Mucoadhesive, syringeable drug delivery systems for controlled application of metronidazole to the periodontal pocket: In vitro release kinetics, syringeability, mechanical and mucoadhesive properties

Novel mucoadhesive formulations containing hydroxyethylcellulose (HEC; 3 and 5%, w/w) or Carbopol (3 and 5%, w/w), polycarbophil (PC; 1 and 3%, w/w) and metronidazole (5%, w/w) at pH 6.8 were designed for the treatment of periodontal diseases. Each formulation was characterised in terms of hardness, compressibility, adhesiveness and cohesiveness (using Texture Profile Analysis), drug release, adhesion to a mucin disc (measured as a detachment force using the texture analyser in tensile mode) and, finally, syringeability (using the texture analyser in compression mode). Drug release from all formulations was non-diffusion controlled. Drug release was significantly decreased as the concentration of each polymeric component was increased, due to both the concomitant increased viscosity of the formulations and, additionally, the swelling kinetics of PC following contact with dissolution fluid. Increasing the concentrations of each polymeric component significantly increased formulation hardness, compressibility, adhesiveness, mucoadhesion and syringeability, yet decreased cohesiveness. Increased product hardness, compressibility and syringeability were due to polymeric effects on formulation viscosity. The effects on cohesiveness may be explained both by increased viscosity and also by the increasing semi-solid nature of products containing 5% HEC or Carbopol and PC (1 or 3%). The observations concerning formulation adhesiveness/mucoadhesion illustrate the adhesive nature of each polymeric component. Greatest adhesion was noted in formulations where neutralisation of PC was maximally suppressed. For the most part, increased time of contact between formulation and mucin significantly increased the required force of detachment, due to the greater extent of mucin polymer hydration and interpenetration with the formulations. Significant statistical interactions were observed between the effects of each polymer on drug release and mechanical/mucoadhesive properties. These interactions may be explained by formulatory effects on the extent of swelling of PC. In conclusion, the formulations described offered a wide range of mechanical and drug release characteristics. Formulations containing HEC exhibited superior physical characteristics for improved drug delivery to the periodontal pocket and are now the subject of long-term clinical investigations. (C) 1997 Elsevier Science B.V.

How does global change affect the strength of trophic interactions?

Recent research has generally shown that a small change in the number of species in a food web can have consequences both for community structure and ecosystem processes. However 'change' is not limited to just the number of species in a community, but might include an alteration to such properties as precipitation, nutrient cycling and temperature, all of which are correlated with productivity. Here we argue that predicted scenarios of global change will result in increased plant productivity. We model three scenarios of change using simple Lotka-Volterra dynamics, which explore how a global change in productivity might affect the strength of local species interactions and detail the consequences for community and ecosystem level stability. Our results indicate that (i) at local scales the average population size of consumers may decline because of poor quality food resources, (ii) that the strength of species interactions at equilibrium may become weaker because of reduced population size, and (iii) that species populations may become more variable and may take longer to recover from environmental or anthropogenic disturbances. At local scales interaction strengths encompass such properties as feeding rates and assimilation efficiencies, and encapsulate functionatty important information with regard to ecosystem processes. Interaction strengths represent the pathways and transfer of energy through an ecosystem. We examine how such local patterns might be affected given various scenarios of 'global change' and discuss the consequences for community stability and ecosystem functioning. (C) 2004 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Rice-arsenate interactions in hydroponics:whole genome transcriptional analysis

Rice (Oryza sativa) varieties that are arsenate-tolerant (Bala) and -sensitive (Azucena) were used to conduct a transcriptome analysis of the response of rice seedlings to sodium arsenate (AsV) in hydroponic solution. RNA extracted from the roots of three replicate experiments of plants grown for 1 week in phosphate-free nutrient with or without 13.3 muM AsV was used to challenge the Affymetrix (52K) GeneChip Rice Genome array. A total of 576 probe sets were significantly up-regulated at least 2-fold in both varieties, whereas 622 were down-regulated. Ontological classification is presented. As expected, a large number of transcription factors, stress proteins, and transporters demonstrated differential expression. Striking is the lack of response of classic oxidative stress-responsive genes or phytochelatin synthases/synthatases. However, the large number of responses from genes involved in glutathione synthesis, metabolism, and transport suggests that glutathione conjugation and arsenate methylation may be important biochemical responses to arsenate challenge. In this report, no attempt is made to dissect differences in the response of the tolerant and sensitive variety, but analysis in a companion article will link gene expression to the known tolerance loci available in the BalaxAzucena mapping population.

