Is our heart a well-designed pump? The heart along animal evolution.

A carrier system for gases and nutrients became mandatory when primitive animals grew larger and developed different organs. The first circulatory systems are peristaltic tubes pushing slowly the haemolymph into an open vascular tree without capillaries (worms). Arthropods developed contractile bulges on the abdominal aorta assisted by accessory hearts for wings or legs and by abdominal respiratory motions. Two-chamber heart (atrium and ventricle) appeared among mollusks. Vertebrates have a multi-chamber heart and a closed circulation with capillaries. Their heart has two chambers in fishes, three chambers (two atria and one ventricle) in amphibians and reptiles, and four chambers in birds and mammals. The ventricle of reptiles is partially divided in two cavities by an interventricular septum, leaving only a communication of variable size leading to a variable shunt. Blood pressure increases progressively from 15 mmHg (worms) to 170/70 mmHg (birds) according to the increase in metabolic rate. When systemic pressure exceeds 50 mmHg, a lower pressure system appears for the circulation through gills or lungs in order to improve gas exchange. A four-chamber heart allows a complete separation of systemic and pulmonary circuits. This review describes the circulatory pumping systems used in the different classes of animals, their advantages and failures, and the way they have been modified with evolution.

Lipossomas: a bala mágica acertou?

Efficient drug delivery systems are as important as drug themselves. A powerful drug unable to reach the target cell is useless in practice. Ehrlich's Magic Bullet was the first carrier system to be proposed. The evolution in this domain has been quite slow as the natural mechanisms of mammals against foreign products are hard to overcome. However, lipid-based systems (liposomes and related vesicles) have attained reasonable success. The basic preparations and structural features of liposomes and related vesicles as well as their applications are addressed from the chemist's and biochemist's point of view.

Preparação e caracterização físico-química de complexos de inclusão entre anestésicos locais e hidroxipropil-beta-ciclodextrina

S(-) Bupivacaine (S(-)BVC) and Lidocaine (LDC) are widely used local anesthetics (LA). Hydroxypropyl beta-cyclodextrin (HP-beta-CD) is used as a drug-carrier system. The aim of this work was to characterize inclusion complexes between LA and HP-beta-CD. The affinity constants determined at different pHs show favourable complexation. The release kinetics experiments showed that S(-)BVC and LDC changed the released profiles in the presence of HP-beta-CD. Nuclear magnetic resonance experiments gave information about the interaction between LA and the cyclodextrin cavity. This study focused on the physicochemical characterization of drug-delivery formulations that come out as potentially new therapeutic options for pain treatment.

Estudo de liberação e permeação in vitro do diclofenaco de dietilamônio em microemulsão gel-like

The goal of this study was to produce and characterize a new microemulsion gel-like carrier system (MEG) by using the pseudo-ternary phase-diagram concept. The diclofenac diethylamine (DDA) was incorporated in the MEG and its in vitro release and permeation profiles were performed using Franz-type diffusion cells. The results revealed that the commercial DDA emulgel provided significantly higher Kp of DDA (2.2-fold) as compared to the MEG. Similar data were obtained in the permeation studies in which DDA Kp 4.7-fold higher. Therefore, MEG presents higher potential as a topical delivery system for DDA when compared to the commercial DDA emulgel.

