Effective drug dosage design for treatment of infectious diseases using dynamic inversion

A generic nonlinear mathematical model describing the human immunological dynamics is used to design an effective automatic drug administration scheme. Even though the model describes the effects of various drugs on the dynamic system, this work is confined to the drugs that kill the invading pathogen and heal the affected organ. From a system theoretic point of view, the drug inputs can be interpreted as control inputs, which can be designed based on control theoretic concepts. The controller is designed based on the principle of dynamic inversion and is found to be effective in curing the �nominal model patient� by killing the invading microbes and healing the damaged organ. A major advantage of this technique is that it leads to a closed-form state feedback form of control. It is also proved from a rigorous mathematical analysis that the internal dynamics of the system remains stable when the proposed controller is applied. A robustness study is also carried out for testing the effectiveness of the drug administration scheme for parameter uncertainties. It is observed from simulation studies that the technique has adequate robustness for many �realistic model patients� having off-nominal parameter values as well.

Chitosan-dextran sulphate nanocapsule drug delivery system as an effective therapeutic against intraphagosomal pathogen Salmonella

Objectives: The ability to target conventional drugs efficiently inside cells to kill intraphagosomal bacteria has been a major hurdle in treatment of infective diseases. We aimed to develop an efficient drug delivery system for combating infection caused by Salmonella, a well-known intracellular and intraphagosomal pathogen. Chitosan dextran sulphate (CD) nanocapsules were assessed for their efficiency in delivering drugs against Salmonella. Methods: The CD nanocapsules were prepared using the layer-by-layer method and loaded with ciprofloxacin or ceftriaxone. Antibiotic-loaded nanocapsules were analysed in vitro for their ability to enter epithelial and macrophage cells to kill Salmonella. In vivo pharmacokinetics and organ distribution studies were performed to check the efficiency of the delivery system. The in vivo antibacterial activity of free antibiotic and antibiotic loaded into nanocapsules was tested in a murine salmonellosis model. Results: In vitro and in vivo experiments showed that this delivery system can be used effectively to clear Salmonella infection, CD nanocapsules were successfully employed for efficient targeting and killing of the intracellular pathogen at a dosage significantly lower than that of the free antibiotic. The increased retention time of ciprofloxacin in the blood and organs when it was delivered by CD nanocapsules compared with the conventional routes of administration may be the reason underlying the requirement for a reduced dosage and frequency of antibiotic administration. Conclusions: CD nanocapsules can be used as an efficient drug delivery system to treat intraphagosomal pathogens, especially Salmonella infection, This delivery system might be used effectively for other vacuolar pathogens including Mycobacteria, Brucella and Legionella.

Photoacoustic tomography of the human finger: towards the assessment of inflammatory joint diseases

Inflammatory arthritis is often manifested in finger joints. The growth of new or withdrawal of old blood vessels can be a sensitive marker for these diseases. Photoacoustic (PA) imaging has great potential in this respect since it allows the sensitive and highly resolved visualization of blood. We systematically investigated PA imaging of finger vasculature in healthy volunteers using a newly developed PA tomographic system. We present the PA results which show excellent detail of the vasculature. Vessels with diameters ranging between 100 mu m and 1.5 mm are visible along with details of the skin, including the epidermis and the subpapillary plexus. The focus of all the studies is at the proximal and distal interphalangeal joints, and in the context of ultimately visualizing the inflamed synovial membrane in patients. This work is important in laying the foundation for detailed research into PA imaging of the phalangeal vasculature in patients suffering from rheumatoid arthritis.

