Localized surface plasmon resonance biosensors for real-time biomolecular binding study

Surface Plasmon Resonance (SPR) and localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensors have brought a revolutionary change to in vitro study of biological and biochemical processes due to its ability to measure extremely small changes in surface refractive index (RI), binding equilibrium and kinetics. Strategies based on LSPR have been employed to enhance the sensitivity for a variety of applications, such as diagnosis of diseases, environmental analysis, food safety, and chemical threat detection. In LSPR spectroscopy, absorption and scattering of light are greatly enhanced at frequencies that excite the LSPR, resulting in a characteristic extinction spectrum that depends on the RI of the surrounding medium. Compositional and conformational change within the surrounding medium near the sensing surface could therefore be detected as shifts in the extinction spectrum. This dissertation specifically focuses on the development and evaluation of highly sensitive LSPR biosensors for in situ study of biomolecular binding process by incorporating nanotechnology. Compared to traditional methods for biomolecular binding studies, LSPR-based biosensors offer real-time, label free detection. First, we modified the gold sensing surface of LSPR-based biosensors using nanomaterials such as gold nanoparticles (AuNPs) and polymer to enhance surface absorption and sensitivity. The performance of this type of biosensors was evaluated on the application of small heavy metal molecule binding affinity study. This biosensor exhibited ∼7 fold sensitivity enhancement and binding kinetics measurement capability comparing to traditional biosensors. Second, a miniaturized cell culture system was integrated into the LSPR-based biosensor system for the purpose of real-time biomarker signaling pathway studies and drug efficacy studies with living cells. To the best of our knowledge, this is the first LSPR-based sensing platform with the capability of living cell studies. We demonstrated the living cell measurement ability by studying the VEGF signaling pathway in living SKOV-3 cells. Results have shown that the VEGF secretion level from SKOV-3 cells is 0.0137 ± 0.0012 pg per cell. Moreover, we have demonstrated bevacizumab drug regulation to the VEGF signaling pathway using this biosensor. This sensing platform could potentially help studying biomolecular binding kinetics which elucidates the underlying mechanisms of biotransportation and drug delivery.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Expression of high amounts of the CD117 molecule in a case of B-cell non-Hodgkin's lymphoma carrying the t(14:18) translocation.

The c-kit proto-oncogen (CD117) has been described to be present in normal and neoplastic hemopoietic cells including both myeloid and lymphoid lineages. Among the normal lymphoid cells CD117 expression would be restricted to a small subset of NK-cells, and to early T-cell precursors and it is not expressed by normal B-cells. Regarding chronic lymphoproliferative disorders the only data provided up to now suggests that CD117 expression is restricted to cases of Hodgkin's disease and anaplastic large-cell lymphoma. In the present paper we describe a case of a B-cell chronic lymphoproliferative disorder carrying the t(14:18) translocation as demonstrated by molecular studies, in which the flow cytometric immunophenotypic analysis of both peripheral blood and bone marrow samples revealed the expression of high amounts of the CD117 antigen in the surface of the clonal B-cell population. Further studies are necessary to explore both the functional role of c-kit expression in the neoplastic B-cells from this patient and its potential utility for the diagnosis and follow-up of patients with B-cell non-Hodgkin's lymphoma.

The role of dinucleoside polyphosphates on the ocular surface and other eye structures

Dinucleoside polyphosphates comprises a group of dinucleotides formed by two nucleosides linked by a variable number of phosphates, abbreviated NpnN (where n represents the number of phosphates). These compounds are naturally occurring substances present in tears, aqueous humour and in the retina. As the consequence of their presence, these dinucleotides contribute to many ocular physiological processes. On the ocular surface, dinucleoside polyphosphates can stimulate tear secretion, mucin release from goblet cells and they help epithelial wound healing by accelerating cell migration rate. These dinucleotides can also stimulate the presence of proteins known to protect the ocular surface against microorganisms, such as lysozyme and lactoferrin. One of the latest discoveries is the ability of some dinucleotides to facilitate the paracellular way on the cornea, therefore allowing the delivery of compounds, such as antiglaucomatous ones, more easily within the eye. The compound Ap4A has been described being abnormally elevated in patient's tears suffering of dry eye, Sjogren syndrome, congenital aniridia, or after refractive surgery, suggesting this molecule as biomarker for dry eye condition. At the intraocular level, some diadenosine polyphosphates are abnormally elevated in glaucoma patients, and this can be related to the stimulation of a P2Y2 receptor that increases the chloride efflux and water movement in the ciliary epithelium. In the retina, the dinucleotide dCp4U, has been proven to be useful to help in the recovery of retinal detachments. Altogether, dinucleoside polyphosphates are a group of compounds which present relevant physiological actions but which also can perform promising therapeutic benefits.

