Effets des nanoparticules manufacturées sur les cellules pulmonaires humaines

La détection et la caractérisation des nanoparticules manufacturées (NPM) est l’une des premières étapes pour contrôler et diminuer leurs risques potentiels sur la santé humaine et l’environnement. Différents systèmes d’échantillonnage dans l’air existent pour l’évaluation d’une exposition aux NPM. Cependant, ils ne mesurent pas le risque potentiel de cette exposition à la santé humaine ni les mécanismes cellulaires qui en seraient responsables. Nos objectifs de recherche sont 1) Évaluer les effets de différents types de nanoparticules sur des cellules pulmonaires humaines et 2) Identifier de nouveaux mécanismes intracellulaires activés lors de l’exposition à divers types de NPM. Méthodologie: La lignée de cellules A549 a été utilisée. Trois types de NPM ont été étudiés (différentes concentrations et temps d’exposition): les nanoparticules de dioxyde de titane de type anatase (TiO2), les nanotubes de carbone simple paroi (NTCSP) et les nanoparticules de noir de carbone (NC). La viabilité cellulaire a été mesurée par le test MTS, le test PrestoBlue et le test d’exclusion du bleu de Trypan (uniquement pour les NTCSP). La mesure du stress oxydatif a été déterminée par la mesure des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) en utilisant l’essai DCFH-DA. L’activation d’une réponse anti-oxydative a été déterminée par la mesure de la forme réduite (GSH) et oxydée (GSSG) du glutathion, ainsi que du ratio GSH/GSSG (seulement avec NTCSP et TiO2). Résultats: Les trois nanoparticules ne semblent pas être toxiques pour les cellules A549 car il y a une diminution significative mais minime de la viabilité cellulaire. Cependant, elles induisent une augmentation du contenu intracellulaire en ROS qui est à la fois dépendante du temps et de la concentration. Aucun changement dans les concentrations de GSH et GSSG n’a été observé. En conclusion, nos données indiquent que la mesure de la viabilité n’est pas un critère suffisant pour conclure à la toxicité des NPM. La production de ROS est un critère intéressant, cependant il faudra démontrer l’activation de systèmes anti-oxydatifs pour expliquer l’absence de mortalité cellulaire suite à l’exposition aux NPM.

Relation entre CaMKII et les dynamiques calciques endothéliales : impact de l'hypertension arterielle.

L’endothélium vasculaire joue un rôle prépondérant dans la régulation du tonus vasculaire en générant l’oxyde nitrique (NO), la prostacycline (PGI2) et les facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) comme puissants vasodilatateurs. Ces mécanismes requièrent le calcium (Ca2+) à divers niveaux, démontrant l’importance des dynamiques calciques endothéliales. Une perturbation de l’homéostasie calcique est observée dans une dysfonction endothéliale liée à l’hypertension artérielle. Il est impératif d’approfondir nos connaissances sur les signalisations calciques endothéliales impliquées dans le contrôle du tonus vasculaire. Des études récentes ont montré qu’une variation locale de la concentration en Ca2+ libre intracellulaire ([Ca2+]i) est suffisante pour générer une réponse physiologique importante. Les pulsars calciques sont caractérisés par une augmentation de [Ca2+]i spontanée et transitoire spécifiquement localisée au niveau des projections myoendothéliales (PMEs). Ces PMEs sont des sites de communication privilégiés entre les cellules endothéliales (CEs) et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Les pulsars calciques sont impliqués dans le mécanisme de l’EDHF via l’activation des canaux potassiques Ca2+-dépendant de moyenne conductance (KCa3.1 ou IKCa). Les travaux de cette thèse visent à améliorer nos connaissances sur les signalisations calciques locales en caractérisant une nouvelle voie de signalisation pouvant être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Outre les canaux KCa3.1 peu d’informations sont disponibles sur les cibles sensibles aux pulsars calciques. Une première étude a permis d’identifier la protéine kinase II dépendante du complexe Ca2+/calmoduline (CaMKII) sous ses isoformes α, β et δ dans les CEs d’artères natives de souris comme une cible pouvant être modulée par les pulsars calciques. Des études en immunofluorescence ont permis d’observer la localisation particulière de CaMKII endothéliale dans les PMEs, les sites des pulsars calciques. Une stimulation spécifique des pulsars calciques par la phényléphrine (PE) engendre un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Sachant que CaMKII active l’oxyde nitrique synthase endothéliale (NOS3), nous avons évalué l’impact d’une stimulation des pulsars calciques sur la production de NO en présence d’un inhibiteur de CaMKII, le KN-93. Nous avons démontré que la production de NO est en partie dépendante de l’activation de CaMKII par les pulsars calciques. En utilisant un modèle d’hypertension induite par l’infusion chronique de PE, nous avons permis de mettre en évidence une perturbation dans la relation entre les pulsars calciques et CaMKII. Dans une seconde étude nous avons établi deux modèles (normo- et hypertendus) d’infusion chronique à l’angiotensine II (AngII) afin évaluer l’impact des ROS et de l’hypertension sur la voie de signalisation pulsars/CaMKII/NO. Nos résultats ont montré une augmentation des pulsars calciques accompagnée d’un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Une stimulation aigue à l’AngII suggère que les ROS modulent les dynamiques calciques et que l’AngII stimule la production de NO. Cette étude propose que ces voies de signalisations impliquent les récepteurs de type 1 et 2 à l’AngII (AT1 et AT2). L’étude des pulsars calciques dépend fortement de la structure native des artères qui permet de conserver la formation des PMEs. La dernière étude présentée dans cette thèse a permis d’établir une relation entre les PMEs et les pulsars calciques dans trois lits vasculaires distincts (artères mésentériques, pulmonaires et coronariennes). Nos résultats ont montré que les paramètres cinétiques des pulsars calciques sont fortement conservés entre les différents lits vasculaires. Toutefois, la fréquence globale ainsi que le nombre de sites actifs des pulsars calciques diffèrent avec une proportion plus élevée dans les artères mésentériques et coronariennes comparativement aux artères pulmonaires. Ces résultats corrèlent avec le nombre plus élevé de PMEs retrouvé dans les artères mésentériques et coronariennes. Ces travaux suggèrent que les pulsars calciques sont fondamentaux pour les artères de résistance. Les études de cette thèse ont mené à l’identification d’une nouvelle voie de signalisation impliquant les pulsars calciques et CaMKII endothéliale dans la stimulation de la production de NO. Cette nouvelle voie de signalisation pourrait être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Les pulsars calciques semblent être fortement conservés entre les différentes artères de résistances et ce malgré la disparité dans les PMEs, suggérant un rôle prépondérant dans la fonction vasculaire. Ces travaux ouvrent une avenue pour le développement de potentielles cibles thérapeutiques pouvant contrer la dysfonction endothéliale associée à l’hypertension artérielle.

