Covalent Protein Adduction by Drugs of Abuse

Recreational abuse of the drugs cocaine, methamphetamine, and morphine continues to be prevalent in the United States of America and around the world. While numerous methods of detection exist for each drug, they are generally limited by the lifetime of the parent drug and its metabolites in the body. However, the covalent modification of endogenous proteins by these drugs of abuse may act as biomarkers of exposure and allow for extension of detection windows for these drugs beyond the lifetime of parent molecules or metabolites in the free fraction. Additionally, existence of covalently bound molecules arising from drug ingestion can offer insight into downstream toxicities associated with each of these drugs. This research investigated the metabolism of cocaine, methamphetamine, and morphine in common in vitro assay systems, specifically focusing on the generation of reactive intermediates and metabolites that have the potential to form covalent protein adducts. Results demonstrated the formation of covalent adduction products between biological cysteine thiols and reactive moieties on cocaine and morphine metabolites. Rigorous mass spectrometric analysis in conjunction with in vitro metabolic activation, pharmacogenetic reaction phenotyping, and computational modeling were utilized to characterize structures and mechanisms of formation for each resultant thiol adduction product. For cocaine, data collected demonstrated the formation of adduction products from a reactive arene epoxide intermediate, designating a novel metabolic pathway for cocaine. In the case of morphine, data expanded on known adduct-forming pathways using sensitive and selective analysis techniques, following the known reactive metabolite, morphinone, and a proposed novel metabolite, morphine quinone methide. Data collected in this study describe novel metabolic events for multiple important drugs of abuse, culminating in detection methods and mechanistic descriptors useful to both medical and forensic investigators when examining the toxicology associated with cocaine, methamphetamine, and morphine.

Étude des phénomènes d'entartrage de la gibbsite sur les surfaces métalliques

Le procédé Bayer est cyclique et il permet d'extraire les hydrates d'alumine, contenu dans le minerai de bauxite. L'alumine est la matière première nécessaire pour la production de l'aluminium métallique par le procédé d'électrolyse. La solubilisation des hydrates d'alumine est effectuée dans une solution d'hydroxyde de sodium concentrée, liqueur Bayer, à haute température et pression. Il existe deux types de procédé : un procédé dit à basse température (150ÀC) et un procédé dit haute température (250ÀC). Selon la température utilisée, certaines impuretés présentes dans la bauxite vont être solubilisées comme par exemple la silice, le fer ou le titane. Comme le procédé est basé sur la solubilisation puis sur la précipitation des hydrates d'alumine, la solution est chauffée puis refroidie par une série d'échangeurs de chaleur. Ces changements de température impliquent des variations dans les conditions de saturation et sursaturation ce qui va conséquemment causer la formation de tartre dans le procédé. Selon la température du procédé utilisé, la composition chimique du tartre formé peut être différente. Dans le but d'inhiber partiellement ou totalement la cristallisation de la gibbsite, ou hydrate d'alumine, sur les surfaces métalliques, la compréhension des paramètres influençant sa formation est nécessaire. L'un des moyens de réduire ou d'inhiber la formation du tartre est de modifier les énergies de surface entre les surfaces métalliques et la solution de liqueur Bayer. Pour ce faire, des métaux ayant des propriétés différentes seront étudiés en entartrage et des composés organiques seront ajoutées à la solution d'hydroxyde de sodium afin de modifier l'interface entre ces métaux et la solution. L'influence des hydrates d'alumine et des différents composés organiques sur les métaux sera déterminer [i.e. déterminée] par des mesures d'isothermes d'adsorption, de potentiels zêta et d'angles de contact, dans le but d'établir une corrélation entre l'interface métal/solution et les temps de nucléation mesurés en entartrage. Un deuxième volet consiste en la fabrication d'un montage en laboratoire permettant d'effectuer la formation reproductible du tartre de freudenbergite. La freudenbergite est un tartre à base de titane qui se forme dans le procédé à haute température. Cette étude démontre que la formation du tartre dans le procédé Bayer est un phénomène de formation de cristaux de gibbsite en solution qui vont adhérer aux défauts de surfaces des surfaces métalliques. En ce sens, la rugosité de surface des métaux est le facteur déterminant pour la formation du tartre dans le procédé Bayer. Des tests d'entartrage réalisés au laboratoire sur cinq métaux différents démontrent une corrélation évidente entre la rugosité de surface, mesurée par microscope à force atomique, et les temps de nucléation obtenus en entartrage. Les mesures d'interactions interfaciales des aluminates de sodium sur les métaux étudiés, en présence ou non de composés organiques, ne permettent pas d'établir de corrélation avec les temps de nucléation obtenus en entartrage. Par contre, l'allongement de l'entartrage en présence de gluconate et de tartrate de sodium, des composés inhibiteurs de croissance des cristaux de gibbsite, confirme le phénomène de formation du tartre par des cristaux formés en solution. La croissance des cristaux de tartre étant partiellement inhibée, les temps de nucléation vont être allongés lors des tests d'entartrage. À l'inverse, l'EDTA favorise la formation de plusieurs cristaux en solution, ce qui diminue significativement la vitesse d'entartrage lorsqu'elle est ajoutée dans la liqueur Bayer. Afin de confirmer que la rugosité de surface est le facteur prédominant dans la formation du tartre dans le procédé Bayer, dans nos conditions de laboratoire, des tests d'entartrage sont effectués sur une surface d'or recouverte d'une monocouche d'alcane thiols. Ces tests démontrent que le changement de nature de la surface d'or ne permet pas de changer significativement le temps de nucléation de l'or dans nos conditions d'entartrage. Un montage expérimental comportant un four et quatre autoclaves, contrôlé par un système informatique a permis d'effectuer la formation de tartre de freudenbergite de façon reproductible au laboratoire.

