A Neutron Diffraction and Molecular Dynamics Investigation of Acetate-based Ionic Liquids as Solvents for Glucose

The liquid state structure of the ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, and the solute/solvent structure of glucose dissolved in the ionic liquid at a 1: 6 molar ratio have been investigated at 323 K by molecular dynamics simulations and neutron diffraction experiments using H/D isotopically substituted materials. Interactions between hydrogen-bond donating cation sites and polar, directional hydrogen-bond accepting acetate anions are examined. Ion-ion radial distribution functions for the neat ionic liquid, calculated from both MD and derived from the empirical potential structure refinement model to the experimental data, show the alternating shell-structure of anions around the cation, as anticipated. Spatial probability distributions reveal the main anion-to-cation features as in-plane interactions of anions with imidazolium ring hydrogens and cation-cation planar stacking. Interestingly, the presence of the polarised hydrogen-bond acceptor anion leads to increased anion-anion tail-tail structuring within each anion shell, indicating the onset of hydrophobic regions within the anion regions of the liquid.

Design of an intravaginal ring for the controlled delivery of 17b-estradiol as its 3-acetate ester

Suitable ester prodrugs of 17b-estradiol are identified, thus permitting effective sustained and controlled estrogen replacement therapy (ERT) from an elastomeric, silicone intravaginal ring (IVR). IVR devices of reservoir design were prepared by blending silicone elastomer base with n-propylorthosilicate (cross-linker) and 10% w/w of 17b-estradiol or an ester prodrug, the mix being activated with 0.5% w/w stannous octoate and cured at 808C for 2 min. A rate-controlling membrane was similarly prepared, without the active agent. IVR devices were of cross-sectional diameter 9 mm, outer diameter 54 mm, with core cross-sectional diameter of 2 mm and core length varied as required. Sink conditions were evident for the 17b-estradiol esters in 1.0% aqueous benzalkonium chloride solution. The low release rates into 0.9% w/v saline of the lipophilic valerate and benzoate esters were due to their intrinsically low aqueous solubilities. In vivo, these esters failed to raise plasma estradiol above baseline levels in postmenopausal human volunteers, despite good in vitro release characteristics under sink conditions. The best release rates under sink conditions, in combination with substantial aqueous solubilities as indicated by the release rates into saline, were observed for the acetate and propionate esters. A
combination of drug release characteristics, short plasma half-life and a toxicologically acceptable hydrolysis product indicated that 17b-estradiol-3-acetate was the prodrug of choice for IVR delivery of ERT. In vivo, an IVR device releasing
100 mg/day of estradiol as its 3-acetate ester maintained over 84 days a circulating plasma concentration in the region of 300 pmol l , within the clinically desirable range for ERT.

Plants Fagonia cretica L. and Hedera nepalensis K. Koch contain natural compounds with potent dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) inhibitory activity

Ethnopharmacological relevance
The two plants investigated here (Fagonia cretica L. and Hedera nepalensis K. Koch) have been previously reported as natural folk medicines for the treatment of diabetes but until now no scientific investigation of potential anti-diabetic effects has been reported. 

Materials and methods
In vitro inhibitory effect of the two tested plants and their five isolated compounds on the dipeptidyl peptidase 4 (DPP-4) was studied for the assessment of anti-diabetic activity. 

Results
A crude extract of Fagonia cretica possessed good inhibitory activity (IC₅₀value: 38.1 μg/ml) which was also present in its n-hexane (FCN), ethyl acetate (FCE) or aqueous (FCA) fractions. A crude extract of Hedera nepalensis (HNC) possessed even higher inhibitory activity (IC₅₀value: 17.2 μg/ml) and this activity was largely retained when further fractionated in either ethyl acetate (HNE; IC₅₀: 34.4 μg/ml) or n-hexane (HNN; 34.2 μg/ml). Bioactivity guided isolation led to the identification of four known compounds (isolated for the first time) from Fagonia cretica: quinovic acid (1), quinovic acid-3β-O-β-d-glycopyranoside (2), quinovic acid-3β-O-β-d-glucopyranosyl-(28→1)-β-d-glucopyranosyl ester (3), and stigmasterol (4) all of which inhibited DPP-4 activity (IC₅₀: 30.7, 57.9, 23.5 and >100 μM, respectively). The fifth DPP-4 inhibitor, the triterpenoid lupeol (5) was identified in Hedera nepalensis (IC₅₀: 31.6 μM). 

