From molecules to organs : Microscopy and multi-scale nature of development

Morphogenesis is a phenomenon of intricate balance and dynamic interplay between processes occurring at a wide range of scales (spatial, temporal and energetic). During development, a variety of physical mechanisms are employed by tissues to simultaneously pattern, move, and differentiate based on information exchange between constituent cells, perhaps more than at any other time during an organism's life. To fully understand such events, a combined theoretical and experimental framework is required to assist in deciphering the correlations at both structural and functional levels at scales that include the intracellular and tissue levels as well as organs and organ systems. Microscopy, especially diffraction-limited light microscopy, has emerged as a central tool to capture the spatio-temporal context of life processes. Imaging has the unique advantage of watching biological events as they unfold over time at single-cell resolution in the intact animal. In this work I present a range of problems in morphogenesis, each unique in its requirements for novel quantitative imaging both in terms of the technique and analysis. Understanding the molecular basis for a developmental process involves investigating how genes and their products- mRNA and proteins-function in the context of a cell. Structural information holds the key to insights into mechanisms and imaging fixed specimens paves the first step towards deciphering gene function. The work presented in this thesis starts with the demonstration that the fluorescent signal from the challenging environment of whole-mount imaging, obtained by in situ hybridization chain reaction (HCR), scales linearly with the number of copies of target mRNA to provide quantitative sub-cellular mapping of mRNA expression within intact vertebrate embryos. The work then progresses to address aspects of imaging live embryonic development in a number of species. While processes such as avian cartilage growth require high spatial resolution and lower time resolution, dynamic events during zebrafish somitogenesis require higher time resolution to capture the protein localization as the somites mature. The requirements on imaging are even more stringent in case of the embryonic zebrafish heart that beats with a frequency of ~ 2-2.5 Hz, thereby requiring very fast imaging techniques based on two-photon light sheet microscope to capture its dynamics. In each of the hitherto-mentioned cases, ranging from the level of molecules to organs, an imaging framework is developed, both in terms of technique and analysis to allow quantitative assessment of the process in vivo. Overall the work presented in this thesis combines new quantitative tools with novel microscopy for the precise understanding of processes in embryonic development.

Agonistas PPAR (Rosiglitazona, Bezafibrato e Fenofibrato) e alterações bioquímicas e estruturais em órgãos-alvo de camundongos C57BL/6 alimentados com dieta hiperlipídica rica em sacarose

Este trabalho teve o objetivo de estudar o efeito de medicamentos com diferentes ações agonista PPAR (rosiglitazona, fenofibrato e bezafibrato) sobre o perfil lipídico, glicídico e alterações na massa corporal e morfologia do tecido adiposo e pancreático em modelo de diabetes e sobrepeso induzido por dieta. Camundongos C57BL/6 (2 meses de idade) foram alimentados com dieta padrão (SC, n=10) ou dieta hiperlipídica rica em sacarose (HFHS, n=40) por 6 semanas. Logo após, os animais HFHS foram subdividos em: HFHS não tratado e HFHS tratado com rosiglitazona (HFHS-Ro), fenofibrato (HFHS-Fe) ou bezafibrato (HFHS-Bz) (5 semanas). Os camundongos alimentados com dieta HFHS apresentaram maior glicemia e insulina de jejum (+33% e +138%, respectivamente), intolerância à glicose, resistência à insulina, aumento da massa corporal (MC) (+20%) e adiposidade, hipertrofia de adipócitos e redução da imunocoloração para adiponectina no tecido adiposo. No pâncreas houve aumento da massa (+28%), acúmulo de gordura (+700%), hipertrofia da ilhota (+38%) e redução da imunocoloração para GLUT-2 (-60%). A rosiglitazona diminuiu a glicemia e insulina de jejum, porém induziu o ganho de MC e hipertrofia cardíaca. O fenofibrato estabilizou a MC, enquanto o bezafibrato levou a perda de MC. Apenas o bezafibrato impediu a hipertrofia da ilhota. A imunocoloração para GLUT-2 foi aumentada por todos os medicamentos, e não houve alterações na imunocoloração para o PPARα. Sinais morfológicos de pancreatite foram vistos no grupo HFHS-Fe, apesar dos níveis normais de amilase e lipase séricos. A rosiglitazona exacerbou a infiltração intrapancreática de gordura (+75% vs. HFHS), e o bezafibrato aumento a imunocoloração para o PPARβ/δ nas ilhotas pancreáticas. Em conclusão, o bezafibrato apresentou um efeito mais amplo sobre as alterações metabólicas, morfológicas e biométricas decorrentes da dieta HFHS, sugerindo que a inibição das três isoformas do PPAR seria melhor do que a inibição de apenas uma isoforma. A rosiglitazona exacerbou o ganho de MC, a infiltração de gordura no pâncreas e induziu hipertrofia cardíaca, assim, é necessário cautela ao prescrever este medicamento a um paciente obeso.