Lethal weapons : novel approaches for receptor-targeted cancer cell elimination

The currently used forms of cancer therapy are associated with drug resistance and toxicity to healthy tissues. Thus, more efficient methods are needed for cancer-specific induction of growth arrest and programmed cell death, also known as apoptosis. Therapeutic forms of tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) are investigated in clinical trials due to the capability of TRAIL to trigger apoptosis specifically in cancer cells by activation of cell surface death receptors. Many tumors, however, have acquired resistance to TRAIL-induced apoptosis and sensitizing drugs for combinatorial treatments are, therefore, in high demand. This study demonstrates that lignans, natural polyphenols enriched in seeds and cereal, have a remarkable sensitizing effect on TRAIL-induced cell death at non-toxic lignan concentrations. In TRAIL-resistant and androgen-dependent prostate cancer cells we observe that lignans repress receptor tyrosine kinase (RTK) activity and downregulate cell survival signaling via the Akt pathway, which leads to increased TRAIL sensitivity. A structure-activity relationship analysis reveals that the γ-butyrolactone ring of the dibenzylbutyrolactone lignans is essential for the rapidly reversible TRAIL-sensitizing activity of these compounds. Furthermore, the lignan nortrachelogenin (NTG) is identified as the most efficient of the 27 tested lignans and norlignans in sensitization of androgen-deprived prostate cancer cells to TRAIL-induced apoptosis. While this combinatorial anticancer approach may leave normal cells unharmed, several efficient cancer drugs are too toxic, insoluble or unstable to be used in systemic therapy. To enable use of such drugs and to protect normal cells from cytotoxic effects, cancer-targeted drug delivery vehicles of nanometer scale have recently been generated. The newly developed nanoparticle system that we tested in vitro for cancer cell targeting combines the efficient drug-loading capacity of mesoporous silica to the versatile particle surface functionalization of hyperbranched poly(ethylene imine), PEI. The mesoporous hybrid silica nanoparticles (MSNs) were functionalized with folic acid to promote targeted internalization by folate receptor overexpressing cancer cells. The presented results demonstrate that the developed carrier system can be employed in vitro for cancer selective delivery of adsorbed or covalently conjugated molecules and furthermore, for selective induction of apoptotic cell death in folate receptor expressing cancer cells. The tested carrier system displays potential for simultaneous delivery of several anticancer agents specifically to cancer cells also in vivo.

Mise au point de nanoparticules polymères pour l'administration parentérale d'agents anticancéreux hydrophobes