Chitosan-dextran sulphate nanocapsule drug delivery system as an effective therapeutic against intraphagosomal pathogen Salmonella

Objectives: The ability to target conventional drugs efficiently inside cells to kill intraphagosomal bacteria has been a major hurdle in treatment of infective diseases. We aimed to develop an efficient drug delivery system for combating infection caused by Salmonella, a well-known intracellular and intraphagosomal pathogen. Chitosan dextran sulphate (CD) nanocapsules were assessed for their efficiency in delivering drugs against Salmonella. Methods: The CD nanocapsules were prepared using the layer-by-layer method and loaded with ciprofloxacin or ceftriaxone. Antibiotic-loaded nanocapsules were analysed in vitro for their ability to enter epithelial and macrophage cells to kill Salmonella. In vivo pharmacokinetics and organ distribution studies were performed to check the efficiency of the delivery system. The in vivo antibacterial activity of free antibiotic and antibiotic loaded into nanocapsules was tested in a murine salmonellosis model. Results: In vitro and in vivo experiments showed that this delivery system can be used effectively to clear Salmonella infection, CD nanocapsules were successfully employed for efficient targeting and killing of the intracellular pathogen at a dosage significantly lower than that of the free antibiotic. The increased retention time of ciprofloxacin in the blood and organs when it was delivered by CD nanocapsules compared with the conventional routes of administration may be the reason underlying the requirement for a reduced dosage and frequency of antibiotic administration. Conclusions: CD nanocapsules can be used as an efficient drug delivery system to treat intraphagosomal pathogens, especially Salmonella infection, This delivery system might be used effectively for other vacuolar pathogens including Mycobacteria, Brucella and Legionella.

Papel de metaloproteases de Estreptococos do grupo B na interação,viabilidade celular e indução de apoptose e necrose em células endoteliais e epiteliais humanas

Estreptococos do grupo B (EGB) é a principal causa de sepse e meningite neonatal e tem sido recentemente reconhecido como patógeno responsável por infecções invasivas em adultos imunocomprometidos (idosos ou portadores de doenças crônicas). Os EGB produzem inúmeras enzimas extracelulares, várias das quais interagem com o sistema imune do hospedeiro e são importantes durante a interação EGB-hospedeiro, bem como para o desenvolvimento da doença. Estudos anteriores mostraram que metaloproteases estão envolvidas em várias vias metabólicas em diferentes tipos celulares. Por esta razão, nós decidimos investigar o possível envolvimento de metaloproteases de EGB durante a interação celular e apoptose/necrose induzida pelo micro-organismo em células endoteliais da veia umbilical humana (HUVEC) e da linhagem de epitélio respiratório (A549). Tratamento de EGB com inibidores de metaloproteases (EDTA, EGTA e FEN) não induziu alterações no crescimento bacteriano, mas promoveu alterações na expressão de proteínas de superfície, capacidade adesiva e perfil de sobrevivência intracelular do patógeno. O EGB e o sobrenadante do crescimento bacteriano (meio condicionado; MC) promoveram a morte das células HUVEC e A549. Contudo, o tratamento com inibidores de metaloproteases restauraram a viabilidade celular induzida pelos EGB e o MC, sugerindo que metaloproteases bacteriana estão envolvidas no rompimento da barreira celular, promovendo a disseminação bacteriana. Este trabalho descreve pela primeira vez apoptose e necrose induzidas pelo EGB e MC em HUVEC e células A549 após 24h de incubação, respectivamente. Nós também observamos redução da pró-caspase-3 após infecção das HUVEC com EGB e MC, sugerindo ativação da caspase-3. Além disso, o aumento da expressão da proteína pró-apoptótica Bax e diminuição dos níveis da proteína anti-apoptótica Bcl-2 em HUVEC, demonstram o envolvimento do mecanismo apoptótico mitocondrial (via intrínseca). A melhor compreensão das bases moleculares da patogênese do EGB contribui para identificar novas moléculas bacterianas e hospedeiras que podem representar novos alvos terapêuticos ou imunoprofiláticos contra a doença causada por esse patógeno neonatal.