Conclusion
The experimental study revealed that Fagonia cretica and Hedera nepalensis contain compounds with significant DPP-4 inhibitory activity which should be further investigated for their anti-diabetic potential.

The short-chain fatty acid acetate reduces appetite via a central homeostatic mechanism

Increased intake of dietary carbohydrate that is fermented in the colon by the microbiota has been reported to decrease body weight, although the mechanism remains unclear. Here we use in vivo11C-acetate and PET-CT scanning to show that colonic acetate crosses the blood–brain barrier and is taken up by the brain. Intraperitoneal acetate results in appetite suppression and hypothalamic neuronal activation patterning. We also show that acetate administration is associated with activation of acetyl-CoA carboxylase and changes in the expression profiles of regulatory neuropeptides that favour appetite suppression. Furthermore, we demonstrate through 13C high-resolution magic-angle-spinning that 13C acetate from fermentation of 13C-labelled carbohydrate in the colon increases hypothalamic 13C acetate above baseline levels. Hypothalamic 13C acetate regionally increases the 13C labelling of the glutamate–glutamine and GABA neuroglial cycles, with hypothalamic 13C lactate reaching higher levels than the ‘remaining brain’. These observations suggest that acetate has a direct role in central appetite regulation.

Effect of Short-Chain Fatty Acid Acetate on Colon Cancer

Acetate is a short chain fatty acid produced as a result of fermentation of ingested fibers by the gut microbiota. While it has been shown to reduce cell proliferation in some cancer cell lines1,2, more recent studies on liver3 and brain4 tumours suggest that acetate may actually promote tumour growth. Acetate in the cell is normally converted into acetyl-coA by two enzymes and metabolized; mitochondrial (ACSS1) and cytosolic (ACSS2) acetyl-coA synthetase. In the mitochondria acetyl-coA is utilized in the TCA cycle. In the cytosol it is utilized in lipid synthesis. In this study, the effect of acetate treatment on the growth of HT29 colon cancer cell line and its mechanism of action was assessed. HT29 human colorectal adenocarcinoma cells were treated with 10mM NaAc and cell viability, cellular bioenergetics and gene expression were investigated. Cell viability was assessed 24 hours after treatment using an MTT assay (Sigma, UK, n=8). Cellular oxygen consumption rate (OCR) and extracellular acidification rate (ECAR) was measured by XFe Analyzer (Seahorse Bioscience, USA). After a baseline reading cells were treated and OCR and ECAR measurements were observed for 18 hours (n=4). Total mRNA was isolated 24 hours after treatment using RNeasy kit (Qiagen, USA). Quantitative PCR reactions were performed using Taqman gene expression assays and Taqman Universal PCR Master Mix (ThermoFisher Scientific, UK) on Applied Biosystems 7500 Fast Real-Time PCR System (Life Technologies, USA) and analysed using ΔΔCt method (n=3). Acetate treatment led to a significant reduction in cell viability (15.9%, Figure 1). OCR, an indicator of oxidative phosphorylation, was significantly increased (p<0.0001) while ECAR, an indicator of glycolysis, was significantly reduced (p<0.0001, Figure 2). Gene expression of ACSS1 was increased by 1.7 fold of control (p=0.07) and ACSS2 expression was reduced to 0.6 fold of control (p=0.06, Figure 3). In conclusion, in colon cancer cells acetate supplementation induces cell death and increases oxidative capacity. These changes together with the trending decrease in ACSS2 expression suggest suppression of lipid synthesis pathways. We hypothesize that the reduced tumor growth by acetate is a consequence of the suppression of ACSS2 and lipid synthesis, both effects reported previously to reduce tumor growth3–5. These effects clearly warrant further investigation.