Plusieurs agents anticancéreux très puissants sont caractérisés par une solubilité aqueuse limitée et une toxicité systémique importante. Cette dernière serait liée d’une part à la solubilisation des agents anticancéreux à l’aide de surfactifs de bas poids moléculaire, connus pour leur toxicité intrinsèque, et d’autre part, par le manque de spécificité tissulaire des anticancéreux. Les vecteurs colloïdaux à base de polymères permettraient de résoudre certains défis liés à la formulation d’agents anticancéreux hydrophobes. D’abord, les polymères peuvent être sélectionnés afin de répondre à des critères précis de compatibilité, de dégradation et d’affinité pour le médicament à formuler. Ensuite, le fait d’encapsuler l’agent anticancéreux dans un vecteur peut améliorer son efficacité thérapeutique en favorisant son accumulation au niveau du tissu cible, i.e. la tumeur, et ainsi limiter sa distribution au niveau des tissus sains. Des travaux antérieurs menés au sein de notre laboratoire ont mené à la mise au point de micelles à base de poly(N-vinyl-pyrrolidone)-bloc-poly(D,L-lactide) (PVP-b-PDLLA) capables de solubiliser des agents anticancéreux faiblement hydrosolubles dont le PTX. Ce dernier est commercialisé sous le nom de Taxol® et formulé à l’aide du Crémophor EL (CrEL), un surfactif de bas poids moléculaire pouvant provoquer, entre autres, des réactions d’hypersensibilité sévères. Bien que les micelles de PVP-b-PDLLA chargées de PTX aient démontré une meilleure tolérance comparée au Taxol®, leur potentiel de ciblage tumoral et leur efficacité thérapeutique étaient similaires à la forme commerciale à doses égales. Ceci était possiblement dû au fait que les micelles étaient rapidement déstabilisées et ne pouvaient retenir leur cargo suite à leur administration intraveineuse. Nous avons donc décidé de poursuivre les travaux avec un autre type de vecteur, soit des nanoparticules, qui possèdent une stabilité intrinsèque supérieure aux micelles. L’objectif principal de cette thèse de doctorat était donc de mettre au point des nanoparticules polymères pour l’administration parentérale d’agents anticancéreux faiblement solubles dans l’eau. Les nanoparticules devaient permettre d’encapsuler des agents anticancéreux hydrophobes et de les libérer de manière contrôlée sur plusieurs jours. De plus, elles devaient démontrer un temps de circulation plasmatique prolongée afin de favoriser l’accumulation passive du médicament encapsulé au niveau de la tumeur. La première partie du travail visait à employer pour la première fois le copolymère amphiphile PVP-b-PDLLA comme émulsifiant dans la préparation de nanoparticules polymères. Ainsi, une méthode de fabrication des nanoparticules par émulsion huile-dans-eau a été appliquée afin de produire des nanoparticules à base de PDLLA de taille inférieure à 250 nm. Grâce aux propriétés lyoprotectrices de la couronne de PVP présente à la surface des nanoparticules, celles-ci pouvaient retrouver leur distribution de taille initiale après lyophilisation et redispersion en milieu aqueux. Deux anticancéreux hydrophobes, soit le PTX et l’étoposide (ETO), ont été encapsulés dans les nanoparticules et libérés de ces dernières de façon contrôlée sur plusieurs jours in vitro. Une procédure de « salting-out » a été appliquée afin d’améliorer le taux d’incorporation de l’ETO initialement faible étant donnée sa solubilité aqueuse légèrement supérieure à celle du PTX. Le second volet des travaux visait à comparer le PVP comme polymère de surface des nanoparticules au PEG, le polymère le plus fréquemment employé à cette fin en vectorisation. Par le biais d’études d’adsorption de protéines, de capture par les macrophages et de biodistribution chez le rat, nous avons établi une corrélation in vitro/in vivo démontrant que le PVP n’était pas un agent de surface aussi efficace que le PEG. Ainsi, malgré la présence du PVP à la surface des nanoparticules de PDLLA, ces dernières étaient rapidement éliminées de la circulation sanguine suite à leur capture par le système des phagocytes mononucléés. Par conséquent, dans le troisième volet de cette thèse, le PEG a été retenu comme agent de surface, tandis que différents polymères biodégradables de la famille des polyesters, certains synthétiques (PDLLA et copolymères d’acide lactique/acide glycolique), d’autres de source naturelle (poly(hydroxyalkanoates)(PHAs)), ont été investiguées comme matériaux formant le cœur des nanoparticules. Il en est ressorti que les propriétés physicochimiques des polyesters avaient un impact majeur sur l’efficacité d’encapsulation du PTX et son profil de libération des nanoparticules in vitro. Contrairement aux PHAs, les polymères synthétiques ont démontré des taux d’incorporation élevés ainsi qu’une libération contrôlée de leur cargo. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution ont démontré que les nanoparticules de PDLLA dotées d’une couronne de PEG conféraient un temps de circulation plasmatique prolongé au PTX et favorisaient son accumulation tumorale. Les nanoparticules polymères représentent donc une alternative intéressante au Taxol®.

Angepasste Kommunikationssysteme für den effizienten Einsatz in dezentralen elektrischen Versorgungsstrukturen