The Role of ULK1 in the Pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est la maladie musculo-squelettique la plus commune dans le monde. Elle est l'une des principales causes de douleur et d’incapacité chez les adultes, et elle représente un fardeau considérable sur le système de soins de santé. L'arthrose est une maladie de l’articulation entière, impliquant non seulement le cartilage articulaire, mais aussi la synoviale, les ligaments et l’os sous-chondral. L’arthrose est caractérisée par la dégénérescence progressive du cartilage articulaire, la formation d’ostéophytes, le remodelage de l'os sous-chondral, la détérioration des tendons et des ligaments et l'inflammation de la membrane synoviale. Les traitements actuels aident seulement à soulager les symptômes précoces de la maladie, c’est pour cette raison que l'arthrose est caractérisée par une progression presque inévitable vers la phase terminale de la maladie. La pathogénie exacte de l'arthrose est encore inconnue, mais on sait que l'événement clé est la dégradation du cartilage articulaire. Le cartilage articulaire est composé uniquement des chondrocytes; les cellules responsables de la synthèse de la matrice extracellulaire et du maintien de l'homéostasie du cartilage articulaire. Les chondrocytes maintiennent la matrice du cartilage en remplaçant les macromolécules dégradées et en répondant aux lésions du cartilage et aux dégénérescences focales en augmentant l'activité de synthèse locale. Les chondrocytes ont un taux faible de renouvellement, c’est pour cette raison qu’ils utilisent des mécanismes endogènes tels que l'autophagie (un processus de survie cellulaire et d’adaptation) pour enlever les organelles et les macromolécules endommagés et pour maintenir l'homéostasie du cartilage articulaire. i L'autophagie est une voie de dégradation lysosomale qui est essentielle pour la survie, la différenciation, le développement et l’homéostasie. Elle régule la maturation et favorise la survie des chondrocytes matures sous le stress et des conditions hypoxiques. Des études effectuées par nous et d'autres ont montré qu’un dérèglement de l’autophagie est associé à une diminution de la chondroprotection, à l'augmentation de la mort cellulaire et à la dégénérescence du cartilage articulaire. Carames et al ont montré que l'autophagie est constitutivement exprimée dans le cartilage articulaire humain normal. Toutefois, l'expression des inducteurs principaux de l'autophagie est réduite dans le vieux cartilage. Nos études précédentes ont également identifié des principaux gènes de l’autophagie qui sont exprimés à des niveaux plus faibles dans le cartilage humain atteint de l'arthrose. Les mêmes résultats ont été montrés dans le cartilage articulaire provenant des modèles de l’arthrose expérimentaux chez la souris et le chien. Plus précisément, nous avons remarqué que l'expression d’Unc-51 like kinase-1 (ULK1) est faible dans cartilage humain atteint de l'arthrose et des modèles expérimentaux de l’arthrose. ULK1 est la sérine / thréonine protéine kinase et elle est l’inducteur principal de l’autophagie. La perte de l’expression de ULK1 se traduit par un niveau d’autophagie faible. Etant donné qu’une signalisation adéquate de l'autophagie est nécessaire pour maintenir la chondroprotection ainsi que l'homéostasie du cartilage articulaire, nous avons proposé l’hypothèse suivante : une expression adéquate de ULK1 est requise pour l’induction de l’autophagie dans le cartilage articulaire et une perte de cette expression se traduira par une diminution de la chondroprotection, et une augmentation de la mort des chondrocytes ce qui conduit à la dégénérescence du cartilage articulaire. Le rôle exact de ULK1 dans la pathogénie de l'arthrose est inconnue, j’ai alors créé pour la première fois, des souris KO ULK1spécifiquement dans le cartilage en utilisant la technologie Cre-Lox et j’ai ensuite soumis ces souris à la déstabilisation du ménisque médial (DMM), un modèle de l'arthrose de la souris pour élucider le rôle spécifique in vivo de ULK1 dans pathogenèse de l'arthrose. Mes résultats montrent que ULK1 est essentielle pour le maintien de l'homéostasie du cartilage articulaire. Plus précisément, je montre que la perte de ULK1 dans le cartilage articulaire a causé un phénotype de l’arthrose accéléré, associé à la dégénérescence accélérée du cartilage, l’augmentation de la mort cellulaire des chondrocytes, et l’augmentation de l'expression des facteurs cataboliques. En utilisant des chondrocytes provenant des patients atteints de l’arthrose et qui ont été transfectées avec le plasmide d'expression ULK1, je montre qu’ULK1 est capable de réduire l’expression de la protéine mTOR (principal régulateur négatif de l’autophagie) et de diminuer l’expression des facteurs cataboliques comme MMP-13 et ADAMTS-5 et COX-2. Mes résultats jusqu'à présent indiquent que ULK1 est une cible thérapeutique potentielle pour maintenir l'homéostasie du cartilage articulaire.

