A Multi-Faceted Diagnostic Approach to Lung Infections in Patients with Cystic Fibrosis

One in 3,000 people in the US are born with cystic fibrosis (CF), a genetic disorder affecting the reproductive system, pancreas, and lungs. Lung disease caused by chronic bacterial and fungal infections is the leading cause of morbidity and mortality in CF. Identities of the microbes are traditionally determined by culturing followed by phenotypic and biochemical assays. It was first thought that the bacterial infections were caused by a select handful of bacteria such as S. aureus, H. influenzae, B. cenocepacia, and P. aeruginosa. With the advent of PCR and molecular techniques, the polymicrobial nature of the CF lung became evident. The CF lung contains numerous bacteria and the communities are diverse and unique to each patient. The total complexity of the bacterial infections is still being determined. In addition, only a few members of the fungal communities have been identified. Much of the fungal community composition is still a mystery. This dissertation addresses this gap in knowledge. A snap shot of CF sputa bacterial community was obtained using the length heterogeneity-PCR community profiling technique. The profiles show that south Florida CF patients have a unique, diverse, and dynamic bacterial community which changes over time. The identities of the bacteria and fungi present were determined using the state-of-the-art 454 sequencing. Sequencing results show that the CF lung microbiome contains commonly cultured pathogenic bacteria, organisms considered a part of the healthy core biome, and novel organisms. Understanding the dynamic changes of these identified microbes will ultimately lead to better therapeutical interventions. Early detection is key in reducing the lung damage caused by chronic infections. Thus, there is a need for accurate and sensitive diagnostic tests. This issue was addressed by designing a bacterial diagnostic tool targeted towards CF pathogens using SPR. By identifying the organisms associated with the CF lung and understanding their community interactions, patients can receive better treatment and live longer.

AFM and SPR studies of protein adsorption at solid/liquid interface

Membrane-like structure formed by surfactant molecules of didodecyldimethylammonium bromide (DDAB) on both HOPG and gold electrodes were studied with AFM and SPR techniques. The study shows that the thickness of the adsorbed layer of DDAB is strongly dependent on the concentration of the vesicle solution. We have also investigated the adsorption of redox protein, Cytochrome c, on graphite electrode with in situ tapping mode AFM. The protein adsorbs spontaneously onto the electrode covered with an adsorbed phosphate layer and forms a uniform monolayer. The adsorbed protein exhibits a reversible electron transfer at 0.17 V (Ag/AgCI) once the electrode potential has been increased to 0.75V. Using surface plasmon resonance spectroscopy we have measured subtle conformational change in protein, Cyt c, due to electron transfer of a single electron on MPA-coated gold electrode. The electron transfer induced change in the resonant angle is about 0.006 deg., which corresponds to ~ 0.2 A decreases in the thickness. This is consistent with that reduced state is more compact than the oxidized state.

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.

RIR-MAPLE deposition of plasmonic silver nanoparticles

© 2016, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.Nanoparticles are being explored in many different applications due to the unique properties offered by quantum effects. To broaden the scope of these applications, the deposition of nanoparticles onto substrates in a simple and controlled way is highly desired. In this study, we use resonant infrared matrix-assisted pulsed laser evaporation (RIR-MAPLE) for the deposition of metallic, silver nanoparticles for plasmonic applications. We find that RIR-MAPLE, a simple and versatile approach, is able to deposit silver nanoparticles as large as 80 nm onto different substrates with good adhesion, regardless of substrate properties. In addition, the nanoparticle surface coverage of the substrates, which result from the random distribution of nanoparticles across the substrate per laser pulse, can be simply and precisely controlled by RIR-MAPLE. Polymer films of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) are also deposited by RIR-MAPLE on top of the deposited silver nanoparticles in order to demonstrate enhanced absorption due to the localized surface plasmon resonance effect. The reported features of RIR-MAPLE nanoparticle deposition indicate that this tool can enable efficient processing of nanoparticle thin films for applications that require specific substrates or configurations that are not easily achieved using solution-based approaches.

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.

Heat Dissipation of Hybrid Iron Oxide-Gold Nanoparticles in an Agar Phantom

Hybrid iron oxide-gold nanoparticles (HNPs) have shown potential in cancer therapy as agents for tumour ablation
and thermal switches for targeted drug release. Heat generation occurs by exploitation of the surface plasmon
resonance of the gold coating, which usually occurs at the maximum UV absorption wavelength. However, lasers
at such wavelength are often expensive and highly specialised. Here, we report the heating and monitoring of heat
dissipation of HNPs suspended in agar phantoms using a relatively inexpensive Ng: YAG pulsed 1064 nm laser source.
The particles experience heating of up to 40°C with a total area of heat dissipation up to 132.73 mm2 from the 1 mm
diameter irradiation point after 60 seconds. This work reports the potential and possible drawbacks of these particles
for translation into cancer therapy based on our findings.