Efeitos macrovasculares, microvasculares e interação leucócito-endotélio, na endotoxemia experimental após o uso de Dobutamina com e sem ressuscitação volêmica

Na sepse, o mecanismo desencadeador de morte é a disfunção múltipla de órgãos e sistemas. Com isso a microcirculação é considerada o motor na patogênese da sepse. A perfusão microcirculatória representa um dos principais objetivos para melhorar as taxas de sobrevida. Uma vez reconhecida a síndrome séptica, o protocolo clínico estabelece o uso de fluidoterapia com salina, de forma vigorosa na primeira hora e seguida de suporte inotrópico com Dobutamina. A partir daí foi levantada a hipótese das drogas β-agonistas serem relevantes na recuperação da microcirculação, antes mesmo de seu conhecido papel na recuperação do choque cardiogênico. Assim, estudar o papel da Dobutamina, um β-agonista, na resposta adrenérgica em situação de sepse se faz necessário e urgente e o entendimento de sua ação, associada à reposição volêmica, foi objeto deste estudo. Foram usados no presente estudo, 78 hamsters, induzida a endotoxemia com LPS (2mg/kg/de massa de peso corporal) e divididos em 9 grupos: controle (n=10), endotóxico(n=10), endotóxico tratados com Dobutamina na dose de 5 e 15 μg /kg/min (n=10), Isoproterenol(n=10), ressuscitação volêmica (n=10) e ressuscitação volêmica associada à Dobutamina 5 (n=10) e 15 μg/kg/min (n=4) e Isoproterenol (n=4). Foram comparados os resultados de recuperação da densidade capilar funcional ao longo do tempo entre os grupos, e obteve-se resultado estatisticamente significativo no grupo em que se usa Dobutamina de 5μg/kg/min associada à ressuscitação volêmica p< 0,05. Em conclusão este estudo mostra que o papel da ressuscitação volêmica é crucial na resposta da microcirculação para melhorar a densidade capilar funcional, que a velocidade da hemácia capilar tem relação direta com a melhora na perfusão tecidual e que a associação de recuperação volêmica com solução salina e Dobutamina na dose de 5 μg /kg /min melhora significativamente sua resposta e melhora a perfusão.

Consumo de óleo de peixe na resposta inflamatória em ratos submetidos a esplenectomia total isolada ou combinada com autoimplante esplênico e à indução de sepse abdominal