Stressor intensity determines antagonistic interactions between species invasion and multiple stressor effects on ecosystem functioning

Biological invasions, nutrient enrichment and ocean warming are known to threaten biodiversity and ecosystem functioning. The independent effects of these ecological stressors are well studied, however, we lack understanding of their cumulative effects, which may be additive, antagonistic or synergistic. For example, the impacts of biological invasions are often determined by environmental context, which suggests that the effects of invasive species may vary with other stressors such as pollution or climate change. This study examined the effects of an invasive seaweed (Sargassum muticum) on the structure and functioning of a benthic marine assemblage and tested explicitly whether these effects varied with nutrient enrichment and ocean warming. Overall, the presence of Sargassum muticum increased assemblage productivity rates and warming altered algal assemblage structure, which was characterised by a decrease in kelp and an increase in ephemeral green algae. The effects of Sargassum muticum on total algal biomass accumulation, however, varied with nutrient enrichment and warming producing antagonistic cumulative effects on total algal biomass accumulation. These findings show that the nature of stressor interactions may vary with stressor intensity and among response variables, which leads to less predictable consequences for the structure and functioning of communities.

Novel microtubule-targeting agents, pyrrolo-1,5-benzoxazepines, induce apoptosis in multi-drug-resistant cancer cells

PURPOSE: The development of multi-drug resistance (MDR) due to the expression of members of the ATP binding cassette (ABC) transporter family is a major obstacle in cancer treatment. The broad range of substrate specificities associated with these transporters leads to the efflux of many anti-cancer drugs from tumour cells. Therefore, the development of new chemotherapeutic agents that are not substrates of these transporters is important. We have recently demonstrated that some members of a novel series of pyrrolo-1,5-benzoxazepine (PBOX) compounds are microtubule-depolymerising agents that potently induce apoptosis in several cancer cell lines and impair growth of mouse breast tumours. The aim of this current study was to establish whether PBOXs were capable of inducing apoptosis in cancer cells expressing either P-glycoprotein or breast cancer resistance protein (BCRP), two of the main ABC transporters associated with MDR.

METHODS: We performed in vitro studies to assess the effects of PBOXs on cell proliferation, cell cycle and apoptosis in human cancer cell lines and their drug-resistant substrains expressing either P-glycoprotein or BCRP. In addition, we performed a preliminary molecular docking study to examine interactions between PBOXs and P-glycoprotein.

RESULTS: We established that three representative PBOXs, PBOX-6, -15 and -16 were capable of inducing apoptosis in drug-resistant HL60-MDR1 cells (expressing P-glycoprotein) and HL60-ABCG2 cells (expressing BCRP) with similar potencies as in parental human promyelocytic leukaemia HL60 cells. Likewise, resistance to PBOX-6 and -16 was not evident in P-glycoprotein-expressing A2780-ADR cells in comparison with parent human ovarian carcinoma A2780 cells. Finally, we deduced by molecular docking that PBOX-6 is not likely to form favourable interactions with the substrate binding site of P-glycoprotein.

CONCLUSION: Our results suggest that pro-apoptotic PBOX compounds may be potential candidates for the treatment of P-glycoprotein- or BCRP-associated MDR cancers.

Integrative analysis of chemo-transcriptomic profiles for drug-feature specific gene expression signatures