Immunoassays, optical and electrochemical immunosensorsfor tetrodotoxin determination in puffer fish samples

Tetrodotoxin (TTX) is a low molecular weight and potent marine neurotoxin which is usually present in some species of puffer fish. TTX selectively binds to voltage-sensitive sodium channels (VSGCs), blocking the influx of sodium into the cell and affecting neural transmission. The bioaccumulation of this toxin in seafood can poses a risk to human safety. With the purpose of achieving cheap, specific and reliable tools to determine TTX in puffer fish samples, a self-assembled dithiol-based immunoassay, an electrochemical immunosensor and an optical Surface Plasmon Resonance (SPR) immunosensor are proposed. The immunoassay for TTX based on the use of dithiols self-assembled on maleimide-plates (mELISA) has been able to detect as low as 2.28 μg/L of TTX. The effect of different puffer fish matrixes on this mELISA has been quantified and the corresponding correction factors have been established. This
mELISA has enabled to establish the cross-reactivity factors for four TTX analogues: 5,6,11-trideoxy-TTX, 5,6,11-trideoxy-4-anhydro-TTX, 11-nor-TTX-6-ol and 5,11-deoxy-TTX. The crossreactivity factors have also been established by the optical SPR immunosensor previously reported, which had a limit of detection (LOD) of 4.27 μg/L. The mELISA and the SPR immunosensor have then been tested with spiked-puffer fish matrixes, providing an effective
LOD of 0.23 and 0.43 mg/kg respectively, well below the limit set in Japan (2 mg/kg). The mELISA and the SPR immunosensor have also been applied to the analysis of naturally contaminated puffer fish samples, providing similar TTXs contents between techniques and also compared to LC-MS/MS. The suitability of these immunochemical techniques has been demonstrated not only for screening purposes, but also for research activities. Currently, given that dithiols could improve the electron transfer and the sensitivity of an electrochemical assay, the mELISA strategy is being transferred to gold electrodes for the electrochemical detection of TTX and the subsequent development of the multiplexed electrochemical immunosensor.

Fabrication, Optical Analysis and Photonic Applications of Certain Metallic Nanostructure-Integrated Dye Doped Polymer Optical Fibers” submitted by Ms. Suneetha Sebastian

Polymer Optical Fibers have occupied historically a place for large core flexible fibers operating in short distances. In addition to their practical passive application in short-haul communication they constitute a potential research field as active devices with organic dopants. Organic dyes are preferred as dopants over organic semiconductors due to their higher optical cross section. Thus organic dyes as gain media in a polymer fiber is used to develop efficient and narrow laser sources with a tunability throughout the visible region or optical amplifier with high gain. Dyes incorporated in fiber form has added advantage over other solid state forms such as films since the pump power required to excite the molecules in the core of the fiber is less thereby utilising the pump power effectively. In 1987, Muto et.al investigated a dye doped step index polymer fiber laser. Afterwards, numerous researches have been carried out in this area demonstrating laser emission from step index, graded index and hollow optical fibers incorporating various dyes. Among various dyes, Rhodamine6G is the most widely and commonly used laser dye for the last four decades. Rhodamine6G has many desirable optical properties which make it preferable over other organic dyes such as Coumarin, Nile Blue, Curcumin etc. The research focus on the implementation of efficient fiber lasers and amplifiers for short fiber distances. Developing efficient plastic lasers with electrical pumping can be a new proposal in this field which demands lowest possible threshold pump energy of the gain medium in the cavity as an important parameter. One way of improving the efficiency of the lasers, through low threshold pump energy, is by modifying the gain of the amplifiers in the resonator/cavity. Success in the field of Radiative Decay Engineering can pave way to this problem. Laser gain media consisting of dye-nanoparticle composites can improve the efficiency by lowering the lasing threshold and enhancing the photostability. The electric field confined near the surface of metal nanoparticles due to Localized Surface Plasmon Resonance can be very effective for the excitation of active centers to impart high optical gain for lasing. Since the Surface Plasmon Resonance of nanoparticles of gold and silver lies in the visible range, it can affect the spectral emission characteristics of organic dyes such as Rhodamine6G through plasmon field generated by the particles. The change in emission of the dye placed near metal nanoparticles depend on plasmon field strength which in turn depends on the type of metal, size of nanoparticle, surface modification of the particle and the wavelength of incident light. Progress in fabrication of different types of nanostructures lead to the advent of nanospheres, nanoalloys, core-shell and nanowires to name a few. The thesis deals with the fabrication and characterisation of polymer optical fibers with various metallic and bimetallic nanostructures incorporated in the gain media for efficient fiber lasers with low threshold and improved photostability.

