Macroautophagic cargo sequestration assays

Macroautophagy, the process responsible for bulk sequestration and lysosomal degradation of cytoplasm, is often monitored by means of the autophagy-related marker protein LC3. This protein is linked to the phagophoric membrane by lipidation during the final steps of phagophore assembly, and it remains associated with autophagic organelles until it is degraded in the lysosomes. The transfer of LC3 from cytosol to membranes and organelles can be measured by immunoblotting or immunofluorescence microscopy, but these assays provide no information about functional macroautophagic activity, i.e., whether the phagophores are actually engaged in the sequestration of cytoplasmic cargo and enclosing this cargo into sealed autophagosomes. Moreover, accumulating evidence suggest that macroautophagy can proceed independently of LC3. There is therefore a need for alternative methods, preferably effective cargo sequestration assays, which can monitor actual macroautophagic activity. Here, we provide an overview of various approaches that have been used over the last four decades to measure macroautophagic sequestration activity in mammalian cells. Particular emphasis is given to the so-called "LDH sequestration assay", which measures the transfer of the autophagic cargo marker enzyme LDH (lactate dehydrogenase) from the cytosol to autophagic vacuoles. The LDH sequestration assay was originally developed to measure macroautophagic activity in primary rat hepatocytes. Subsequently, it has found use in several other cell types, and in this article we demonstrate a further validation and simplification of the method, and show that it is applicable to several cell lines that are commonly used to study autophagy.

Modulation of intracellular calcium homeostasis blocks autophagosome formation

Cellular stress responses often involve elevation of cytosolic calcium levels, and this has been suggested to stimulate autophagy. Here, however, we demonstrated that agents that alter intracellular calcium ion homeostasis and induce ER stress-the calcium ionophore A23187 and the sarco/endoplasmic reticulum Ca (2+)-ATPase inhibitor thapsigargin (TG)-potently inhibit autophagy. This anti-autophagic effect occurred under both nutrient-rich and amino acid starvation conditions, and was reflected by a strong reduction in autophagic degradation of long-lived proteins. Furthermore, we found that the calcium-modulating agents inhibited autophagosome biogenesis at a step after the acquisition of WIPI1, but prior to the closure of the autophagosome. The latter was evident from the virtually complete inability of A23187- or TG-treated cells to sequester cytosolic lactate dehydrogenase. Moreover, we observed a decrease in both the number and size of starvation-induced EGFP-LC3 puncta as well as reduced numbers of mRFP-LC3 puncta in a tandem fluorescent mRFP-EGFP-LC3 cell line. The anti-autophagic effect of A23187 and TG was independent of ER stress, as chemical or siRNA-mediated inhibition of the unfolded protein response did not alter the ability of the calcium modulators to block autophagy. Finally, and remarkably, we found that the anti-autophagic activity of the calcium modulators did not require sustained or bulk changes in cytosolic calcium levels. In conclusion, we propose that local perturbations in intracellular calcium levels can exert inhibitory effects on autophagy at the stage of autophagosome expansion and closure.

Aggressiveness as a component of fighting ability in pigs using a game-theoretical framework

Understanding animal contests has benefited greatly from employing the concept of fighting ability, termed resource-holding potential (RHP), with body size/weight typically used as a proxy. However, victory does not always go to the larger/heavier contestant and the existing RHP approach thereby fails to accurately predict contest outcome. Aggressiveness, typically studied as a personality trait, might explain part of this discrepancy. We investigated whether aggressiveness forms a component of RHP, examining effects on contest outcome, duration and phases, plus physiological measures of costs (lactate and glucose). Furthermore, using the correct theoretical framework, we provide the first study to investigate whether individuals gather and use information on aggressiveness as part of an assessment strategy. Pigs, Sus scrofa, were assessed for aggressiveness in resident-intruder tests whereby attack latency reflects aggressiveness. Contests were then staged between size-matched animals diverging in aggressiveness. Individuals with a short attack latency in the resident-intruder test almost always initiated the first bite and fight in the subsequent contest. However, aggressiveness had no direct effect on contest outcome, whereas bite initiation did lead to winning in contests without an escalated fight. This indirect effect suggests that aggressiveness is not a component of RHP, but rather reflects a signal of intent. Winner and loser aggressiveness did not affect contest duration or its separate phases, suggesting aggressiveness is not part of an assessment strategy. A greater asymmetry in aggressiveness prolonged contest duration and the duration of displaying, which is in a direction contrary to assessment models based on morphological traits. Blood lactate and glucose increased with contest duration and peaked during escalated fights, highlighting the utility of physiological measures as proxies for fight cost. Integrating personality traits into the study of contest behaviour, as illustrated here, will enhance our understanding of the subtleties of agonistic interactions.