In vivo enzymatic activity of acetylCoA synthetase in skeletal muscle revealed by 13C turnover from hyperpolarized [1-13C]acetate to [1-13C]acetylcarnitine

BACKGROUND: Acetate metabolism in skeletal muscle is regulated by acetylCoA synthetase (ACS). The main function of ACS is to provide cells with acetylCoA, a key molecule for numerous metabolic pathways including fatty acid and cholesterol synthesis and the Krebs cycle. METHODS: Hyperpolarized [1-(13)C]acetate prepared via dissolution dynamic nuclear polarization was injected intravenously at different concentrations into rats. The (13)C magnetic resonance signals of [1-(13)C]acetate and [1-(13)C]acetylcarnitine were recorded in vivo for 1min. The kinetic rate constants related to the transformation of acetate into acetylcarnitine were deduced from the 3s time resolution measurements using two approaches, either mathematical modeling or relative metabolite ratios. RESULTS: Although separated by two biochemical transformations, a kinetic analysis of the (13)C label flow from [1-(13)C]acetate to [1-(13)C]acetylcarnitine led to a unique determination of the activity of ACS. The in vivo Michaelis constants for ACS were KM=0.35±0.13mM and Vmax=0.199±0.031μmol/g/min. CONCLUSIONS: The conversion rates from hyperpolarized acetate into acetylcarnitine were quantified in vivo and, although separated by two enzymatic reactions, these rates uniquely defined the activity of ACS. The conversion rates associated with ACS were obtained using two analytical approaches, both methods yielding similar results. GENERAL SIGNIFICANCE: This study demonstrates the feasibility of directly measuring ACS activity in vivo and, since the activity of ACS can be affected by various pathological states such as cancer or diabetes, the proposed method could be used to non-invasively probe metabolic signatures of ACS in diseased tissue.

Intramolecular carbenoid insertions : the reactions of [alpha]-diazoketones derived from furanyl, thienyl, benzofuranyl and benzothienyl acetic acids with rhodium (II) acetate /

A number of synthetically useful ring systems can be prepared via the intramolecular insertion of a metal-stabilized carbenoid into a heteroaromatic systems. The chemical outcome of these reactions are dependent not only on the nature of the heteroatom but also on the length of the aliphatic tether linking the carbenoid moiety with the aromatic fragment. Our work with furanyl and thienyl systems containing a single methylene tether have allowed for some rather atypical chemistry. For example, treatment of l-diazo-3-(2-thienyl)-2-propanone (6) with catalytic rhodium (II) acetate yields 5,6- dihydro-4^-cyclopenta[Z>]thiophen-5-one (3) while, the isomeric l-diazo-3-(3-thienyl)-2- propanone(15) gives a spiro-disulphide (20). Novel chemistry was also exhibited in the analogous furanyl systems. While treatment of l-diazo-3-(3-furanyl)-2-propanone (52) with Rh2(OAc)4 resulted in the expected 2-(4-Oxo-2-cyclopentenyliden)acetaldehyde (54), isomeric l-diazo-3-(2- furanyl)-2-propanone (8) undergoes vinylogous Wolff rearrangement to give a mixture of 6a-methyl-2,3,3a,6a-tetrahydrofuro[2,i-^>]furan-2-one (44) and 2-(2-methyl-3-furyl)acetic acid (43). Rhodium acetate catalyzed decomposition of l-diazo-3-(3-benzofuranyl)-2- propanone (84) and l-diazo-3-(2-benzofuranyl)-2-propanone (69)also allows for vinylogous Wolff rearrangement, a chemistry unseen in benzofuranyl systems with longer tethers. A number of interesting products were isolated from the trapping of intermediate ketenes. Decomposition of l-diazo-3-(3-benzothienyl)-2-propanone (100) resulted in the formation of 2,3-dihydro-l//-benzo[^]cyclopenta[^thiophen-2-one (102). However, in addition to (102), a dimer was also generated from the decomposition of l-diazo-3-(2- benzothienyl)-2-propanone (109). The insight into the mechanistic underpinnings of the above reactions are provided by molecular modeling at a PM3 level.

