Calcium signaling and the novel anti-proliferative effect of the UTP-sensitive P2Y11 receptor in rat cardiac myofibroblasts

During myocardial ischemia and reperfusion both purines and pyrimidines are released into the extracellular milieu, thus creating a signaling wave that propagates to neighboring cells via membrane-bound P2 purinoceptors activation. Cardiac fibroblasts (CF) are important players in heart remodeling, electrophysiological changes and hemodynamic alterations following myocardial infarction. Here, we investigated the role UTP on calcium signaling and proliferation of CF cultured from ventricles of adult rats. Co-expression of discoidin domain receptor 2 and -smooth muscle actin indicate that cultured CF are activated myofibroblasts. Intracellular calcium ([Ca2+]i) signals were monitored in cells loaded with Fluo-4 NW. CF proliferation was evaluated by the MTT assay. UTP and the selective P2Y4 agonist, MRS4062, caused a fast desensitizing [Ca2+]i rise originated from thapsigargin-sensitive internal stores, which partially declined to a plateau providing the existence of Ca2+ in the extracellular fluid. The biphasic [Ca2+]i response to UTP was attenuated respectively by P2Y4 blockers, like reactive blue-2 and suramin, and by the P2Y11 antagonist, NF340. UTP and the P2Y2 receptor agonist MRS2768 increased, whereas the selective P2Y11 agonist NF546 decreased, CF growth; MRS4062 was ineffective. Blockage of the P2Y11receptor or its coupling to adenylate cyclase boosted UTP-induced CF proliferation. Confocal microscopy and Western blot analysis confirmed the presence of P2Y2, P2Y4 and P2Y11 receptors. Data indicate that besides P2Y4 and P2Y2 receptors which are responsible for UTP-induced [Ca2+]i transients and growth of CF, respectively, synchronous activation of the previously unrecognized P2Y11 receptor may represent an important target for anti-fibrotic intervention in cardiac remodeling.

HIGH SENSITIVE PCR METHOD FOR DETECTION OF PATHOGENIC Leptospira spp. IN PARAFFIN-EMBEDDED TISSUES

This study describes the development and application of a new PCR assay for the specific detection of pathogenic leptospires and its comparison with a previously reported PCR protocol. New primers were designed for PCR optimization and evaluation in artificially-infected paraffin-embedded tissues. PCR was then applied to post-mortem, paraffin-embedded samples, followed by amplicon sequencing. The PCR was more efficient than the reported protocol, allowing the amplification of expected DNA fragment from the artificially infected samples and from 44% of the post-mortem samples. The sequences of PCR amplicons from different patients showed >99% homology with pathogenic leptospires DNA sequences. The applicability of a highly sensitive and specific tool to screen histological specimens for the detection of pathogenic Leptospira spp. would facilitate a better assessment of the prevalence and epidemiology of leptospirosis, which constitutes a health problem in many countries.

O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Towards cryogenic liquid –vapor energy storage units for space applications

Dissertation to obtain the Doctoral degree in Physics Engineering

Glucantime resistant Leishmania promastigotes are sensitive to pentostam

Growth inhibition in vitro tests were used to study the susceptibility to pentostam of different Leishmania strains involved in cutaneous and mucocutaneos leishmaniasis - one glucantime sensitive strain, three naturally glucantime resistant strains and one glucantime resistant line developed by in vitro drug exposure. Contrasting with the high degree , of glucantime resistance, all strains were sensitive to pentostam. These differences suggest that there is some relationship between chemical structure and in vitro activity for these antimonial compounds. These data justify a clinical re-evaluation to compare therapeutic efficacy of glucantime and pentostam in the treatment of leishmaniasis.

Fabrication and characterization of transparent conductive oxide surface sensors for electrocorticography – TrECoG

Understanding how the brain works has been one of the greatest goals of mankind. This desire fuels the scientific community to pursue novel techniques able to acquire the complex information produced by the brain at any given moment. The Electrocorticography (ECoG) is one of those techniques. By placing conductive electrodes over the dura, or directly over the cortex, and measuring the electric potential variation, one can acquire information regarding the activation of those areas. In this work, transparent ECoGs, (TrECoGs) are fabricated through thin film deposition of the Transparent Conductive Oxides (TCOs) Indium-Zinc-Oxide (IZO) and Gallium-Zinc-Oxide (GZO). Five distinct devices have been fabricated via shadow masking and photolithography. The data acquired and presented in this work validates the TrECoGs fabricated as efficient devices for recording brain activity. The best results were obtained for the GZO- based TrECoG, which presented an average impedance of 36 kΩ at 1 kHz for 500 μm diameter electrodes, a transmittance close to 90% for the visible spectrum and a clear capability to detect brain signal variations. The IZO based devices also presented high transmittance levels (90%), but with higher impedances, which ranged from 40 kΩ to 100 kΩ.

Semantic architecture for sensors

Based on the report for the unit “Sociology of New Information Technologies” of the Master on Computer Sciences at FCT/University Nova Lisbon in 2015-16. The responsible of this curricular unit is Prof. António Moniz

Produtos têxteis inteligentes incorporando filamentos compósitos com nanotubos de carbono

Programa Doutoral em Engenharia Têxtil.