Régulation de l'expression de PPARγ dans l'arthrose

L’arthrose (OA) est une maladie dégénérative très répondue touchant les articulations. Elle est caractérisée par la destruction progressive du cartilage articulaire, l’inflammation de la membrane synoviale et le remodelage de l’os sous chondral. L’étiologie de cette maladie n’est pas encore bien définie. Plusieurs études ont été menées pour élucider les mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans le développement de l’OA. Les effets protecteurs du récepteur activé par les proliférateurs de peroxysomes gamma (PPARγ) dans l'OA sont bien documentés. Il a été démontré que PPARγ possède des propriétés anti-inflammatoires et anti-cataboliques. Aussi, plusieurs stimuli ont été impliqués dans la régulation de l’expression de PPARγ dans différents types cellulaires. Cependant, les mécanismes exacts responsables de cette régulation ainsi que le profil de l’expression de ce récepteur au cours de la progression de l’OA ne sont pas bien connus. Dans la première partie de nos travaux, nous avons essayé d’élucider les mécanismes impliqués dans l’altération de l’expression de PPARγ dans cette maladie. Nos résultats ont confirmé l’implication de l’interleukine-1β (IL-1β), une cytokine pro-inflammatoire, dans la réduction de l’expression de PPARγ au niveau des chondrocytes du cartilage articulaire. Cet effet coïncide avec l'induction de l’expression du facteur de transcription à réponse précoce de type 1 (Egr-1). En plus, la diminution de l'expression de PPARγ a été associée au recrutement d'Egr-1 et la réduction concomitante de la liaison de Sp1 au niveau du promoteur de PPARγ. Dans la deuxième partie de nos travaux, nous avons évalué le profil d’expression de ce récepteur dans le cartilage au cours de la progression de cette maladie. Le cochon d’inde avec OA spontanée et le chien avec OA induite par rupture du ligament croisé antérieur (ACLT) deux modèles animaux d’OA ont été utilisés pour suivre l’expression des trois isoformes de PPARs : PPAR alpha (α), PPAR béta (β) et PPAR gamma (γ) ainsi que la prostaglandine D synthase hématopoïétique (H-PGDS) et la prostaglandine D synthase de type lipocaline (L-PGDS) deux enzymes impliquées dans la production de l’agoniste naturel de PPARγ, la 15-Deoxy-delta(12,14)-prostaglandine J(2) (15d-PGJ2). Nos résultats ont démontré des changements dans l’expression de PPARγ et la L-PGDS. En revanche, l’expression de PPARα, PPARβ et H-PGDS est restée stable au fil du temps. La diminution de l’expression de PPARγ dans le cartilage articulaire semble contribuer au développement de l’OA dans les deux modèles animaux. En effet, le traitement des chondrocytes par de siRNA dirigé contre PPARγ a favorisé la production des médiateurs arthrosiques tels que l'oxyde nitrique (NO) et la métalloprotéase matricielle de type 13 (MMP-13), confirmant ainsi le rôle anti-arthrosique de ce récepteur. Contrairement à ce dernier, le niveau d'expression de la L-PGDS a augmenté au cours de la progression de cette maladie. La surexpression de la L-PGDS au niveau des chondrocytes humains a été associée à la diminution de la production de ces médiateurs arthrosiques, suggérant son implication dans un processus de tentative de réparation. En conclusion, l’ensemble de nos résultats suggèrent que la modulation du niveau d’expression de PPARγ, de la L-PGDS et d’Egr-1 au niveau du cartilage articulaire pourrait constituer une voie thérapeutique potentielle dans le traitement de l’OA et probablement d’autres formes d'arthrite.