Intramolecular carbenoid insertion : reactions of [alpha] -diazoketones derived from benzothienyl, pyrolyl and indolyl alkanoic acids with rhodium (II) acetate

Recent studies have shown that the rhodium (II) acetate decomposition chemistry observed for a-diazoketones tethered to thienyl, furanyl, and benzofuranyl moieties is dependent not only on the nature of the heteroatom but also on the length of the aliphatic tether linking the diazoketone moiety with the aromatic fragment. The present thesis expands on these results and focuses on a-diazoketones tethered to benzothiophenes, pyrroles and indoles by a methylene linker. In the case of benzothiophenes, it was shown that the rhodium catalyst decomposition of I-diazo-4-(3-benzothienyl)-2-butanone (146) and 1-diazo-4-(3benzothienyl)- 2-butanone (152) allow for the isolation of 1,2,3a,3b-tetrahydro-3Hbenzo[ b]cyclopenta[1,3]cyclopropa- [1 ,2-d]thiophen-3-one (147) and 1,2,3a,3btetrahydro- 3H-benzo[b]cyclopenta[1,3]cyclopropa[1,2-d]thiophen-3-one (153). However treatment of 1-diazo-3-(3-Benzothienyl)-2-Propanone (165) with Rh(II) acetate results in the formation of 2,3-Dihydro-1H-benzo[b]cyclopenta[d]thiophen-2-one (159), while 1diazo- 3-(2-Benzothienyl)-2-Propanone with the same condition gives 5,5-bis( 1benzothiophen- 2-ylmethyl)-2(5H)-furanone (166) along with the tricycle 159. The chemistry of the pyrrolyl and the indolyl moieties linked to terminal adiazoketone systems was also investigated. The decomposition of I-diazo-(2-pyrrolyl)-2propanone (173) results in the formation of two products; the N-H insertion product IHpyrrolizin- 2(3H)-one (176) and the alkylation product 4,6-dihydrocyclopenta[b]pyrrol5( 1 H)-one (180). When 1-Diazo-3-(3-indoly)-3-propanone (194) is treated with catalytic amount of Rh (II) 3,4-dihydrocyclopenta[b]indol-2(1H)-one (193) is isolated quantitatively. The later reaction when monitored using IH NMR the intermediate 200 can be seen whose structure was confirmed by the comparison to series of model compounds. The mechanisms underlying these reactions as well as their synthetic utility is discussed.

Comparative safety respiratory pharmacology : validation of a head-out plethysmograph – pneumotachometer testing device in male Sprague–Dawley rats, Beagle dogs and Cynomolgus monkeys