Em órgãos potencialmente importantes na resposta imune, como o baço, alternativas como o autoimplante de segmentos esplênicos, quando a esplenectomia total torna-se necessária, e a utilização de nutrientes com funcionalidade imunomoduladora vêm sendo estudadas, objetivando minimizar o efeito pró-inflamatório persistente da sepse abdominal. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do consumo de óleo de peixe na modulação da resposta inflamatória em animais submetidos a esplenectomia total isolada ou combinada com autoimplante esplênico e à indução de sepse abdominal, verificando a possível otimização na resposta pró-inflamatória e a regeneração funcional do autoimplante. Utilizamos 64 ratos machos da linhagem Wistar, com peso variando entre 140-200 g, aleatoriamente distribuídos em oito grupos: quatro grupos-controle (100% óleo de soja) e quatro grupos-intervenção (35% de óleo de peixe), cada um com oito animais. Os dos grupos-controle (animais alimentados com ração purificada, segundo AIN-93, com conteúdo lipídico constituído por 100% óleo de soja) foram: I sem intervenção cirúrgica e, 16 semanas após, submetidos à indução de sepse abdominal; II esplenectomia total isolada e, 16 semanas após, submetidos à indução de sepse abdominal; III esplenectomia total combinada com autoimplante esplênico e, 16 semanas após, submetidos à indução de sepse abdominal; e IV esplenectomia total combinada com autoimplante esplênico e, oito semanas após, submetidos à indução de sepse abdominal. Os dos grupos-intervenção (V a VIII) foram submetidos a procedimentos similares aos executados nos grupos I a IV, respectivamente, sendo a única modificação fundamentada na substituição de 35% do conteúdo lipídico da alimentação dos animais por óleo de peixe. Todos os animais foram submetidos a sepse induzida por ligadura e perfuração cecal (CLP). Coletamos amostras sanguíneas de todos os animais antes da indução da sepse (período 1) e 2 e 4 horas (períodos 2 e 3) após a indução da sepse abdominal. Verificou-se, a cada três dias, massa corporal (MC) e ingestão alimentar (IA). Analisamos as citocinas INF-γ, IL-6 e IL-10 por meio da tecnologia Luminex. Utilizamos o teste T de Student para análise estatística, considerando significativo com p≤0,05. Os dos grupos V, VI e VIII apresentaram maior consumo alimentar que seus controles. Os do grupo V apresentaram menores concentrações de IFN-γ em todos os períodos e maior IL-10 nos períodos 2 e 3. Os do grupo VI apresentaram menores concentrações de todas as citocinas: IFN-γ nos períodos 2 e 3; IL-6 nos períodos 1 e 2; e maior IL-10 nos períodos 1 e 2. Os do grupo VIII apresentaram menor IFN-γ no período 3, IL-6 no período 2, e maior IL-10 no período 1. Não observou-se diferenças nos do grupo VII em nenhuma das citocinas estudadas. Este estudo demonstrou que a utilização do óleo de peixe em pequena dose, consumido cronicamente, como parte do teor lipídico total da dieta e não de forma suplementar, é capaz de manter a massa corporal adequada e reduzir a resposta inflamatória à sepse abdominal induzida por CLP, aumentando a IL-10 plasmática em ratos que não sofreram intervenção cirúrgica, e parece favorecer a regeneração funcional precoce do autoimplante esplênico.

Aspects of mineral composition of male and female Heterobranchus bidorsalis adults exposed to different concentrations of Bonny-light crude oil

Studies were carried out to assess some macro and trace elements of mineral composition of the male and female Heterobranchus bidorsalis adults exposed to graded concentrations (1.00-8.00m/L-1) of Bonny-light crude oil (BLCO). The experiment was monitored for 4 days (toxicity) and 42days (recovery) periods. Significant decreases (P < 0.05)in the sodium (Na), potassium (K), magnesium (Mg), calcium (Ca), phosphorus (P), zinc (Zn), iron (Fe), vanadium (Va), lead (Pb) and manganese (Mn) contents of the male H. bidorsalis corresponded with the increasing concentrations of BLCO. In contrast, the female fishes recorded significant increases (P < 0.05) in the values of the above elements in their tissues as the concentrations of BLCO increased. Furthermore, the values of Na, K, Mg, Ca, P, Zn, Fe, Va, Pb and Mn recorded in the male fishes where generally lower than those of their female counterparts and the control fish. Increased values of these elements were also recorded during the recovery periods (days 14, 28 and 42) of this study in the magnitudes of 15% at day 14, 20% at day 28 and 20% at day 42. This implied that the removal of crude oil stress during this period improved the quantity of these minerals deposited in the fish tissues. The highest percent proportion of Zn and the lowest proportion of Pb recorded in both male and female H. bidorsalis adults agreed with the report of other workers for other fish species. KEYWORDS: Heterobranchus bidorsalis, Mineral composition, Bonny-light crude oil, Toxicity, Recovery.

Sylphella puccoon gen. n., sp n. and two additional new species of aquatic oligochaetes (Lumbriculidae, Clitellata) from poorly-known lotic habitats in North Carolina (USA)

Three new species of Lumbriculidae were collected from floodplain seeps and small streams in southeastern North America. Some of these habitats are naturally acidic. Sylphella puccoon gen. n., sp. n. has prosoporous male ducts in X-XI, and spermathecae in XII-XIII. Muscular, spherical atrial ampullae and acuminate penial sheaths distinguish this monotypic new genus from other lumbriculid genera having similar arrangements of reproductive organs. Cookidrilus pocosinus sp. n. resembles its two subterranean, Palearctic congeners in the arrangement of reproductive organs, but is easily distinguished by the position of the spermathecal pores in front of the chaetae in X-XIII. Stylodrilus coreyi sp. n. differs from congeners having simple-pointed chaetae and elongate atria primarily by the structure of the male duct and the large clusters of prostate cells. Streams and wetlands of Southeastern USA have a remarkably high diversity of endemic lumbriculids, and these poorly-known invertebrates should be considered in conservation efforts.