Inhibition of O-GlcNAc transferase activity reprograms prostate cancer cell metabolism

Metabolic networks are highly connected and complex, but a single enzyme, O-GlcNAc transferase (OGT) can sense the availability of metabolites and also modify target proteins. We show that inhibition of OGT activity inhibits the proliferation of prostate cancer cells, leads to sustained loss of c-MYC and suppresses the expression of CDK1, elevated expression of which predicts prostate cancer recurrence (p=0.00179). Metabolic profiling revealed decreased glucose consumption and lactate production after OGT inhibition. This decreased glycolytic activity specifically sensitized prostate cancer cells, but not cells representing normal prostate epithelium, to inhibitors of oxidative phosphorylation (rotenone and metformin). Intra-cellular alanine was depleted upon OGT inhibitor treatment. OGT inhibitor increased the expression and activity of alanine aminotransferase (GPT2), an enzyme that can be targeted with a clinically approved drug, cycloserine. Simultaneous inhibition of OGT and GPT2 inhibited cell viability and growth rate, and additionally activated a cell death response. These combinatorial effects were predominantly seen in prostate cancer cells, but not in a cell-line derived from normal prostate epithelium. Combinatorial treatments were confirmed with two inhibitors against both OGT and GPT2. Taken together, here we report the reprogramming of energy metabolism upon inhibition of OGT activity, and identify synergistically lethal combinations that are prostate cancer cell specific.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Efeitos genotóxicos e bioquímicos de xenobióticos em animais aquáticos