Interaction between the 5-HT system and the basal ganglia: functional implication and therapeutic perspective in Parkinson's disease

The neurotransmitter serotonin (5-HT) has a multifaceted function in the modulation of information processing through the activation of multiple receptor families, including G-protein-coupled receptor subtypes (5-HT1, 5-HT2, 5-HT4-7) and ligand-gated ion channels (5-HT3). The largest population of serotonergic neurons is located in the midbrain, specifically in the raphe nuclei. Although the medial and dorsal raphe nucleus (DRN) share common projecting areas, in the basal ganglia (BG) nuclei serotonergic innervations come mainly from the DRN. The BG are a highly organized network of subcortical nuclei composed of the striatum (caudate and putamen), subthalamic nucleus (STN), internal and external globus pallidus (or entopeduncular nucleus in rodents, GPi/EP and GPe) and substantia nigra (pars compacta, SNc, and pars reticulata, SNr). The BG are part of the cortico-BG-thalamic circuits, which play a role in many functions like motor control, emotion, and cognition and are critically involved in diseases such as Parkinson's disease (PD). This review provides an overview of serotonergic modulation of the BG at the functional level and a discussion of how this interaction may be relevant to treating PD and the motor complications induced by chronic treatment with L-DOPA.

Proteomic Analysis of the Ubiquitin Landscape in the Drosophila Embryonic Nervous System and the Adult Photoreceptor Cells

Background Ubiquitination is known to regulate physiological neuronal functions as well as to be involved in a number of neuronal diseases. Several ubiquitin proteomic approaches have been developed during the last decade but, as they have been mostly applied to non-neuronal cell culture, very little is yet known about neuronal ubiquitination pathways in vivo. Methodology/Principal Findings Using an in vivo biotinylation strategy we have isolated and identified the ubiquitinated proteome in neurons both for the developing embryonic brain and for the adult eye of Drosophila melanogaster. Bioinformatic comparison of both datasets indicates a significant difference on the ubiquitin substrates, which logically correlates with the processes that are most active at each of the developmental stages. Detection within the isolated material of two ubiquitin E3 ligases, Parkin and Ube3a, indicates their ubiquitinating activity on the studied tissues. Further identification of the proteins that do accumulate upon interference with the proteasomal degradative pathway provides an indication of the proteins that are targeted for clearance in neurons. Last, we report the proof-of-principle validation of two lysine residues required for nSyb ubiquitination. Conclusions/Significance These data cast light on the differential and common ubiquitination pathways between the embryonic and adult neurons, and hence will contribute to the understanding of the mechanisms by which neuronal function is regulated. The in vivo biotinylation methodology described here complements other approaches for ubiquitome study and offers unique advantages, and is poised to provide further insight into disease mechanisms related to the ubiquitin proteasome system.

Serological and Genetic Evidence for Altered Complement System Functionality in Systemic Lupus Erythematosus: Findings of the GAPAID Consortium

Systemic lupus erythematosus is a chronic autoimmune disease with multifactorial ethiopathogenesis. The complement system is involved in both the early and late stages of disease development and organ damage. To better understand autoantibody mediated complement consumption we examined ex vivo immune complex formation on autoantigen arrays. We recruited patients with SLE (n = 211), with other systemic autoimmune diseases (n = 65) and non-autoimmune control subjects (n = 149). Standard clinical and laboratory data were collected and serum complement levels were determined. The genotype of SNP rs1143679 in the ITGAM gene was also determined. Ex vivo formation of immune complexes, with respect to IgM, IgG, complement C4 and C3 binding, was examined using a functional immunoassay on autoantigen microarray comprising nucleic acids, proteins and lipids. Complement consumption of nucleic acids increased upon binding of IgM and IgG even when serum complement levels were decreased due to consumption in SLE patients. A negative correlation between serum complement levels and ex vivo complement deposition on nucleic acid autoantigens is demonstrated. On the contrary, complement deposition on tested protein and lipid autoantigens showed positive correlation with C4 levels. Genetic analysis revealed that the non-synonymous variant rs1143679 in complement receptor type 3 is associated with an increased production of anti-dsDNA IgG antibodies. Notwithstanding, homozygous carriers of the previously reported susceptible allele (AA) had lower levels of dsDNA specific IgM among SLE patients. Both the non-synonymous variant rs1143679 and the high ratio of nucleic acid specific IgG/IgM were associated with multiple organ involvement. In summary, secondary complement deficiency in SLE does not impair opsonization of nucleic-acid-containing autoantigens but does affect other antigens and potentially other complement dependent processes. Dysfunction of the receptor recognizing complement opsonized immune complexes promotes the development of class-switched autoantibodies targeting nucleic acids.