Développement et utilisation de modèles in vitro et de données précliniques pour augmenter la prédictibilité de la perméabilité et du métabolisme intestinal chez l'humain

Tout médicament administré par la voie orale doit être absorbé sans être métabolisé par l’intestin et le foie pour atteindre la circulation systémique. Malgré son impact majeur sur l’effet de premier passage de plusieurs médicaments, le métabolisme intestinal est souvent négligé comparativement au métabolisme hépatique. L’objectif de ces travaux de maîtrise est donc d’utiliser, caractériser et développer différents outils in vitro et in vivo pour mieux comprendre et prédire l’impact du métabolisme intestinal sur l’effet de premier passage des médicaments comparé au métabolisme hépatique. Pour se faire, différents substrats d’enzymes du métabolisme ont été incubés dans des microsomes intestinaux et hépatiques et des différences entre la vitesse de métabolisme et les métabolites produits ont été démontrés. Afin de mieux comprendre l’impact de ces différences in vivo, des études mécanistiques chez des animaux canulés et traités avec des inhibiteurs enzymatiques ont été conduites avec le substrat métoprolol. Ces études ont démontré l’impact du métabolisme intestinal sur le premier passage du métoprolol. De plus, elles ont révélé l’effet sur la vidange gastrique du 1-aminobenzotriazole, un inhibiteur des cytochromes p450, évitant ainsi une mauvaise utilisation de cet outil dans le futur. Ces travaux de maîtrise ont permis d’améliorer les connaissances des différents outils in vitro et in vivo pour étudier le métabolisme intestinal tout en permettant de mieux comprendre les différences entre le rôle de l’intestin et du foie sur l’effet de premier passage.

The role of protein convertases in bigdynorphin and dynorphin A metabolic pathway

Les dynorphines sont des neuropeptides importants avec un rôle central dans la nociception et l’atténuation de la douleur. De nombreux mécanismes régulent les concentrations de dynorphine endogènes, y compris la protéolyse. Les Proprotéines convertases (PC) sont largement exprimées dans le système nerveux central et clivent spécifiquement le C-terminale de couple acides aminés basiques, ou un résidu basique unique. Le contrôle protéolytique des concentrations endogènes de Big Dynorphine (BDyn) et dynorphine A (Dyn A) a un effet important sur la perception de la douleur et le rôle de PC reste à être déterminée. L'objectif de cette étude était de décrypter le rôle de PC1 et PC2 dans le contrôle protéolytique de BDyn et Dyn A avec l'aide de fractions cellulaires de la moelle épinière de type sauvage (WT), PC1 -/+ et PC2 -/+ de souris et par la spectrométrie de masse. Nos résultats démontrent clairement que PC1 et PC2 sont impliquées dans la protéolyse de BDyn et Dyn A avec un rôle plus significatif pour PC1. Le traitement en C-terminal de BDyn génère des fragments peptidiques spécifiques incluant dynorphine 1-19, dynorphine 1-13, dynorphine 1-11 et dynorphine 1-7 et Dyn A génère les fragments dynorphine 1-13, dynorphine 1-11 et dynorphine 1-7. Ils sont tous des fragments de peptides associés à PC1 ou PC2. En plus, la protéolyse de BDyn conduit à la formation de Dyn A et Leu-Enk, deux peptides opioïdes importants. La vitesse de formation des deux est réduite de manière significative dans les fractions cellulaires de la moelle épinière de souris mutantes. En conséquence, l'inhibition même partielle de PC1 ou PC2 peut altérer le système opioïde endogène.