Ultrasound and microwave assisted extraction of ergosterol from Agaricus bisporus L.: optimization through response surface methodology

There is scientific evidence demonstrating the benefits of mushrooms ingestion due to their richness in bioactive compounds such as mycosterols, in particular ergosterol [I]. Agaricus bisporus L. is the most consumed mushroom worldwide presenting 90% of ergosterol in its sterol fraction [2]. Thus, it is an interesting matrix to obtain ergosterol, a molecule with a high commercial value. According to literature, ergosterol concentration can vary between 3 to 9 mg per g of dried mushroom. Nowadays, traditional methods such as maceration and Soxhlet extraction are being replaced by emerging methodologies such as ultrasound (UAE) and microwave assisted extraction (MAE) in order to decrease the used solvent amount, extraction time and, of course, increasing the extraction yield [2]. In the present work, A. bisporus was extracted varying several parameters relevant to UAE and MAE: UAE: solvent type (hexane and ethanol), ultrasound amplitude (50 - 100 %) and sonication time (5 min-15 min); MAE: solvent was fixed as ethanol, time (0-20 min), temperature (60-210 •c) and solid-liquid ratio (1-20 g!L). Moreover, in order to decrease the process complexity, the pertinence to apply a saponification step was evaluated. Response surface methodology was applied to generate mathematical models which allow maximizing and optimizing the response variables that influence the extraction of ergosterol. Concerning the UAE, ethanol proved to be the best solvent to achieve higher levels of ergosterol (671.5 ± 0.5 mg/100 g dw, at 75% amplitude for 15 min), once hexane was only able to extract 152.2 ± 0.2 mg/100 g dw, in the same conditions. Nevertheless, the hexane extract showed higher purity (11%) when compared with the ethanol counterpart ( 4% ). Furthermore, in the case of the ethanolic extract, the saponification step increased its purity to 21%, while for the hexane extract the purity was similar; in fact, hexane presents higher selectivity for the lipophilic compounds comparatively with ethanol. Regarding the MAE technique, the results showed that the optimal conditions (19 ± 3 min, 133 ± 12 •c and 1.6 ± 0.5 g!L) allowed higher ergosterol extraction levels (556 ± 26 mg/100 g dw). The values obtained with MAE are close to the ones obtained with conventional Soxhlet extraction (676 ± 3 mg/100 g dw) and UAE. Overall, UAE and MAE proved to he efficient technologies to maximize ergosterol extraction yields.

Optimization of ultrasound-assisted extraction to obtain mycosterols from Agaricus bisporus L. by response surface methodology and comparison with conventional Soxhlet extraction

Ergosterol, a molecule with high commercial value, is the most abundant mycosterol in Agaricus bisporus L. To replace common conventional extraction techniques (e.g. Soxhlet), the present study reports the optimal ultrasound-assisted extraction conditions for ergosterol. After preliminary tests, the results showed that solvents, time and ultrasound power altered the extraction efficiency. Using response surface methodology, models were developed to investigate the favourable experimental conditions that maximize the extraction efficiency. All statistical criteria demonstrated the validity of the proposed models. Overall, ultrasound-assisted extraction with ethanol at 375 W during 15 min proved to be as efficient as the Soxhlet extraction, yielding 671.5 ± 0.5mg ergosterol/100 g dw. However, with n-hexane extracts with higher purity (mg ergosterol/g extract) were obtained. Finally, it was proposed for the removal of the saponification step, which simplifies the extraction process and makes it more feasible for its industrial transference.