Apoptose induzida por estreptococos do grupo B em células epiteliais respiratórias A549

Streptococcus agalactiae, ou Streptococcus do grupo B (GBS), é um importante patógeno oportunista que causa pneumonia, sepse e meningite em recém-nascidos e infecções em adultos imunocomprometidos. O pulmão aparentemente é o portal de entrada para o EGB na corrente sanguínea o que pode evoluir para uma septicemia. Os mecanismos de virulência relevantes envolve a habilidade do EGB em penetrar e sobreviver intracelularmente em células hospedeiras. Neste trabalho, foram analisados os mecanismos moleculares da apoptose epitelial induzida pelo EGB, e a produção de óxido nítrico (NO) e espécies reativas de oxigênio (ROS) em células epiteliais respiratórias A549 durante a infecção por EGB. Todas as amostras de EGB exibiram a capacidade de aderir e invadir células A549. A sobrevivência intracelular do EGB em células A549 ocorreu durante 24 h de incubação sem replicação do patógeno. No entanto, a amsotra 88641-V isolada de vagina não sobreviveu após 0,5 h de interação. O EGB promoveu a perda de viabilidade do epitélio durante a infecção. As alterações morfológicas em células A549 infectadas com o EGB incluem arredondamento celular, condensação nuclear, encolhimento celular e perda de contato célula-célula e célula-substrato. A dupla marcação AV/IP revelou que amostras de EGB sorotipo III induziram apoptose enquanto amostras do sorotipo V induziram morte celular semelhante a necrose em células A549. Caspase-3 foi ativada durante a apoptose induzida por EGB em células epiteliais. No entanto, a ativação de caspases-8 e -9 foi detectada apenas para a amostra 88641-V e as amostras EGB do sorotipo III, respectivamente. Experimentos comparativos de Immunoblotting revelaram que o EGB induziu um aumento da expressão Bim, uma proteína pró-apoptótica e diminuiu a expressão de Bcl-2 e Bcl-xL, proteínas anti-apoptóticas. As células A549 apresentaram perda de potencial de membrana mitocondrial Δψm e co-localização com o Bax. Ensaio de espectrometria de massa identificou a proteína PI-2a, uma proteína estrutural de pili, que exibe atividade carboxipepdidase. Descobrimos que os dois sorotipos (III e V) induziram a produção ROS e NO em células A549. Em conclusão, a apoptose induzida pelo EGB em células A549 é um mecanismo importante de virulência, resultando na destruição de tecidos, escape do sistema imune do hospedeiro com espalhamento bacteriano e, em consequência, a doença invasiva ou uma infecção sistémica.

Avaliação da resposta imune de neonatos não infectados pelo HIV-1 nascidos de gestantes soropositivas