Effet des acides gras polyinsaturés EPA et DHA dans un modèle d’infarctus du myocarde

Plusieurs études montrent que les acides gras (AG) oméga-3 sont bénéfiques pour la santé cardiovasculaire. Une étude antérieure dans notre laboratoire a montré que l’administration des acides gras oméga-3 réduit la taille de l'infarctus du myocarde (IM). Cependant, la question demeure de savoir si les deux principaux acides gras oméga-3 à longue chaîne, l'acide eicosapentaénoïque (EPA) et l'acide docosahexaénoïque (DHA) possèdent la même efficacité à réduire la taille de l'infarctus. Le but de ce projet sera de déterminer l’efficacité relative de chacun de ces acides gras oméga-3 à protéger le cœur dans un modèle d’ischémie/reperfusion et d’étudier certaines voies de cardioprotection. Des rats mâles adultes Sprague-Dawley ont été nourris pendant 14 jours avec une diète comprenant l'un: 1- aucun AG oméga-3; 2- 5 g d'EPA / kg de nourriture; 3- 5 g de DHA / kg de nourriture; 4- 2,5 g de chaque oméga-3 AG / kg de nourriture; 5- 5 g chaque AG oméga-3 / kg de nourriture. Par la suite, les animaux ont été soumis à une ischémie pendant 40 minutes, causée par l'occlusion de l'artère coronaire gauche descendante. Au bout de 24 heures de reperfusion, la taille de l'infarctus est déterminée. Dans un sous-groupe d'animaux, l'activité d’Akt et des caspase-3 sont mesurées dans la région ischémique après 30 minutes de reperfusion. Finalement, à 15 minutes de reperfusion, l'ouverture du pore de transition de perméabilité mitochondriale mPTP est déterminée dans un autre sous-groupe. Les résultats indiquent que les diètes EPA ou DHA réduisent de manière significative la taille de l'infarctus par rapport à la diète sans AG oméga-3, tandis que la combinaison de deux acides gras oméga-3 n'a pas montré de diminution de la taille de l'infarctus. L'activité de la caspase-3 est réduite pour le groupe DHA puis, l'activité d'Akt est augmentée avec les diètes EPA et DHA seules. Finalement, en présence d’une diète enrichie uniquement de DHA, l'ouverture des mPTP est retardée comparativement aux autres diètes.

Implicating the mechanisms of ADP-ribosylation factor activation in the resistance of invasive breast cancer cells to EGFR tyrosine kinase inhibitors

ADP-ribosylation factor-1 (ARF1) est une petite GTPase principalement connue pour son rôle dans la formation de vésicules au niveau de l’appareil de Golgi. Récemment, dans des cellules de cancer du sein, nous avons démontré qu’ARF1 est aussi un médiateur important de la signalisation du récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) contrôlant la prolifération, la migration et l'invasion cellulaire. Cependant, le mécanisme par lequel l’EGFR active la GTPase ainsi que le rôle de cette dernière dans la régulation de la fonction du récepteur demeure inconnue. Dans cette thèse, nous avions comme objectifs de définir le mécanisme d'activation de ARF1 dans les cellules de cancer du sein hautement invasif et démontrer que l’activation de cette isoforme de ARF joue un rôle essentiel dans la résistance de ces cellules aux inhibiteurs de l'EGFR. Nos études démontrent que les protéines d’adaptatrices Grb2 et p66Shc jouent un rôle important dans l'activation de ARF1. Alors que Grb2 favorise le recrutement d’ARF1 à l'EGFR ainsi que l'activation de cette petite GTPase, p66Shc inhibe le recrutement du complexe Grb2-ARF1 au récepteur et donc contribue à limiter l’activation d’ARF1. De plus, nous démontrons que ARF1 favorise la résistance aux inhibiteurs des tyrosines kinases dans les cellules de cancer du sein hautement invasif. En effet, une diminution de l’expression de ARF1 a augmenté la sensibilité descellules aux inhibiteurs de l'EGFR. Nous montrons également que de hauts niveaux de ARF1 contribuent à la résistance des cellules à ces médicaments en améliorant la survie et les signaux prolifératifs à travers ERK1/2, Src et AKT, tout en bloquant les voies apoptotiques (p38MAPK et JNK). Enfin, nous mettons en évidence le rôle de la protéine ARF1 dans l’apoptose en réponse aux traitements des inhibiteurs de l’EGFR. Nos résultats indiquent que la dépletion d’ARF1 promeut la mort cellulaire induite par gefitinib, en augmentant l'expression de facteurs pro-apoptotiques (p66shc, Bax), en altérant le potentiel de la membrane mitochondriale et la libération du cytochrome C. Ensemble, nos résultats délimitent un nouveau mécanisme d'activation de ARF1 dans les cellules du cancer du sein hautement invasif et impliquent l’activité d’ARF1 comme un médiateur important de la résistance aux inhibiteurs EGFR.