Angepasste Kommunikationssysteme für den effizienten Einsatz in dezentralen elektrischen Versorgungsstrukturen - In öffentlichen Elektrizitätsnetzen wird der Informationsaustausch seit längerem durch historisch gewachsene und angepasste Systeme erfolgreich bewerkstelligt. Basierend auf einem weiten Erfahrungsspektrum und einer gut ausgebauten Kommunikationsinfrastruktur stellt die informationstechnische Anbindung eines Teilnehmers im öffentlichen Versorgungsnetz primär kein Hemmnis dar. Anders gestaltet sich dagegen die Situation in dezentralen Versorgungsstrukturen. Da die Elektrifizierung von dezentralen Versorgungsgebieten, mittels der Vernetzung vieler verteilter Erzeugungsanlagen und des Aufbaus von nicht an das öffentliche Elektrizitätsnetz angeschlossenen Verteilnetzen (Minigrids), erst in den letzten Jahren an Popularität gewonnen hat, sind nur wenige Projekte bis dato abgeschlossen. Für die informationstechnische Anbindung von Teilnehmern in diesen Strukturen bedeutet dies, dass nur in einem sehr begrenzten Umfang auf Erfahrungswerte bei der Systemauswahl zurückgegriffen werden kann. Im Rahmen der Dissertation ist deshalb ein Entscheidungsfindungsprozess (Leitfaden für die Systemauswahl) entwickelt worden, der neben einem direkten Vergleich von Kommunikationssystemen basierend auf abgeleiteten Bewertungskriterien und Typen, der Reduktion des Vergleichs auf zwei Systemwerte (relativer Erwartungsnutzenzuwachs und Gesamtkostenzuwachs), die Wahl eines geeigneten Kommunikationssystems für die Applikation in dezentralen elektrischen Versorgungsstrukturen ermöglicht. In Anlehnung an die klassische Entscheidungstheorie werden mit der Berechnung eines Erwartungsnutzens je Kommunikationssystems, aus der Gesamtsumme der Einzelprodukte der Nutzwerte und der Gewichtungsfaktor je System, sowohl die technischen Parameter und applikationsspezifischen Aspekte, als auch die subjektiven Bewertungen zu einem Wert vereint. Mit der Ermittlung der jährlich erforderlichen Gesamtaufwendungen für ein Kommunikationssystem bzw. für die anvisierten Kommunikationsaufgaben, in Abhängigkeit der Applikation wird neben dem ermittelten Erwartungsnutzen des Systems, ein weiterer Entscheidungsparameter für die Systemauswahl bereitgestellt. Die anschließende Wahl geeigneter Bezugsgrößen erlaubt die Entscheidungsfindung bzgl. der zur Auswahl stehenden Systeme auf einen Vergleich mit einem Bezugssystem zurückzuführen. Hierbei sind nicht die absoluten Differenzen des Erwartungsnutzen bzw. des jährlichen Gesamtaufwandes von Interesse, sondern vielmehr wie sich das entsprechende System gegenüber dem Normal (Bezugssystem) darstellt. Das heißt, der relative Zuwachs des Erwartungsnutzen bzw. der Gesamtkosten eines jeden Systems ist die entscheidende Kenngröße für die Systemauswahl. Mit dem Eintrag der berechneten relativen Erwartungsnutzen- und Gesamtkostenzuwächse in eine neu entwickelte 4-Quadranten-Matrix kann unter Berücksichtigung der Lage der korrespondierenden Wertepaare eine einfache (grafische) Entscheidung bzgl. der Wahl des für die Applikation optimalsten Kommunikationssystems erfolgen. Eine exemplarisch durchgeführte Systemauswahl, basierend auf den Analyseergebnissen von Kommunikationssystemen für den Einsatz in dezentralen elektrischen Versorgungsstrukturen, veranschaulicht und verifiziert die Handhabung des entwickelten Konzeptes. Die abschließende Realisierung, Modifikation und Test des zuvor ausgewählten Distribution Line Carrier Systems unterstreicht des Weiteren die Effizienz des entwickelten Entscheidungsfindungsprozesses. Dem Entscheidungsträger für die Systemauswahl wird insgesamt ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, das eine einfache und praktikable Entscheidungsfindung erlaubt. Mit dem entwickelten Konzept ist erstmals eine ganzheitliche Betrachtung unter Berücksichtigung sowohl der technischen und applikationsspezifischen, als auch der ökonomischen Aspekte und Randbedingungen möglich, wobei das Entscheidungsfindungskonzept nicht nur auf die Systemfindung für dezentrale elektrische Energieversorgungsstrukturen begrenzt ist, sondern auch bei entsprechender Modifikation der Anforderungen, Systemkenngrößen etc. auf andere Applikationsanwendungen übertragen werden.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Molybdate and tungstate transfer by rat ileum competitive inhibition by sulphate