Le but de cette étude était d’évaluer les qualifications de performance du système FlexiWare® chez le rat male Sprague Dawley et le singe Cynomolgus éveillés, ainsi que chez le chien Beagle éveillé et anesthésié, suite à l’administration de produits ayant une activité pharmacologique connue. Les produits utilisés incluaient l’albutérol administré par inhalation, la méthacholine, et le rémifentanil administrés par voie intraveineuse. Une solution saline administré par voie intraveneuse, a été utilisée comme substance témoin. Différentes variables ont servi à évaluer la réponse des animaux (rats, chien, singe). Ces dernières comprenaient la fréquence respiratoire (RR), le volume courant (TV), la ventilation minute (MV). Des paramètres additionnels ont été évalués chez le rat, soit les temps d’inspiration (IT) et d’expiration (ET), le temps du pic de débit expiratoire, les pics de débits inspiratoire et expiratoire, le ratio inspiratoire:expiratoire (I:E), le ratio inspiratoire sur respiration totale (I:TB), et l’écoulement expiratoire moyen (EF50). Les résultats obtenus ont démontré que le système FlexiWare® était suffisamment sensible et spécifique pour dépister, chez les espèces animales utilisées, les effets bronchodilateur, bronchoconstricteur et dépresseur central des substances testées. Il pourrait faire partie des méthodes (ICH 2000) utilisées en pharmacologie de sécurité lors de l’évaluation de substances pharmacologiques sur le système respiratoire des animaux de laboratoire. Les espèces animales utilisées ont semblé s’adapter aisément aux procédures de contention. Les paramètres évalués, RR, TV et MV ont permis de caractériser la réponse des animaux suite à l’administration de produits pharmacologiques à effets connus, judicieusement complétés par les variables de débit. L’ajout de paramètres du temps n’était pas primordiale pour détecter les effets des drogues, mais offre des outils complémentaires d’interpréter les changements physiologiques. Cependant, chez le rat conscient, la période d’évaluation ne devrait pas s’étendre au-delà d’une période de deux heures post traitement. Ces études constituent une évaluation des qualifications de performance de cet appareil et ont démontré de manière originale, la validation concurrentielle, en terme de précision (sensibilité et spécificité) et fiabilité pour différentes variables et sur différentes espèces.

Modulation de l'expression et de l'activité de la NADPH P450 réductase chez le lapin.

L’activité catalytique du cytochrome P450 dépend de la disponibilité d’électrons produits par la NADPH P450 réductase (NPR). Notre étude a pour but de déterminer comment l’expression de la NPR est modulée chez le lapin. Afin de comprendre comment l’expression de la NPR est modulée, des hépatocytes de lapins témoins ont été incubés pendant 2, 4, 24 et 48 heures en présence de plusieurs activateurs de facteurs de transcription connus du cytochrome P450. De plus, des lapins ayant reçu une injection sous-cutanée de térébenthine afin de produire une réaction inflammatoire aseptique sont sacrifiés 48 heures plus tard dans le but d’étudier les effets de l’inflammation sur l’expression de la NPR. La rosiglitazone, le fénofibrate, l’acétate de plomb et le chlorure de cobalt (des inducteurs des PPAR, PPAR, AP-1 et HIF-1), après 48 heures d’incubation, n’ont provoqué aucun changement d’expression ou d’activité de la NPR. Après 48 heures d’incubation, la dexaméthasone (Dexa) a augmenté la quantité d’ARNm (QT-PCR), l’expression et l’activité de la NPR (p<0,05), en plus d’augmenter l’ARNm des récepteurs nucléaires CAR (récepteur constitutif à l’androstane) et PXR (récepteur X prégnane) (p<0.05). Le phénobarbital (PB) a augmenté seulement l’activité de la NPR (p<0.05). Par contre, après 48 heures d’incubation, la combinaison PB et Dexa a augmenté la quantité d’ARNm, ainsi que l’expression et l’activité de la NPR (p<0.05). La combinaison de PB et Dexa a induit une augmentation d’ARNm des récepteurs nucléaires CAR, PXR et RXR (récepteur X du rétinoïde) plus précocement, soit après 2 heures d’incubation (p<0.05). Le PD098059 (PD), un bloqueur de l’activation de MAPK1 (mitogen-activated protein kinase), et l’acide okadaïque (OA), un inhibiteur de la protéine phosphatase 2A (PP2A), ont bloqué l'augmentation d'expression et d'activité de la NPR induite par le PB après 48 heures d’incubation. La réaction inflammatoire aseptique a diminué l’expression et l’activité de la NPR après 48 heures d’incubation (p<0.05). On conclue que la dexaméthasone et le phénobarbital sont des inducteurs potentiels de la NPR et que les voies de signalisation de CAR, PXR et RXR semblent être impliquées dans le contrôle de cette induction. Des études supplémentaires devront être complétées afin de confirmer ces résultats préliminaires.