Investigating the thymopoiesis stimulating property of interleukin-21 in aging mice

La vaccination est largement utilisée pour la génération de lymphocytes T spécifiques contre les tumeurs. Malheureusement, cette stratégie n'est pas adaptée aux personnes âgées car leur thymus régresse avec l'âge conduisant ainsi à une baisse dans la production de cellules T et à l'accumulation de cellules immunitaires âgées ayant des défauts liés à leurs stimulations. Comme il a été démontré auparavant que L’IL-21 est capable d’induire des fonctions thymiques, nous avons émis l’hypothèse que l’injection d’IL-21 à des souris âgées stimulera la thymopoïèse. Nos résultats montrent que l’administration de l’IL-21 augmente le nombre absolu de thymocytes chez les souris âgées et augmente la migration de ces cellules vers la périphérie ou ils contribuent à la diversité du TCR. De plus les cellules T en périphérie expriment un niveau plus élevé de miR181-a, et par conséquent moins de phosphatase comme SHP2, DUSP5/6 qui inhibent le TCR. En vaccinant des souris âgées avec le peptide Trp2, les souris traitées avec l’IL-21 montrent un retard dans la croissance des cellules B16 tumorales. Cette étude montre que l’IL-21 pourrait être utilisé comme stratégie pour le rétablissement du systeme immunitaire chez les personnes âgées.

Quantitation of C4a and C4b in systemic lupus erythematosus patients

The fourth component of human complement (C4) exists in blood as two major forms or isotypes which differ in their biochemical and functional properties. Because C4A preferentially transacylates onto amino groups, it has been postulated that this isotype is more important in the clearance of immune complexes. Patients having systemic lupus erythematosus (SLE), an autoimmune disease, have an increased incidence of C4A null genes and presumably decreased levels of C4A. Currently accepted methods for the detection of C4, however, cannot accurately quantitate C4A and C4B. Thus, their role in disease susceptibility and activity has not been studied. A novel immunoassay, which utilized heat-aggregated IgG to activate and capture C4, was developed for accurate quantitation of total C4, C4A and C4B by monoclonal antibody conjugates. Higher mean total C4 values were found in a healthy Black control population when compared to White controls. This appeared to be due to an increase in C4B. In SLE patients, mean total C4 levels were significantly lower than controls regardless of disease activity. Serial patient studies showed that the ratio of C4A:C4B remained relatively constant. When the patient group was compared to controls based on C4 null gene status, the mean levels of C4A were identical while C4B was decreased in the patients. This suggests that the common HLA-B8, Dr3 C4A*Q0 gene deletion found in SLE patients may also adversely affect genetic control of the C4B genes. Furthermore, low levels of C4A cannot fully account for disease development in SLE patients having C4A null genes. ^

Pharmacological characterization of nipecotic acid ethyl ester: A novel cholinergic muscarinic agonist

The aim of this dissertation was to examine the hypothesis that (R)-nipecotic acid ethyl ester ((R)-NAEE) is a cholinergic agonist that is selective for a particular subclass (M$\sb1$ or M$\sb2$) of muscarinic receptors.^ Ligand binding studies indicated that like cholinergic agonists (R)-NAEE selectively interacts with rat heart (M$\sb2$) and brain (M$\sb1$) muscarinic binding sites. Physiological studies revealed that unlike cholinergic agonists (R)-NAEE stimulated only those responses coupled to M$\sb2$ muscarinic receptors (acid secretion, negative inotropic response, smooth muscle contraction). Moreover, in rat brain (R)-NAEE differentiated between M$\sb2$ receptors negatively coupled to adenylate cyclase activity and M$\sb1$ receptors mediating PI turnover, being a weak competitive antagonist at these latter sites. In isolated rat gastric mucosal cells (R)-NAEE also differentiated between two M$\sb2$ coupled responses where it potentiated acid secretion but could not stimulate PI turnover. Atropine, a selective antimuscarinic agent, competitively antagonized all agonist effects of (R)-NAEE.^ Unlike (R)-NAEE, the muscarinic agonist arecoline, which is structurally similar to (R)-NAEE, stimulates both M$\sb1$ and M$\sb2$ receptors. Structure activity studies revealed that saturation of the piperidine ring and the length of the ester side chain of (R)-NAEE are the most important determinants for both M$\sb2$ efficacy and selectivity.^ The results of this dissertation establish that (R)-NAEE is a cholinergic muscarinic receptor agonist that displays greater efficacy at M$\sb2$ than at M$\sb1$ receptors, being a weak antagonist at the M$\sb1$ site. With such selectivity, (R)-NAEE may be regarded as a prototype for a unique class of cholinergic muscarinic M$\sb2$ receptor agonists. Because of these unique properties, (R)-NAEE should be useful in the further characterization of muscarinic receptors, and could lead to the development of a new class of therapeutic agents. ^