A Comparative Study of Copper Chalcogenide Nanocrystals as Agents for Photothermal Therapy

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Storage stability of bevacizumab in polycarbonate and polypropylene syringes

Purpose To compare and examine the storage stability of compounded bevacizumab in polycarbonate (PC) and polypropylene (PP) syringes over a 6-month period. PC syringes have been used in a recent clinical study and bevacizumab stability has not been reported for this type of syringe. Methods Repackaged bevacizumab was obtained from Moorfields Pharmaceuticals in polycarbonate (PC) and polypropylene (PP) syringes. Bevacizumab from the stored syringes was analysed at monthly time points for a 6-month period and compared with bevacizumab from a freshly opened vial at each time point. SDS-PAGE electrophoresis and size-exclusion chromatography (SEC) was used to observe aggregation and degradation. Dynamic light scattering (DLS) provided information about the hydrodynamic size and particle size distribution of bevacizumab in solution. VEGF binding and the active concentration of bevacizumab was determined by surface plasmon resonance (SPR) using Biacore. Results SDS-PAGE and SEC analysis did not show any changes in the presence of higher molecular species (HMWS) or degradation products in PC and PP syringes from T0 to T6 compared to bevacizumab sampled from a freshly opened vial. The hydrodynamic diameter of bevacizumab in the PC syringe after six months of storage was not significantly different to bevacizumab taken from a freshly opened vial. Using SPR, the VEGF binding activity of bevacizumab in the PC syringe was comparable with bevacizumab taken from a freshly opened vial. Conclusion No significant difference over a 6-month period was observed in the quality of bevacizumab repackaged into prefilled PC polycarbonate and PP polypropylene syringes when compared to bevacizumab that is supplied from the vial.

An anti-TNF--α antibody mimetic to treat ocular inflammation

Infliximab is an antibody that neutralizes TNF-α and is used principally by systemic administration to treat many inflammatory disorders. We prepared the antibody mimetic Fab-PEG-Fab (FpFinfliximab) for direct intravitreal injection to assess whether such formulations have biological activity and potential utility for ocular use. FpFinfliximab was designed to address side effects caused by antibody degradation and the presence of the Fc region. Surface plasmon resonance analysis indicated that infliximab and FpFinfliximab maintained binding affinity for both human and murine recombinant TNF-α. No Fc mediated RPE cellular uptake was observed for FpFinfliximab. Both Infliximab and FpFinfliximab suppressed ocular inflammation by reducing the number of CD45+ infiltrate cells in the EAU mice model after a single intravitreal injection at the onset of peak disease. These results offer an opportunity to develop and formulate for ocular use, FpF molecules designed for single and potentially multiple targets using bi-specific FpFs.

Reduced graphene oxide and Ag wrapped TiO2 photocatalyst for enhanced visible light photocatalysis

A well-organised reduced graphene oxide (RGO) and silver (Ag) wrapped TiO2 nano-hybrid was successfully achieved through a facile and easy route. The inherent characteristics of the synthesized RGO-Ag/TiO2 were revealed through crystalline phase, morphology, chemical composition, Raman scattering, UV-visible absorption, and photoluminescence analyses. The adopted synthesis route significantly controlled the uniform formation of silver nanoparticles and contributed for the absorption of light in the visible spectrum through localized surface plasmon resonance effects. The wrapped RGO nanosheets triggered the electron mobility and promoted visible light shift towards red spectrum. The accomplishment of synergised effect of RGO and Ag well degraded Bisphenol A under visible light irradiation with a removal efficiency of 61.9%.

Structural Basis for Clonal Diversity of the Public T Cell Response to Dominant Epitopes from Cytomegalovirus and Influenza

A diverse T cell receptor (TCR) repertoire is a prerequisite for effective viral clearance. However, knowledge of human TCR repertoire to defined viral antigens is limited. Recent advances in high-throughput sequencing (HTS) and single-cell sorting have revolutionized the study of human TCR repertoires to different types of viruses. In collaboration with the laboratory of Dr. Nan-ping Weng (National Institute on Aging, NIH), we applied unique molecular identifier (UMI)-labelled HTS, single-cell paired TCR analysis, surface plasmon resonance, and X-ray crystallography to exhaustively interrogate CD8+ TCR repertoires specific for cytomegalovirus (CMV) and influenza A (Flu) in HLA-A2+ humans. Our two CMV-specific TCR-pMHC structures and two Flu-specific TCR-pMHC structures provide a plausible explanation for the much higher diversity of CMV-specific than Flu-specific TCR repertoires in humans. Our comprehensive biochemical and structural portrait of two different anti-viral T cell responses may contribute to the future development of predictors of immunity or disease at the individual level.

Design and validation of a novel generic platform for the production of tetravalent IgG1-like bispecific antibodies

International audience

Surface-plasmon-enhanced frequency upconversion in Pr(3+) doped tellurium-oxide glasses containing silver nanoparticles

A frequency upconversion process in Pr(3+) doped TeO(2)-ZnO glasses containing silver nanoparticles is studied under excitation with a nanosecond laser operating at 590 nm, in resonance with the (3)H(4)-->(1)D(2) transition. The excited Pr(3+) ions exchange energy in the presence of the nanoparticles, originating efficient conversion from orange to blue. The enhancement in the intensity of the luminescence at similar to 482 nm, corresponding to the (3)P(0)-->(3)H(4) transition, is due to the influence of the large local field on the Pr(3+) ions, which are located near the metallic nanoparticles. (C) 2008 American Institute of Physics.