance of this previously unrecognized intracrine feedback to gefitinib warrants further studies as cancer cells could bypass the antiproliferative effects of HER1-targeted therapeutics without a need for the overexpression and/or activation of other HER family members and/or the activation of HER-driven downstream signaling cascades

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.