Desenvolvimento do sistema reprodutivo de Echinostoma paraensei (Trematoda: Digenea) de hamsters (Mesocricetus auratus) experimentalmente infectados, analisado por microscopia de luz de campo e microscopia laser confocal

O conhecimento da morfologia e ultraestrutura dos helmintos permite a correta classificação destes organismos, bem como fornece subsídios que poderão ser utilizados para diagnóstico e controle. A microscopia laser confocal é uma ferramenta para estudar a organização estrutural de várias espécies de helmintos, possibilitando acesso a detalhes morfológicos não evidenciados pela microscopia óptica. Echinostoma paraensei é um trematódeo, digenético, hermafrodita parasito de numerosos hospedeiros vertebrados. Neste trabalho foi investigado o desenvolvimento dos órgãos reprodutivo e a morfometria de E. paraensei, desde a fase jovem até a adulta, como contribuição ao conhecimento do desenvolvimento reprodutivo desta espécie. Os trematódeos foram recuperados aos 3, 4, 5, 6, 7, 10, 14 e 21 dias posterior à infecção (dpi) experimental em hamsters. Estes foram corados em carmim clorídrico, desidratados em série alcoólica e montados em lâmina permanente em bálsamo do Canadá, fotografados e medidos usando microscopia de luz de campo claro (MCC) e microscopia de varredura laser confocal (MVLC). Entre 3 e 4 dpi, os primórdios genitais estavam presentes e nenhuma organização do sistema reprodutivo foi visualizada por MCC e MVLC. Os primórdio do ovário, dos testículos e da bolsa do cirro foram visualizados por MCC aos 5 e 6 dpi, no entanto, MVLC dos helmintos aos 5dpi mostra que estes primórdios, o ootipo e o útero estavam presentes, como estruturas individualizadas. A bolsa do cirro apresenta metratermo e o ovário com primórdio do oótipo adjacente aos 7dpi por MVLC. A vesícula seminal, receptáculo seminal, células diferenciadas nos testículos, ducto e reservatório vitelínico e oviducto foram visualizados após 10 dias, enquanto os espermatozóides na vesícula seminal, ovos e oócitos, células vitelínicas, poro e canal de Laurer aos 14 dias. A morfometria evidencia um acelerado crescimento dos órgãos reprodutores a partir do 7 dia. Os testículos apresentam aumento significativo no comprimento do 7 ao 21 dia e o ovário durante o período de 7 à 10 dpi. Aos 21 dpi, todos os helmintos apresentaram glândulas vitelínicas, útero contendo ovos e espermatozóides no oviducto enquanto outros ovos estão sendo formados. As mudanças morfológicas acentuadas durante a gametogênese consistem no aumento do comprimento do helminto, maturação das gônadas, desenvolvimento e maturação das glândulas vitelínicas. O desenvolvimento do helminto como um todo está relacionado à maturação dos órgãos reprodutivo masculino e feminino indicando o investimento deste trematódeo em garantir a produção e eliminação dos ovos ao meio exterior.

Analysis of the Response Speed of Musculature of the Knee in Professional Male and Female Volleyball Players

The aim of this study was to evaluate the normalized response speed (Vrn) of the knee musculature (flexor and extensor) in high competitive level volleyball players using tensiomyography (TMG) and to analyze the muscular response of the vastus medialis (VM), rectus femoris (RF), vastus lateralis (VL), and biceps femoris (BF) in accordance with the specific position they play in their teams. One hundred and sixty-six players (83 women and 83 men) were evaluated. They belonged to eight teams in the Spanish women's superleague and eight in the Spanish men's superleague. The use of Vrn allows avoiding possible sample imbalances due to anatomical and functional differences and demands. We found differences between Vrn in each of the muscles responsible for extension (VM, RF, and VL) and flexion (BF) regardless of the sex. Normalized response speed differences seem to be larger in setters, liberos and outside players compared to middle blockers and larger in males when compared to females. These results of Vrn might respond to the differences in the physical and technical demands of each specific position, showing an improved balance response of the knee extensor and flexor musculature in male professional volleyball players.

The role of mate guarding, Male Size and Male Investment on Individual Reproductive Success in the Blue Crab, Callinectes Sapidus.