Development of polymer wicks for the fabrication of bio-medical sensors

Polymer based wicking structures were fabricated by sintering powders of polycarbonate (PC), ultra-high molecular weight polyethylene and polyamide 12, aiming at selecting a suitable material for an innovative electroencephalography (EEG) bio-electrode. Preliminary experiments showed that PC based wicks displayed the best mechanical properties, therefore more detailed studies were carried out with PC to evaluate the influence of powder granulometry and processing parameters (pressure, temperature and time) on the mechanical properties, porosity, mean pore radius and permeability of the wicks. It was concluded that the mechanical properties are significantly enhanced by increasing the processing time and pressure, although at the expense of a significant decrease of porosity and mean pore diameter (and thus permeability), particularly for the highest applied pressures (74kPa). However, a good compromise between porosity/permeability and mechanical properties could be obtained by sintering PC powders of particle sizes below 500μm at 165°C for 5min, upon an applied pressure of 56kPa. Moreover, PC proved to be chemically stable in contact with an EEG common used disinfectant. Thus, wicking structures with appropriate properties for the fabrication of reusable bio-electrodes could be fabricated from the sintering of PC powders.

Towards "green" smart materials for force and strain sensors: The case of polyaniline

Stress/strain sensors constitute a class of devices with a global ever-growing market thanks to their use in many fields of modern life. They are typically constituted by thin metal foils deposited on flexible supports. However, the low inherent resistivity and limited flexibility of their constituents make them inadequate for several applications, such as measuring large movements in robotic systems and biological tissues. As an alternative to the traditional compounds, in the present work we will show the advantages to employ a smart material, polyaniline (PANI), prepared by an innovative environmentally friendly route, for force/strain sensor applications wherein simple processing, environmental friendliness and sensitivity are particularly required.

Inkjet printing technology for flexible pressure sensors

Tese de Doutoramento Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos.

Thin films composed of gold nanoparticles dispersed in a dielectric matrix: the influence of the host matrix on the optical and mechanical responses

Gold nanoparticles were dispersed in two different dielectric matrices, TiO2 and Al2O3, using magnetron sputtering and a post-deposition annealing treatment. The main goal of the present work was to study how the two different host dielectric matrices, and the resulting microstructure evolution (including both the nanoparticles and the host matrix itself) promoted by thermal annealing, influenced the physical properties of the films. In particular, the structure and morphology of the nanocomposites were correlated with the optical response of the thin films, namely their localized surface plasmon resonance (LSPR) characteristics. Furthermore, and in order to scan the future application of the two thin film system in different types of sensors (namely biological ones), their functional behaviour (hardness and Young's modulus change) was also evaluated. Despite the similar Au concentrations in both matrices (~ 11 at.%), very different microstructural features were observed, which were found to depend strongly on the annealing temperature. The main structural differences included: (i) the early crystallization of the TiO2 host matrix, while the Al2O3 one remained amorphous up to 800 °C; (ii) different grain size evolution behaviours with the annealing temperature, namely an almost linear increase for the Au:TiO2 system (from 3 to 11 nm), and the approximately constant values observed in the Au:Al2O3 system (4–5 nm). The results from the nanoparticle size distributions were also found to be quite sensitive to the surrounding matrix, suggesting different mechanisms for the nanoparticle growth (particle migration and coalescence dominating in TiO2 and Ostwald ripening in Al2O3). These different clustering behaviours induced different transmittance-LSPR responses and a good mechanical stability, which opens the possibility for future use of these nanocomposite thin film systems in some envisaged applications (e.g. LSPR-biosensors).

Optimization of magnetoelectric composites based on electroactive polymers for energy harvesting and sensor application

Tese de Doutoramento em Engenharia de Materiais.

Patterned CNT-PDMS nanocomposites for flexible pressure sensors

This paper reports the fabrication process and characterization of a flexible pressure sensor based on polydimethylsiloxane (PDMS) and multi-walled carbon nanotubes (CNT-PDMS). The proposed approach relies on patterned CNT-PDMS nanocomposite strain gauges fabricated with SU-8 microstructures (with the micropatterns) in a low‑cost and simple fabrication process. This nanocomposite polymer is mounted over a PDMS membrane, which, in turn, lies on top of a PDMS diaphragm like structure. This configuration enables the PDMS membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the nanocomposite strain gauges, effectively changing their electrical resistance. Carbon nanotubes have several advantages such as excellent mechanical properties, high electrical conductivity and thermal stability. Furthermore, the measurement range of the proposed sensor can be adapted according to the application by varying the CNTs content and geometry of microstructure. In addition, the sensor’s biocompatibility, low cost and simple fabrication makes it very appealing for biomechanical strain sensing. The sensor’s sensitivity was about 0.073%ΔR/mmHg.

Flexible gastrointestinal motility pressure sensors based on aluminum thin-film strain-gauge arrays

This paper reports on an innovative approach to measuring intraluminal pressure in the upper gastrointestinal (GI) tract, especially monitoring GI motility and peristaltic movements. The proposed approach relies on thin-film aluminum strain gauges deposited on top of a Kapton membrane, which in turn lies on top of an SU-8 diaphragm-like structure. This structure enables the Kapton membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the strain gauges and effectively changing their electrical resistance. The sensor, with an area of 3.4 mm2, is fabricated using photolithography and standard microfabrication techniques (wet etching). It features a linear response (R2 = 0.9987) and an overall sensitivity of 2.6 mV mmHg−1. Additionally, its topology allows a high integration capability. The strain gauges’ responses to pressure were studied and the fabrication process optimized to achieve high sensitivity, linearity, and reproducibility. The sequential acquisition of the different signals is carried out by a microcontroller, with a 10-bit ADC and a sample rate of 250 Hz. The pressure signals are then presented in a user-friendly interface, developed using the Integrated Development Environment software, QtCreator IDE, for better visualization by physicians.