No presente trabalho, foi estudado um largo espectro de efeitos genotóxicos e bioquímicos na tainha-garrento (Liza aurata). Nos Capítulos II e III são descritos os efeitos de exposição de curta duração ao fenantreno, um hidrocarboneto aromático policíclico (HAP). A exposição de curta duração (16 horas) demonstrou a capacidade deste composto induzir a actividade da enzima de fase I da biotransformação, etoxiresorufina O-desetilase (EROD), provocar decréscimos de integridade no ADN hepático e aumento de anomalias nucleares eritrocíticas (ANE). Em termos de respostas de stresse, os níveis plasmáticos de cortisol e glucose aumentaram face à exposição a este HAP. A exposição ao fenantreno induziu o decréscimo da glutationa peroxidase (GPx) nas guelras, enquanto que no fígado a actividade da GPx aumentou. No rim, a actividade da glutationa S-transferase (GST) foi inibida. Nas guelras, verificou-se um aumento da catalase. O fenantreno demonstrou igualmente a capacidade de induzir um aumento dos níveis de glutationa nas guelras e fígado. Estas respostas demonstraram a sensibilidade de L. aurata, a este HAP, realçando a especificidade das respostas em termos de órgãos. Apesar dos aumentos das defesas antioxidantes, o potencial tóxico deste composto foi demonstrado pelo aumento da peroxidação lipídica nos três órgãos. Nos capítulos seguintes, são descritas as respostas de L. aurata capturada na Ria de Aveiro, em locais com diferentes perfis de contaminação, inicialmente no Outono de 2005 (Capítulos III a IX) e posteriormente analisando respostas sazonais (Capítulos X e XI). A análise de respostas de stresse (cortisol, glucose e lactato) revelou que L. aurata capturada em Vagos (local contaminado por HAPs) apresentava níveis baixos de cortisol, enquanto que no Laranjo (local contaminado por mercúrio) apresentavam elevados níveis de glucose e lactato. Relativamente às hormonas do eixo hipotálamo – hipófise – tiróide (HHT), foram observados elevados níveis plasmáticos da hormona estimuladora da tiróide (TSH) nos organismos capturados no Laranjo, baixos níveis de tiroxina (T4) nos organismos da Barra (local sujeito a tráfego naval) e baixos níveis de triiodotironina (T3) no Rio Novo do Príncipe (próximo de um antigo efluente de pasta de papel), Laranjo e Vagos. A avaliação das defesas antioxidantes, dano oxidativo e genotóxico nas guelras, rim e fígado revelou diferenças significativas nas respostas dos órgãos. L. aurata capturada na Barra apresentou dano oxidativo nas guelras (Capítulo V). No rim foi detectada uma diminuição da integridade do ADN no Rio Novo do Príncipe e Vagos (Capítulo VI), enquanto que no fígado foi observado dano lipídico na Gafanha e Vagos (Capítulo VIII). O dano não esteve sempre associado a um decréscimo das defesas. As análises da água e do sedimento da Ria de Aveiro (Outono de 2005) revelaram elevadas concentrações de metais (Cd, Hg, Cu e Zn),principalmente, no Laranjo e Rio Novo do Príncipe. L. aurata capturada nestes locais apresentou os níveis mais elevados de metalotioninas hepáticas (Capítulo VII) que parecem responsáveis pela inexistência de danos no fígado (Capítulo VIII). O dano oxidativo no ADN, avaliado através da quantificação dos níveis plasmáticos de 8-hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdG) e o dano clastogénico/aneugénico, avaliado através da quantificação da frequência de ANE, foram estudados, no Outono de 2005, em duas espécies de peixes (L. aurata e Dicentrarchus labrax - robalo) (Capítulo IX). Os resultados revelaram grande sensibilidade de D. labrax em termos de dano oxidativo no ADN na Gafanha, Rio Novo do Príncipe e Vagos, enquanto que L. aurata apresentou dano oxidativo apenas no Laranjo. O aumento da frequência de ANE apenas foi detectado em L. aurata, em Vagos, não se tendo detectado correlação entre estes dois parâmetros. O estudo sazonal (Maio de 2006 a Março de 2007) do dano oxidativo no ADN e frequência de ANE em L. aurata (Capítulo X) demonstrou a variação destes parâmetros com a estação do ano, apesar de não se ter verificado correlação com os parâmetros hidrológicos determinados. No entanto, no local de referência não se verificaram diferenças sazonais, o que sugere que estes biomarcadores reflectem variações de biodisponibilidade de contaminantes. A análise global dos resultados das diferentes estações do ano revelou que L. aurata capturada no Rio Novo do Príncipe e em Vagos apresentou maior susceptibilidade a dano oxidativo no ADN. No entanto, apenas L. aurata capturada em Vagos apresentou frequência de ANE superior à do local de referência. Os dados do estudo sazonal revelaram uma correlação entre dano oxidativo e ANE, sugerindo o stresse oxidativo como um possível mecanismo envolvido na formação de anomalias. A integridade do ADN das guelras, rim, fígado e sangue de L. aurata foi igualmente estudada ao longo de um ano (Capítulo XI), tendo-se verificado uma grande variabilidade ao longo deste período. Não foi demonstrada sensibilidade a um perfil de contaminação específico, tendo-se verificando variabilidade sazonal no local de referência. Globalmente, os resultados demonstraram a importância da utilização de uma bateria de biomarcadores na monitorização ambiental e a especificidade da resposta dos diferentes órgãos de L. aurata.