Male blue crabs, Callinectes Sapidus, guard their mates before and after mating, suggesting that the conditions regulating both types of mate guarding dictate individual reproductive success. I tested the hypothesis that large male blue crabs have advantages in sexual competition using experimental manipulations, a simulation model, and field data on crabs from mid-Chesapeake Bay between 1991-1994.

Efeitos metabólicos e testicular da administração em longo prazo de diferentes dietas hiperlipídicas em ratos adultos

A obesidade e suas complicações metabólicas afetam o sistema endócrino e vários órgãos, tais como os testículos. Portanto, o objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos da ingestão de diferentes dietas hiperlipídicas (rica em ácidos graxos saturados e/ou poliinsaturados) na massa corporal, no metabolismo de carboidratos e na morfologia testicular em ratos aos sete meses de idade. 39 ratos machos Wistar (três meses de idade) foram divididos em 4 grupos: SC (standard chow; n = 9), HF-S (dieta hiperlipídica rica em ácidos graxos saturados; n = 10), HF-P (dieta hiperlipídica rica em ácidos graxos poliinsaturados; n = 10), HF-SP (dieta hiperlipídica rica em ácidos graxos saturados e poliinsaturados; n = 10). A massa corporal foi monitorada semanalmente, até o final do experimento. Ao sacrifício (sete meses de idade), amostras de sangue foram coletadas e os testículos foram dissecados, pesados e processados para análises histomorfométrica, imunohistoquímica e bioquímica. Os depósitos de gordura genital foram dissecados e pesados. Os dados foram analisados por ANOVA e pós-teste de Bonferroni, considerando p < 0,05. As dietas hiperlipídicas promoveram aumento na massa corporal dos animais quando comparado ao grupo SC (p < 0,0001). Corroborando com esse resultado, os depósitos de gordura genital dos grupos hiperlipídicos (HF-S, HF-P e HF-SP) apresentaram aumento de 67%, 91% e 90% (p = 0,0004) em relação ao grupo SC, respectivamente. Quanto aos parâmetros séricos, os animais dos grupos HF-S e HF-SP apresentaram hiperglicemia (p = 0,0060), hiperinsulinemia (p = 0,0030), hipercolesterolemia (p = 0,0021). Todos os grupos hiperlipídicos apresentaram hiperleptinemia (p = 0,0019). Os níveis de triglicerídeos e testosterona não diferiram entre os grupos. Em relação ao testículo, os grupos SC, HF-P e HF-SP apresentaram maior altura do epitélio seminífero quando comparado ao grupo HF-S (p = 0,0003). No que diz respeito ao diâmetro dos túbulos seminíferos, verificou-se uma diminuição no grupo HF-SP, em comparação ao grupo SC (p = 0,0010). A proliferação celular foi reduzida no grupo HF-S comparado ao grupo SC (p = 0,0450). Não foram observadas diferenças na massa testicular e na concentração de colágeno. Diante do exposto, a administração de dieta HF, independentemente da qualidade do lipídio, promoveu o sobrepeso em ratos adultos. No entanto, a dieta rica em ácidos graxos saturados (banha de porco) promoveu alterações no metabolismo dos carboidratos e na morfologia testicular, com redução no diâmetro dos túbulos seminíferos, na altura do epitélio seminífero e na proliferação das células da linhagem espermatogênica. Estas alterações estão possivelmente relacionadas à distúrbios na espermatogênese.

Pawpaw seed as fertility control agent on male Nile tilapia

To find out if pawpaw (Carica papaya) seeds can induce sterility in male Nile tilapia (Oreochromis niloticus) and to determine if sterility so induced is reversible or otherwise, mature male tilapia of mean weight 40 g were treated for 30 days with a low dose (4.9 g/kg/day) and a high dose (9.8 g/kg/day) of ground pawpaw seeds incorporated into their feed. Fish of similar sizes in the control experiment were fed with feed that did not contain pawpaw seed. The pawpaw seeds induced permanent sterility in the fish that received the high dose, while sterility in the low dose treatment was reversible. Fish in the control experiment spawned two weeks into the experiment and again in the fifth week. Fish in the low dose treatment spawned three weeks after the treatment had been discontinued. Histological sections of the testes showed that pawpaw seeds produced swollen nuclei in the low dose treatment and disintegrated cells in the high dose treatment. The study showed that pawpaw seeds, which are easy to obtain, can be incorporated into fish feeds and used by farmers to control prolific breeding of Nile tilapia.