Metabolism and action of 9-$\beta$-D-arabinofuranosyl-2-fluoroadenine

9-$\beta$-D-arabinofuranosyl-2-fluoroadenine (F-ara-A) is an analogue of adenosine and 2$\sp\prime$-deoxyadenosine with potent antitumor activity both in vitro and in vivo. The mechanism of action of F-ara-A was evaluated both in whole cells and in experimental systems with purified enzymes. F-ara-A was converted to its 5$\sp\prime$-triphosphate F-ara-ATP in cells and then incorporated into DNA in a self-limiting manner. About 98% of the incorporated F-ara-AMP residues were located at the 3$\sp\prime$-termini of DNA strands, suggesting a chain termination property of this compound. DNA synthesis in CEM cells was inhibited by F-ara-A treatment with an IC$\sb{50}$ value of 1 $\mu$M. Cells were not able to restore the normal level of DNA synthesis even after being cultured in drug-free medium for 40 h. A DNA primer extension assay with M13mp18(+) single-stranded DNA template using purified human DNA polymerases $\alpha$ and further revealed that F-ara-ATP competed with dATP for incorporation into the A sites of the elongating DNA strands. The incorporation of F-ara-AMP into DNA resulted in a termination of DNA synthesis at the incorporated A sites. Pol $\alpha$ and $\delta$ were not able to efficiently extend the DNA primer with F-ara-AMP at its 3$\sp\prime$-end. Furthermore, the presence of F-ara-AMP at the 3$\sp\prime$-end of an oligodeoxyribonucleotide impaired its ligation with an adjacent DNA fragment by human and T4 ligases. Human DNA polymerase $\alpha$ incorporated more F-ara-AMP into DNA than polymerase $\delta$ and was more sensitive to the inhibition by F-ara-ATP, suggesting that polymerase $\alpha$ may be a preferred target for this analogue. On the other hand, DNA-dependent nucleotide turnover experiments and sequencing gel analysis demonstrated that DNA polymerase $\delta$ was able to remove the incorporated F-ara-AMP residue from the 3$\sp\prime$-end of the DNA strand with its 3$\sp\prime$-5$\sp\prime$ exonuclease activity in vitro, subsequently permitting further elongation of the DNA strand.^ The incorporation of F-ara-AMP into DNA was linearly correlated both with the inhibition of DNA synthesis and with the loss of clonogenicity. Termination of DNA synthesis and deletion of genetic material resulted from F-ara-AMP incorporation may be the mechanism responsible for cytotoxicity of F-ara-A. (Abstract shortened with permission of author.) ^

Molecular events associated with trisomy of chromosome 7 in mouse skin chemical carcinogenesis

The primary objective of this study has been to investigate the effects at the molecular level of trisomy of mouse chromosome 7 in chemically induced skin tumors. It was previously proposed that the initiation event in the mouse skin carcinogenesis model is a heterozygous mutation of the Ha-ras-1 gene, mapped to chromosome 7. Previous studies in this laboratory identified trisomy 7 as one of the primary nonrandom cytogenetic abnormalities found in the majority of severely dysplastic papillomas and squamous cell carcinomas induced in SENCAR mice by an initiation-promotion protocol. Therefore, the first hypothesis tested was that trisomy 7 occurs by specific duplication of the chromosome carrying a mutated Ha-ras-1 allele. Results of a quantitative analysis of normal/mutated allelic ratios of the Ha-ras-1 gene confirmed this hypothesis, showing that most of the tumors exhibited overrepresentation of the mutated allele in the form of 1/2, 0/3, and 0/2 (normal/mutated) ratios. In addition, histopathological analysis of the tumors showed an apparent association between the degree of malignancy and the dosage of the mutated Ha-ras-1 allele. To determine the mechanism for loss of the normal Ha-ras-1 allele, found in 30% of the tumors, a comparison of constitutional and tumor genotypes was performed at different informative loci of chromosome 7. By combining Southern blot and polymerase chain reaction fragment length polymorphism analyses of DNAs extracted from squamous cell carcinomas, complete loss of heterozygosity was detected in 15 of 20 tumors at the Hbb locus, and in 5 of 5 tumors at the int-2 locus, both distal to Ha-ras-1. In addition, polymerase chain reaction analysis of DNA extracted from papillomas indicated that loss of heterozygosity occurs in late-stage lesions exhibiting a high degree of dysplasia and areas of microinvasion, suggesting that this event may be associated to the acquisition of the malignant phenotype. Allelic dosage analysis of tumors that had become homozygous at Hbb but retained heterozygosis at Ha-ras-1, indicated that loss of heterozygosity on mouse chromosome 7 occurs by a mitotic recombination mechanism. Overall, these findings suggest the presence of a putative tumor suppressor locus on the 7F1-ter region of mouse chromosome 7. Thus, loss of function by homozygosis at this putative suppressor locus may complement activation of the Ha-ras-1 gene during tumor progression, and might be associated with the malignant conversion stage of mouse skin carcinogenesis. ^