Microcantilever arrays functionalised with spiropyran photoactive moieties as systems to measure photo-induced surface stress changes

[EN] Herein we investigate the feasibility of detecting photo-induced surface stress changes using the deflection response of cantilevers. For this purpose, silicon microcantilevers have been functionalised with spiropyran photochromic molecules, using both a monolayer and a polymeric brushes approach. Uponultraviolet light irradiation, the spiropyran unit is converted to the merocyanine form due to the photo-induced cleavage of the Cspiro-O bond. The two forms of the molecule have dramatically different charge,polarity and molecular conformations. This makes spiropyrans an ideal system to study the correlation between photo-induced molecular changes and corresponding changes in surface stress. Our investigations include monitoring the changes in static cantilever deflection, and consequently, surface stress of the spiropyran functionalised cantilevers on exposure to ultraviolet light. Cantilever deflection data reveals that ultraviolet induced conformational changes in the spiropyran moiety cause a change incompressive surface stress and this varies with the type of functionalisation method implemented. The change in surface stress response from the spiropyran polymer brushes functionalised cantilevers gives an average surface stress change of 98 Nm−1(n = 24) while the spiropyran monolayer coated cantilevers have an average surface stress change of about 446 Nm−1(n = 8) upon irradiation with UV light.

Localized Surface Plasmon Resonance Biosensors for Real-Time Biomolecular Binding Study

Surface Plasmon Resonance (SPR) and localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensors have brought a revolutionary change to in vitro study of biological and biochemical processes due to its ability to measure extremely small changes in surface refractive index (RI), binding equilibrium and kinetics. Strategies based on LSPR have been employed to enhance the sensitivity for a variety of applications, such as diagnosis of diseases, environmental analysis, food safety, and chemical threat detection. In LSPR spectroscopy, absorption and scattering of light are greatly enhanced at frequencies that excite the LSPR, resulting in a characteristic extinction spectrum that depends on the RI of the surrounding medium. Compositional and conformational change within the surrounding medium near the sensing surface could therefore be detected as shifts in the extinction spectrum. This dissertation specifically focuses on the development and evaluation of highly sensitive LSPR biosensors for in situ study of biomolecular binding process by incorporating nanotechnology. Compared to traditional methods for biomolecular binding studies, LSPR-based biosensors offer real-time, label free detection. First, we modified the gold sensing surface of LSPR-based biosensors using nanomaterials such as gold nanoparticles (AuNPs) and polymer to enhance surface absorption and sensitivity. The performance of this type of biosensors was evaluated on the application of small heavy metal molecule binding affinity study. This biosensor exhibited ~7 fold sensitivity enhancement and binding kinetics measurement capability comparing to traditional biosensors. Second, a miniaturized cell culture system was integrated into the LSPR-based biosensor system for the purpose of real-time biomarker signaling pathway studies and drug efficacy studies with living cells. To the best of our knowledge, this is the first LSPR-based sensing platform with the capability of living cell studies. We demonstrated the living cell measurement ability by studying the VEGF signaling pathway in living SKOV-3 cells. Results have shown that the VEGF secretion level from SKOV-3 cells is 0.0137 ± 0.0012 pg per cell. Moreover, we have demonstrated bevacizumab drug regulation to the VEGF signaling pathway using this biosensor. This sensing platform could potentially help studying biomolecular binding kinetics which elucidates the underlying mechanisms of biotransportation and drug delivery.

The effect of mechanochemical activation upon the intercalation of a high-defect kaolinite with formamide

The effect of mechanochemical activation upon the intercalation of formamide into a high-defect kaolinite has been studied using a combination of X-ray diffraction, thermal analysis, and DRIFT spectroscopy. X-ray diffraction shows that the intensity of the d(001) spacing decreases with grinding time and that the intercalated high-defect kaolinite expands to 10.2 A. The intensity of the peak of the expanded phase of the formamide-intercalated kaolinite decreases with grinding time. Thermal analysis reveals that the evolution temperature of the adsorbed formamide and loss of the inserting molecule increases with increased grinding time. The temperature of the dehydroxylation of the formamide-intercalated high-defect kaolinite decreases from 495 to 470oC with mechanochemical activation. Changes in the surface structure of the mechanochemically activated formamide-intercalated high-defect kaolinite were followed by DRIFT spectroscopy. Fundamentally the intensity of the high-defect kaolinite hydroxyl stretching bands decreases exponentially with grinding time and simultaneously the intensity of the bands attributed to the OH stretching vibrations of water increased. It is proposed that the mechanochemical activation of the high-defect kaolinite caused the conversion of the hydroxyls to water which coordinates the kaolinite surface. Significant changes in the infrared bands assigned to the hydroxyl deformation and amide stretching and bending modes were observed. The intensity decrease of these bands was exponentially related to the grinding time. The position of the amide C&unknown;O vibrational mode was found to be sensitive to grinding time. The effect of mechanochemical activation of the high-defect kaolinite reduces the capacity of the kaolinite to be intercalated with formamide.