One of the major challenges in systems biology is to understand the complex responses of a biological system to external perturbations or internal signalling depending on its biological conditions. Genome-wide transcriptomic profiling of cellular systems under various chemical perturbations allows the manifestation of certain features of the chemicals through their transcriptomic expression profiles. The insights obtained may help to establish the connections between human diseases, associated genes and therapeutic drugs. The main objective of this study was to systematically analyse cellular gene expression data under various drug treatments to elucidate drug-feature specific transcriptomic signatures. We first extracted drug-related information (drug features) from the collected textual description of DrugBank entries using text-mining techniques. A novel statistical method employing orthogonal least square learning was proposed to obtain drug-feature-specific signatures by integrating gene expression with DrugBank data. To obtain robust signatures from noisy input datasets, a stringent ensemble approach was applied with the combination of three techniques: resampling, leave-one-out cross validation, and aggregation. The validation experiments showed that the proposed method has the capacity of extracting biologically meaningful drug-feature-specific gene expression signatures. It was also shown that most of signature genes are connected with common hub genes by regulatory network analysis. The common hub genes were further shown to be related to general drug metabolism by Gene Ontology analysis. Each set of genes has relatively few interactions with other sets, indicating the modular nature of each signature and its drug-feature-specificity. Based on Gene Ontology analysis, we also found that each set of drug feature (DF)-specific genes were indeed enriched in biological processes related to the drug feature. The results of these experiments demonstrated the pot- ntial of the method for predicting certain features of new drugs using their transcriptomic profiles, providing a useful methodological framework and a valuable resource for drug development and characterization.

Regulatory interactions between the metabolic sensors SIRT1 and AMPK in modulating PPARα linked functions, in obesity-dependent type 2 diabetes mellitus

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Ciências Funcionais), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014

ASYN and tau interaction : new drug target for neurodegenerative diseases

Tese de doutoramento, Bioquímica (Biotecnologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Medicinal chemistry approaches to malaria drug discovery

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2016

Correlations between imatinib pharmacokinetics, pharmacodynamics, adherence, and clinical response in advanced metastatic gastrointestinal stromal tumor (GIST): An emerging role for drug blood level testing?

Imatinib is the standard of care for patients with advanced metastatic gastrointestinal stromal tumors (GIST), and is also approved for adjuvant treatment in patients at substantial risk of relapse. Studies have shown that maximizing benefit from imatinib depends on long-term administration at recommended doses. Pharmacokinetic (PK) and pharmacodynamic factors, adherence, and drug-drug interactions can affect exposure to imatinib and impact clinical outcomes. This article reviews the relevance of these factors to imatinib's clinical activity and response in the context of what has been demonstrated in chronic myelogenous leukemia (CML), and in light of new data correlating imatinib exposure to response in patients with GIST. Because of the wide inter-patient variability in drug exposure with imatinib in both CML and GIST, blood level testing (BLT) may play a role in investigating instances of suboptimal response, unusually severe toxicities, drug-drug interactions, and suspected non-adherence. Published clinical data in CML and in GIST were considered, including data from a PK substudy of the B2222 trial correlating imatinib blood levels with clinical responses in patients with GIST. Imatinib trough plasma levels <1100ng/mL were associated with lower rates of objective response and faster development of progressive disease in patients with GIST. These findings have been supported by other analyses correlating free imatinib (unbound) levels with response. These results suggest a future application for imatinib BLT in predicting and optimizing therapeutic response. Nevertheless, early estimates of threshold imatinib blood levels must be confirmed prospectively in future studies and elaborated for different patient subgroups.

Prédiction des impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses impliquant des CYP3A et les glycoprotéines-P : développement de modèles physiologiques et analyse de sensibilité

Les propriétés pharmacocinétiques d’un nouveau médicament et les risques d’interactions médicamenteuses doivent être investigués très tôt dans le processus de recherche et développement. L’objectif principal de cette thèse était de concevoir des approches prédictives de modélisation du devenir du médicament dans l’organisme en présence et en absence de modulation d’activité métabolique et de transport. Le premier volet de recherche consistait à intégrer dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK), le transport d’efflux membranaire gouverné par les glycoprotéines-P (P-gp) dans le cœur et le cerveau. Cette approche, basée sur des extrapolations in vitro-in vivo, a permis de prédire la distribution tissulaire de la dompéridone chez des souris normales et des souris déficientes pour les gènes codant pour la P-gp. Le modèle a confirmé le rôle protecteur des P-gp au niveau cérébral, et a suggéré un rôle négligeable des P-gp dans la distribution tissulaire cardiaque pour la dompéridone. Le deuxième volet de cette recherche était de procéder à l’analyse de sensibilité globale (ASG) du modèle PBPK précédemment développé, afin d’identifier les paramètres importants impliqués dans la variabilité des prédictions, tout en tenant compte des corrélations entre les paramètres physiologiques. Les paramètres importants ont été identifiés et étaient principalement les paramètres limitants des mécanismes de transport à travers la membrane capillaire. Le dernier volet du projet doctoral consistait à développer un modèle PBPK apte à prédire les profils plasmatiques et paramètres pharmacocinétiques de substrats de CYP3A administrés par voie orale à des volontaires sains, et de quantifier l’impact d’interactions médicamenteuses métaboliques (IMM) sur la pharmacocinétique de ces substrats. Les prédictions des profils plasmatiques et des paramètres pharmacocinétiques des substrats des CYP3A ont été très comparables à ceux mesurés lors d’études cliniques. Quelques écarts ont été observés entre les prédictions et les profils plasmatiques cliniques mesurés lors d’IMM. Cependant, l’impact de ces inhibitions sur les paramètres pharmacocinétiques des substrats étudiés et l’effet inhibiteur des furanocoumarins contenus dans le jus de pamplemousse ont été prédits dans un intervalle d’erreur très acceptable. Ces travaux ont contribué à démontrer la capacité des modèles PBPK à prédire les impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses avec une précision acceptable et prometteuse.