A síndrome da imunodeficiência adquirida (AIDS), causada pelo vírus da imunodeficiência humana (HIV), é uma das mais destrutivas epidemias do mundo, e a infecção pelo HIV em mulheres jovens vem aumentando rapidamente nos dias atuais. Esse fato tem um impacto importante na transmissão vertical do vírus. Apesar da grande maioria dos casos de aids pediátrica em todo mundo resultar da transmissão vertical, aproximadamente dois terços das crianças expostas ao HIV durante a vida fetal não são infectadas pelo vírus. Muitos trabalhos sugerem que durante a gestação doenças infecciosas maternas podem ter consequências complexas para o desenvolvimento do feto, e poucos trabalhos têm explorado o impacto da exposição ao HIV sobre a responsividade imunológica de crianças não infectadas a diferentes estímulos, particularmente na era das drogas antirretrovirais. Portanto, esse trabalho teve como objetivo avaliar eventos imunes em neonatos não-infectados expostos ao HIV-1 nascidos de gestantes que controlam (G1) ou não (G2) a carga viral plasmática, usando neonatos não expostos como controle. Para tanto, sangue do cordão umbilical de cada neonato foi coletado, plasma e células mononucleares foram separados e a linfoproliferação e o perfil de citocinas foram avaliados. Os resultados demonstraram que a linfoproliferação in vitro induzido por ativadores policlonais foi maior nos neonatos do G2. Entretanto, nenhuma cultura de célula respondeu a um conjunto de peptídeos sintéticos do envelope do HIV-1. A dosagem de citocinas no plasma e nos sobrenadantes das culturas ativadas policlonalmente demonstrou que, enquanto a IL-4 e IL-10 foram as citocinas dominantes produzidas nos grupos G1 e controle, a secreção de IFN-γ, IL-1, Il-6, IL-17 e TNF-α foi significativamente superior nos neonatos G2. Níveis sistêmicos de IL-10 observados dentre os neonatos G1 foram maiores naqueles nascidos de mães tratadas com drogas inibidoras da transcriptase reversa do vírus. Por outro lado, níveis superiores de citocinas inflamatórias foram observados dentre estes nascidos de gestantes tratadas com terapia antirretroviral de alta eficácia. Em resumo, nossos resultados indicam uma responsividade imune alterada em neonatos expostos in utero ao HIV-1 e reforça o papel do tratamento materno anti-viral com drogas menos potentes em atenuar tais distúrbios.

Antioxidant Peptidomics Reveals Novel Skin Antioxidant System

It is generally agreed that reactive oxygen species (ROS) contribute to skin aging, skin disorders, and skin diseases. Skin possesses an extremely efficient antioxidant system. This antioxidant activity is conferred by two systems: antioxidant enzymes and

Containing the diseases in aquaculture

A brief discussion is presented on epizootics and their containment in the aquaculture industry, in the form of a question-and-answer interview. Particular reference is made to activities carried out by the OIE (Office International des Epizooties), whose main activities include the provision of guidelines and standards for health protection applicable to international trade in live animals and their products. It has devised an early warning system to apprise its member countries of the occurence of disease outbreaks that would have serious repercussions on public health or the economics of animal products. URI

The development of long - Term ambulatory pH monitoring system and its clinical application

This paper introduced a long-term ambulatory intragastric pH monitoring system, which is designed for prolonged ambulatory studies of Gastroesophageal Reflux Diseases. The whole system is composed of the gastric catheter with two pH sensors, a small data logger (Microdatalog), and a notebook PC. In this paper, the design of monitoring system hardware and software are described in detail. Clinical applications reveal good results.