For both MoO42− and WO42− the maximum rate of uptake by the small intestine of the rat (studied in vitro using the everted sac technique) occurs in the lower ileum. Kinetic constants, derived by a least squares procedure, are compared with those previously obtained for SO42− transport. For both and , , with only small differences between sacs IV and V. Mutual inhibition of MoO42− and WO42− transport and inhibition of both by SO42− are competitive processes. This is shown by the generally good agreement between values and derived values and by V values in the presence and absence of the inhibiting species. The three ions SO42−, MoO42− and WO42− are probably transferred across the intestine by a common carrier system. Implications for the sulphate-molybdenum interaction in molybdosis are discussed.

A comparison of thiolated and disulfide‐crosslinked polyethylenimine for nonviral gene delivery

Branched polyethylenimine (25 kDa) is thiolated and compared with redox-sensitive crosslinked derivatives. Both polymers thiol contents are assessed; the thiolated polymers have 390–2300 mmol SH groups/mol, whereas the crosslinked polymers have lower thiol contents. Cytotoxicity assays show that both modified polymers give lower hemolysis than unmodified PEI. Increased thiol content increases gene transfer efficiency but also elevates cytotoxicity. Crosslinking improves plasmid DNA condensation and enhances transfection efficiency, but extensive crosslinking overstabilizes the polyplexes and decreases transfection, emphasizing the need to balance polyplex stabilization and unpacking. Thus, at low levels of crosslinking, 25 kDa PEI can be an efficient redox-sensitive carrier system.

(65)Zn(2+) transport by isolated gill epithelial cells of the American lobster, Homarus americanus

Gills are the first site of impact by metal ions in contaminated waters. Work on whole gill cells and metal uptake has not been reported before in crustaceans. In this study, gill filaments of the American lobster, Homarus americanus, were dissociated in physiological saline and separated into several cell types on a 30, 40, 50, and 80% sucrose gradient. Cells from each sucrose solution were separately resuspended in physiological saline and incubated in (65)Zn(2+) in order to assess the nature of metal uptake by each cell type. Characteristics of zinc accumulation by each kind of cell were investigated in the presence and absence of 10 mM calcium, variable NaCl concentrations and pH values, and 100 mu M verapamil, nifedipine, and the calcium ionophore A23187. (65)Zn(2+) influxes were hyperbolic functions of zinc concentration (1-1,000 mu M) and followed Michaelis-Menten kinetics. Calcium reduced both apparent zinc binding affinity (K (m)) and maximal transport velocity (J (max)) for 30% sucrose cells, but doubled the apparent maximal transport velocity for 80% sucrose cells. Results suggest that calcium, sodium, and protons enter gill epithelial cells by an endogenous broad-specificity cation channel and trans-stimulate metal uptake by a plasma membrane carrier system. Differences in zinc transport observed between gill epithelial cell types appear related to apparent affinity differences of the transporters in each kind of cell. Low affinity cells from 30% sucrose were inhibited by calcium, while high affinity cells from 80% sucrose were stimulated. (65)Zn(2+) transport was also studied by isolated, intact, gill filament tips. These intact gill fragments generally displayed the same transport properties as did cells from 80% sucrose and provided support for metal uptake processes being an apical phenomenon. A working model for zinc transport by lobster gill cells is presented.

Micro and nanosystems for delivering local anesthetics

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Physicochemical Stability of Poly(lactide-co-glycolide) Nanocapsules Containing the Local Anesthetic Bupivacaine

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Paraquat-loaded alginate/chitosan nanoparticles: Preparation, characterization and soil sorption studies

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effects of 15d-PGJ(2)-loaded poly(D,L-lactide-co-glycolide) nanocapsules on inflammation

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)