The Role of Second Generation Antiretroviral Drugs in HIV-1 Subtype B and non-B Variants Harboring Natural Polymorphisms and Drug Resistance Mutations.

Cette thèse traite de la résistance du VIH-1 aux antirétroviraux, en particulier de l'activité antivirale de plusieurs inhibiteurs non nucléosidiques de la transcriptase inverse (INNTI) ainsi que des inhibiteurs de protéase (IP). Nous avons exploré l’émergence et la spécificité des voies de mutations qui confèrent la résistance contre plusieurs nouveaux INNTI (étravirine (ETR) et rilpivirine (RPV)) (chapitres 2 et 3). En outre, le profil de résistance et le potentiel antirétroviral d'un nouvel IP, PL-100, est présenté dans les chapitres 4 et 5. Pour le premier projet, nous avons utilisé des sous-types B et non-B du VIH-1 pour sélectionner des virus résistants à ETR, et ainsi montré que ETR favorise l’émergence des mutations V90I, K101Q, E138K, V179D/E/F, Y181C, V189I, G190E, H221H/Y et M230L, et ce, en 18 semaines. Fait intéressant, E138K a été la première mutation à émerger dans la plupart des cas. Les clones viraux contenant E138K ont montré un faible niveau de résistance phénotypique à ETR (3,8 fois) et une diminution modeste de la capacité de réplication (2 fois) par rapport au virus de type sauvage. Nous avons également examiné les profils de résistance à ETR et RPV dans les virus contenant des mutations de résistance aux INNTI au début de la sélection. Dans le cas du virus de type sauvage et du virus contenant la mutation unique K103N, les premières mutations à apparaître en présence d’ETR ou de RPV ont été E138K ou E138G suivies d’autres mutations de résistance aux INNTI. À l’inverse, dans les mêmes conditions, le virus avec la mutation Y181C a évolué pour produire les mutations V179I/F ou A62V/A, mais pas E138K/G. L'ajout de mutations à la position 138 en présence de Y181C n'augmente pas les niveaux de résistance à ETR ou RPV. Nous avons également observé que la combinaison de Y181C et E138K peut conduire à un virus moins adapté par rapport au virus contenant uniquement Y181C. Sur la base de ces résultats, nous suggérons que les mutations Y181C et E138K peuvent être antagonistes. L’analyse de la résistance au PL-100 des virus de sous-type C et CRF01_AE dans les cellules en culture est décrite dans le chapitre 4. Le PL-100 sélectionne pour des mutations de résistance utilisant deux voies distinctes, l'une avec les mutations V82A et L90M et l'autre avec T80I, suivi de l’addition des mutations M46I/L, I54M, K55R, L76F, P81S et I85V. Une accumulation d'au moins trois mutations dans le rabat protéique et dans le site actif est requise dans chaque cas pour qu’un haut niveau de résistance soit atteint, ce qui démontre que le PL-100 dispose d'une barrière génétique élevée contre le développement de la résistance. Dans le chapitre 5, nous avons évalué le potentiel du PL-100 en tant qu’inhibiteur de protéase de deuxième génération. Les virus résistants au PL-100 émergent en 8-48 semaines alors qu’aucune mutation n’apparaît avec le darunavir (DRV) sur une période de 40 semaines. La modélisation moléculaire montre que la haute barrière génétique du DRV est due à de multiples interactions avec la protéase dont des liaison hydrogènes entre les groupes di-tétrahydrofuranne (THF) et les atomes d'oxygène des acides aminés A28, D29 et D30, tandis que la liaison de PL-100 est principalement basée sur des interactions polaires et hydrophobes délocalisées à travers ses groupes diphényle. Nos données suggèrent que les contacts de liaison hydrogène et le groupe di-THF dans le DRV, ainsi que le caractère hydrophobe du PL-100, contribuent à la liaison à la protéase ainsi qu’à la haute barrière génétique contre la résistance et que la refonte de la structure de PL-100 pour inclure un groupe di-THF pourrait améliorer l’activité antivirale et le profil de résistance.