Tumor cell-associated epitopes recognized by lymphokine-activated killers (LAK)

Interleukin-2 activated lymphocytes, designated lymphokine-activated killers (LAK), acquire the unique capacity to express potent cytologic activity against a broad spectrum of abnormal and/or transformed NK-sensitive and NK-resistant target cells while sparing normal cell types. Investigations into the target spectra exhibited by cloned effector cells indicate that LAK cells express a polyspecific recognition mechanism that identifies an undefined class of cell surface-associated molecules expressed on susceptible targets. This report extends our previous investigations into the biochemical nature of these molecules by characterizing the functional role of two tumor cell-surface-associated epitopes implicated in conferring target cells with susceptibility to LAK-mediated cytotoxicity. The first moiety is implicated in the formation of effector/target cell conjugates. This binding ligand is preferentially expressed on tumor cells relative to LAK-resistant PBL target cells, sensitive to trypsin treatment, resistant to functional inactivation by heat- and detergent-induced conformational changes, and does not require N-linked glycosylation to maintain binding activity. In contrast, a carbohydrate-associated epitope represents the second tumor-associated molecule required for target cell susceptibility to LAK cells. Specifically, N-linked glyoprotein synthesis represents an absolute requirement for post-trypsin recovery of target cell susceptibility. The minimal N-linked oligosaccharide residue capable of restoring this second signal has been identified as a high mannose structure. Although ultimately required for tumor cell susceptibility, as measured in $\sp{51}$Cr-release assays, this N-glycan-associated molecule is not required for the differential tumor cell binding expressed by LAK cells. Furthermore, N-glycan expression is not adequate in itself to confer target cell susceptibility. Additional categories of cell surface components have been investigated, including O-linked oligosaccharides, and glycosaminoglycans, without identifying additional moieties relevant to target cell recognition. Collectively, these data suggest that tumor cell recognition by LAK cells is dependent on cell surface presentation of two epitopes: a trypsin-sensitive molecule that participates in the initial conjugate formation and an N-glycan-associated moiety that is involved in a post-binding event required for target cell killing. ^

The effect of ultraviolet radiation on the pathogenesis of {\it Candida albicans} in mice

Ultraviolet (UV) radiation produces immunological alterations in both humans and animals that include a decrease in the delayed type hypersensitivity (DTH) response to complex antigens, and to the induction of the suppressor T cell pathway. Cell-mediated immunity of the type that is altered by UV radiation has been shown to be important in host resistance against microorganisms. My dissertation addresses questions concerning the effects of UV radiation on the pathogenesis of opportunistic fungal pathogens such as Candida albicans.^ The (DTH) response of C3H mice exposed to ultraviolet (UV) radiation before (afferent arm of DTH) or after (efferent arm of DTH) infection with Candida albicans was markedly and systemically suppressed. Although suppression of both the afferent and efferent phases of DTH were caused by similar wavebands within the ultraviolet region, the dose of UV radiation that suppressed the efferent arm of DTH was 10-fold higher than the dose that suppressed the afferent arm of the DTH reaction.^ The DTH response of C57BL/6 mice was also suppressed by UV radiation; however the suppression was accomplished by exposure to significantly lower doses UV radiation compared to C3H mice. In C57BL/6 mice, the dose of UV radiation that suppressed the afferent phase of DTH was 5-fold higher than the dose that suppressed the efferent phase.^ Exposure of C3H mice to UV radiation before sensitization induced splenic suppressor T cells that upon transfer to normal recipients, impaired the induction of DTH to Candida. In contrast, the suppression caused by UV irradiation of mice after sensitization was not transferable. Spleen cells from sensitized mice exhibited altered homing patterns in animals that were exposed to UV radiation shortly before receiving cells, suggesting that UV-induced suppression of the efferent arm of DTH could result from an alteration in the distribution of effector cells.^ UV radiation decreased the survival of Candida-infected mice; however, no correlation was found between suppression of the DTH response and the course of lethal infection. This suggested that DTH was not protective against lethal disease with this organism. UV radiation also changed the persistence of the organism in the internal organs. UV-irradiated, infected animals had increased numbers of Candida in their kidneys compared to non-irradiated mice. Sensitization prior to UV irradiation aided clearance of the organism from the kidneys of UV-irradiated mice.^ These data show that UV radiation suppresses cell-mediated immunity to Candida albicans in mice and increases mortality of Candida-infected mice. Moreover, the data suggest that an increase in environmental UV radiation could increase the severity of pathogenic infections. ^