Activités inflammatoires des angiopoïétines sur les neutrophiles

L’angiogenèse, caractérisée par la formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir de vaisseaux préexistants, est un processus accompagné par l’inflammation, impliquant la synthèse et la relâche de différents facteurs de croissance par les cellules inflammatoires. Parmi ces facteurs, seuls le vascular endothelial growth factor (VEGF) et les angiopoïétines (Ang1 et Ang2) peuvent participer à la régulation de l’inflammation et de l’angiogenèse. La famille des angiopoïétines comporte quatre membres, desquels l’Ang1 et l’Ang2 ont été les plus étudiés. Ces deux médiateurs inflammatoires sont capables d’activer le récepteur Tie2, dont l’expression a initialement été rapportée sur les cellules endothéliales (CE). Notre laboratoire a été le premier à démontrer l’expression de Tie2 à la surface des neutrophiles, ainsi que sa capacité, suite à son activation par l’Ang1 ou l’Ang2, à induire la synthèse du facteur d’activation plaquettaire (PAF), l’activation de la β2-intégrine, la migration des neutrophiles ainsi que leur adhésion aux CE. D’autres études ont montré que les CE emmagasinent et relâchent le VEGF et l’Ang2, tandis que les péricytes et les cellules musculaires lisses contiennent l’Ang1. Puisque les neutrophiles relâchent le VEGF et que les deux angiopoïétines ont la capacité d’activer Tie2 sur ces derniers, nous avons voulu déterminer si les neutrophiles contiennent l’Ang1 et/ou l’Ang2 et si elles peuvent être relâchées suite à une stimulation avec des agonistes proinflammatoires. Nous avons découvert que l’Ang1, mais pas l’Ang2 est présente dans les neutrophiles, et qu’elle est relâchée suite à une stimulation au phorbol myristate acetate (PMA). De plus, nous avons démontré que l’Ang1 est localisée au niveau du cytosol et que sa relâche est calcium-indépendante, contrairement au VEGF, qui est localisé dans les granules β et sa relâche est calcium-dépendante. Cette étude démontre pour la première fois l’expression et la localisation de l’Ang1 dans les neutrophiles. Une récente étude effectuée dans notre laboratoire a démontré que les angiopoïétines induisent la migration des neutrophiles en activant le récepteur Tie2 et la voie de la PI3K. De plus, les angiopoïétines ont potentialisé la migration induite par l’IL-8. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que l’Ang1 et/ou l’Ang2 seraient capables d’induire la relâche et/ou la synthèse de l’IL-8 par les neutrophiles. Nous avons démontré pour la première fois, la capacité de l’Ang1 à induire l’expression de l’ARNm, ainsi que la synthèse et la relâche d’IL-8 par les neutrophiles. Cependant, un traitement avec l’Ang2 seule ou en combinaison avec l’Ang1 n’a eu aucun effet sur les activités mentionnées ci-dessus. Nous avons aussi observé que la synthèse et la relâche d’IL-8 induite par l’Ang1 requièrent la transcription de l’ADN en ARNm, suivie par la stabilisation de ce dernier, qui ultimement induit la traduction de l’ARNm de l’IL-8 en sa protéine. Finalement, nous avons démontré que la stimulation des neutrophiles avec l’Ang1 induit ces activités en activant la voie de la p42/44 MAPK, tout en étant indépendantes de la p38 MAPK et la PI3K/Akt. Ces résultats sont en lien direct avec une récente étude dans laquelle nous avons observé que l’Ang1, mais pas l’Ang2 est capable d’augmenter la survie des neutrophiles via la relâche d’IL-8.