A proteome-wide strategy reveals a novel mechanism of control of cell cycle progression through modulation of cyclin mRNA stability

La quantité de données générée dans le cadre d'étude à grande échelle du réseau d'interaction protéine-protéine dépasse notre capacité à les analyser et à comprendre leur sens; d'une part, par leur complexité et leur volume, et d'un autre part, par la qualité du jeu de donnée produit qui semble bondé de faux positifs et de faux négatifs. Cette dissertation décrit une nouvelle méthode de criblage des interactions physique entre protéines à haut débit chez Saccharomyces cerevisiae, la complémentation de fragments protéiques (PCA). Cette approche est accomplie dans des cellules intactes dans les conditions natives des protéines; sous leur promoteur endogène et dans le respect des contextes de modifications post-traductionnelles et de localisations subcellulaires. Une application biologique de cette méthode a permis de démontrer la capacité de ce système rapporteur à répondre aux questions d'adaptation cellulaire à des stress, comme la famine en nutriments et un traitement à une drogue. Dans le premier chapitre de cette dissertation, nous avons présenté un criblage des paires d'interactions entre les protéines résultant des quelques 6000 cadres de lecture de Saccharomyces cerevisiae. Nous avons identifié 2770 interactions entre 1124 protéines. Nous avons estimé la qualité de notre criblage en le comparant à d'autres banques d'interaction. Nous avons réalisé que la majorité de nos interactions sont nouvelles, alors que le chevauchement avec les données des autres méthodes est large. Nous avons pris cette opportunité pour caractériser les facteurs déterminants dans la détection d'une interaction par PCA. Nous avons remarqué que notre approche est sous une contrainte stérique provenant de la nécessité des fragments rapporteurs à pouvoir se rejoindre dans l'espace cellulaire afin de récupérer l'activité observable de la sonde d'interaction. L'intégration de nos résultats aux connaissances des dynamiques de régulations génétiques et des modifications protéiques nous dirigera vers une meilleure compréhension des processus cellulaires complexes orchestrés aux niveaux moléculaires et structuraux dans les cellules vivantes. Nous avons appliqué notre méthode aux réarrangements dynamiques opérant durant l'adaptation de la cellule à des stress, comme la famine en nutriments et le traitement à une drogue. Cette investigation fait le détail de notre second chapitre. Nous avons déterminé de cette manière que l'équilibre entre les formes phosphorylées et déphosphorylées de l'arginine méthyltransférase de Saccharomyces cerevisiae, Hmt1, régulait du même coup sont assemblage en hexamère et son activité enzymatique. L'activité d'Hmt1 a directement un impact dans la progression du cycle cellulaire durant un stress, stabilisant les transcrits de CLB2 et permettant la synthèse de Cln3p. Nous avons utilisé notre criblage afin de déterminer les régulateurs de la phosphorylation d'Hmt1 dans un contexte de traitement à la rapamycin, un inhibiteur de la kinase cible de la rapamycin (TOR). Nous avons identifié la sous-unité catalytique de la phosphatase PP2a, Pph22, activé par l'inhibition de la kinase TOR et la kinase Dbf2, activé durant l'entrée en mitose de la cellule, comme la phosphatase et la kinase responsable de la modification d'Hmt1 et de ses fonctions de régulations dans le cycle cellulaire. Cette approche peut être généralisée afin d'identifier et de lier mécanistiquement les gènes, incluant ceux n'ayant aucune fonction connue, à tout processus cellulaire, comme les mécanismes régulant l'ARNm.