Molecular probes for monitoring mitochondrial movement and function

This thesis explores two distinct parts of mitochondrial physiology: the role of mitochondria in generation of reactive oxygen species (ROS) and mitochondrial morphology and dynamics within cells. The first area of research is covered in Chapters 1-8. Mitochondrial biofunctionality and ROS production are discussed in Chapter 1, followed by the strategy of targeting bioactive compounds to mitochondria by linking them to lipophilic triphenylphosphonium cations (TPP) (Chapter 2). ROS sensors relevant to the research are reviewed in Chapter 3. Chapter 4 presents design and synthesis of novel probes for superoxide detection in mitochondria (MitoNeo-D), cytosol (Neo-D) and extracellular environment (ExCellNeo-D). The results of biological validation of MitoNeo-D and Neo-D performed in the MRC MBU in Cambridge are presented in Chapter 5. A dicationic hydrogen peroxide sensor that utilizes in situ click chemistry is discussed in Chapter 6. Preliminary work on the synthesis of mitochondria-targeted superoxide generators, which led to the development of mitochondria-targeted analogue of paraquat, MitoPQ, is presented in Chapter 7. A set of bifunctional probes (BCN-Mal, BCN-E-BCN and Mito-iTag) for assessing the redox states of protein thiols is discussed in Chapter 8 along with their biological validation. The second part of the thesis is aimed at the study of mitochondrial morphology and dynamics and is presented in Chapters 9-11. Chapter 9 provides background on the classes of fluorophores relevant to the research, the phenomenon of fluorescence quenching and the principle of photoactivation with examples of photoactivatable fluorophores. Next, the background on mitochondrial morphology and heterogeneity is presented in Chapter 10, followed by the ways of imaging and tracking mitochondria within cells by conventional fluorophores and by photoactivatable fluorophores exploiting super-resolution microscopy. Chapter 11 presents the design and synthesis of four photoactivatable fluorophores for mitochondrial tracking, MitoPhotoRhod110, MitoPhotoNIR, Photo-E+, MitoPhoto-E+, along with results of biological validation of MitoPhotoNIR. The results and discussion concludes with Chapter 12, which is a summary and suggestions for future work, followed by the chemistry experimental procedures (Chapter 13), materials and methods for biological experiments (Chapter 14) and references.

Characterization of the volatile profile of Brazilian Merlot wines through comprehensive two dimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometric detection.

Wine aroma is an important characteristic and may be related to certain specific parameters, such as raw material and production process. The complexity of Merlot wine aroma was considered suitable for comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCGC), as this technique offers superior performance when compared to one-dimensional gas chromatography (1D-GC). The profile of volatile compounds of Merlot wine was, for the first time, qualitatively analyzed by HS-SPME-GCxGC with a time-of-flight mass spectrometric detector (TOFMS), resulting in 179 compounds tentatively identified by comparison of experimental GCxGC retention indices and mass spectra with literature 1D-GC data and 155 compounds tentatively identified only by mass spectra comparison. A set of GCGC experimental retention indices was also, for the first time, presented for a specific inverse set of columns. Esters were present in higher number (94), followed by alcohols (80), ketones (29), acids (29), aldehydes (23), terpenes (23), lactones (16), furans (14), sulfur compounds (9), phenols (7), pyrroles (5), C13-norisoprenoids (3), and pyrans (2). GCxGC/TOFMS parameters were improved and optimal conditions were: a polar (polyethylene glycol)/medium polar (50% phenyl 50% dimethyl arylene siloxane) column set, oven temperature offset of 10ºC, 7 s as modulation period and 1.4 s of hot pulse duration. Co-elutions came up to 138 compounds in 1D and some of them were resolved in 2D. Among the coeluted compounds, thirty-three volatiles co-eluted in both 1D and 2D and their tentative identification was possible only due to spectral deconvolution. Some compounds that might have important contribution to aroma notes were included in these superimposed peaks. Structurally organized distribution of compounds in the 2D space was observed for esters, aldehydes and ketones, alcohols, thiols, lactones, acids and also inside subgroups, as occurred with esters and alcohols. The Fischer Ratio was useful for establishing the analytes responsible for the main differences between Merlot and non-Merlot wines. Differentiation among Merlot wines and wines of other grape varieties were mainly perceived through the following components: ethyl dodecanoate, 1-hexanol, ethyl nonanoate, ethyl hexanoate, ethyl decanoate, dehydro-2-methyl-3(2H)thiophenone, 3-methyl butanoic acid, ethyl tetradecanoate, methyl octanoate, 1,4 butanediol, and 6-methyloctan-1-ol.