Selénio e a importância para o organismo humano

O selénio (Se) é um micronutriente essencial para o crescimento, desenvolvimento e normal metabolismo dos animais, incluindo o ser humano. É parte integrante de um conjunto de proteínas, as selenoproteínas, com ação antioxidante (protegendo as membranas celulares contra danos dos radicais livres), envolvidas no metabolismo das hormonas da tiróide, na regulação do crescimento e viabilidade celular, nas funções do sistema imune e na reprodução. É introduzido na dieta alimentar (principalmente nas formas de selenometionina e selenocisteína) através das plantas, e de produtos que delas derivam, que assimilam os compostos de selénio presentes no solo. Uma vez que a quantidade de selénio existente nos solos é muito variável, o teor nos alimentos vai depender da sua origem geográfica e, por consequência, a ingestão de selénio varia entre regiões e países. Baixos níveis de selénio estão associados a um declínio na função imune e problemas cognitivos. A deficiência de Se pode também ocasionar problemas musculares e cardiomiopatia. Concentrações reduzidas foram observadas em indíviduos com crises epiléticas e também em casos de pré-eclampsia. A deficiência de selénio pode também desenvolver-se durante a nutrição parenteral. Atualmente, a Dose Diária Recomendada (DDR) é de 55 μg/dia para homens e mulheres adultos e saudáveis. No entanto, existem evidências clínicas de que a ingestão em doses superiores (200-300 μg/dia) pode ter um papel benéfico na prevenção de alguns tipos de cancro e doenças cardiovasculares, na melhoria da resposta imunológica, como neuroprotetor e na fertilidade. O Se desempenha um papel importante na fertilidade masculina, sendo necessário na biossíntese da testosterona e na formação e normal desenvolvimento dos espermatozóides. Em mulheres grávidas o Se, ajuda a prevenir complicações antes e durante o parto e promove o normal desenvolvimento do feto. Como antioxidante o selénio vai combater os danos provocados pelos radicais livres, impedindo que estes exerçam o seu papel prejudicial no organismo. Sendo o sistema imunológico muito suscetível aos danos provocados pelo stress oxidativo, o Se vai exercer efeitos benéficos combatendo os danos por ele causados. Relativamente à capacidade viral, não é possível saber com exatidão qual a quantidade de Se necessária ou concentração ideal no plasma para evitar a ocorrência e desenvolvimento de infeções virais. No entanto, sabe-se que tem um efeito benéfico em pacientes HIV positivos e em indivíduos infetados com o vírus da hepatite (B ou C) contra a progressão para o neoplasia de fígado. Em teoria, a nível cardiovascular, este elemento pode exercer um efeito protetor, embora alguns estudos epidemiológicos não tenham mostrado uma associação clara entre o risco cardiovascular e os níveis selénio. A nível cerebral o Se vai atuar como neuroprotetor, prevenindo o aparecimento de patologias como demência e doença de Alzheimer. Apesar destes indicadores, a maioria dos países europeus, incluindo Portugal, regista uma deficiente ingestão de selénio por parte da população. A suplementação poderá constituir uma opção para garantir os níveis nutricionais recomendados e/ou ser utilizada com o objetivo de prevenir algumas doenças e o envelhecimento. No entanto o selénio pode também ser tóxico se ingerido em excesso, estando a dose máxima admissível fixada em 400 μg/dia. A intoxicação por selénio é chamada selenose e os sintomas comuns incluem: hálito a alho, distúrbios gastrointestinais, perda de cabelo, descamação das unhas, danos neurológicos e fadiga. Assim, atualmente acredita-se que enquanto indivíduos com baixo nível de Se podem obter benefícios da suplementação, esta pode ser prejudicial aqueles com valores normais ou elevados.

The Rpf/DSF system and the regulation of virulence in the plant pathogen Xanthomonas campestris

The full virulence of Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc) to plants depends upon cell-to-cell signalling mediated by the signal molecule DSF (for diffusible signal factor), that has been characterised as cis-11-methyl-2-dodecenoic acid. DSF-mediated signalling regulates motility, biofilm dynamics and the synthesis of particular virulence determinants. The synthesis and perception of the DSF signal molecule involves products of the rpf (regulation of pathogenicity factors) gene cluster. DSF synthesis is fully dependent on RpfF, which encodes a putative enoyl-CoA hydratase. A two-component system, comprising the complex sensor histidine kinase RpfC and the HD-GYP domain regulator RpfG, is implicated in DSF perception. The HD-GYP domain of RpfG is a phosphodiesterase working on cyclic di-GMP; DSF perception is thereby linked to the turnover of this intracellular second messenger. The full range of regulatory influences of the Rpf/DSF system and of cyclic di-GMP in Xcc has yet to be established. In order to further characterise the Rpf/DSF regulatory network in Xcc, a proteomic approach was used to compare protein expression in the wildtype and defined rpf mutants. This work shows that the Rpf/DSF system regulates a range of biological functions that are associated with virulence and biofilm formation but also reveals new functions mediated by DSF regulation. These functions include antibiotic resistance, detoxification and stress tolerance. Mutational analysis showed that several of these regulated protein functions contribute to virulence in Chinese radish. Interestingly, it was demonstrated that different patterns of protein expression are associated with mutations of rpfF, rpfC and rpfG. This suggests that RpfG and RpfC have broader roles in regulation other than perception and transduction of DSF. Taken together, this analysis indicates the broad and complex regulatory role of Rpf/DSF system and identifies a number of new functions under Rpf/DSF control, which were shown to play a role in virulence.