Metabonomics of human amniotic fluid for prenatal diagnostics

O trabalho apresentado nesta tese teve como principais objectivos contribuir para o conhecimento da composição do líquido amniótico humano (LA), colhido no 2º trimestre de gravidez, assim como investigar possíveis alterações na sua composição devido à ocorrência de patologias pré-natais, recorrendo à metabonómica e procurando, assim, definir novos biomarcadores de doenças da grávida e do feto. Após uma introdução descrevendo o estado da arte relacionado com este trabalho (Capítulo 1) e os princípios das metodologias analíticas usadas (Capítulo 2), seguida de uma descrição dos aspectos experimentais associados a esta tese (Capítulo 3), apresentam-se os resultados da caracterização da composição química do LA (gravidez saudável) por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), assim como da monitorização da sua estabilidade durante o armazenamento e após ciclos de congelamento-descongelamento (Capítulo 4). Amostras de LA armazenadas a -20°C registaram alterações significativas, tornando-se estas menos pronunciadas (mas ainda mensuráveis) a -70°C, temperatura recomendada para o armazenamento de LA. Foram também observadas alterações de composição após 1-2 ciclos de congelamento-descongelamento (a ter em conta aquando da reutilização de amostras), assim como à temperatura ambiente (indicando um período máximo de 4h para a manipulação e análise de LA). A aquisição de espectros de RMN de 1H de alta resolução e RMN acoplado (LC-NMR/MS) permitiu a detecção de 75 compostos no LA do 2º trimestre, 6 dos quais detectados pela primeira vez no LA. Experiências de difusão (DOSY) permitiram ainda a caracterização das velocidades de difusão e massas moleculares médias das proteínas mais abundantes. O Capítulo 5 descreve o estudo dos efeitos de malformações fetais (FM) e de cromossomopatias (CD) na composição do LA do 2º trimestre de gravidez. A extensão deste trabalho ao estudo dos efeitos de patologias no LA que ocorrem no 3º trimestre de gravidez é descrita no Capítulo 6, nomeadamente no que se refere ao parto pré-termo (PTD), pré-eclampsia (PE), restrição do crescimento intra-uterino (IUGR), ruptura prematura de membranas (PROM) e diabetes mellitus gestacional (GDM). Como complemento a estes estudos, realizou-se uma análise preliminar da urina materna do 2º trimestre para o estudo de FM e GDM, descrita no Capítulo 7. Para interpretação dos dados analíticos, obtidos por espectroscopia RMN de 1H, cromatografia líquida de ultra eficiência acoplada a espectrometria de massa (UPLC-MS) e espectroscopia do infravermelho médio (MIR), recorreu-se à análise discriminante pelos métodos dos mínimos quadrados parciais e o método dos mínimos quadrados parciais ortogonal (PLS-DA e OPLS-DA) e à correlação espectral. Após análise por validação cruzada de Monte-Carlo (MCCV), os modelos PLS-DA de LA permitiram distinguir as FM dos controlos (sensibilidades 69-85%, especificidades 80-95%, taxas de classificação 80-90%), revelando variações metabólicas ao nível do metabolismo energético, dos metabolismos dos aminoácidos e glícidos assim como possíveis alterações ao nível do funcionamento renal. Observou-se também um grande impacto das FM no perfil metabólico da urina materna (medido por UPLC-MS), tendo no entanto sido registados modelos PLS-DA com menor sensibilidade (40-60%), provavelmente devido ao baixo número de amostras e maior variabilidade da composição da urina (relativamente ao LA). Foram sugeridos possíveis marcadores relacionados com a ocorrência de FM, incluindo lactato, glucose, leucina, valina, glutamina, glutamato, glicoproteínas e conjugados de ácido glucurónico e/ou sulfato e compostos endógenos e/ou exógenos (<1 M) (os últimos visíveis apenas na urina). No LA foram também observadas variações metabólicas devido à ocorrência de vários tipos de cromossomopatias (CD), mas de menor magnitude. Os perfis metabólicos de LA associado a pré- PTD produziram modelos que, apesar do baixo poder de previsão, sugeriram alterações precoces no funcionamento da unidade fetoplacentária, hiperglicémia e stress oxidativo. Os modelos obtidos para os grupos pré- IUGR pré- PE, pré- PROM e pré-diagnóstico GDM (LA e urina materna) registaram baixo poder de previsão, indicando o pouco impacto destas condições na composição do LA e/ou urina do 2º trimestre. Os resultados obtidos demonstram as potencialidades da análise dos perfis metabólicos do LA (e, embora com base em menos estudos, da urina materna) do 2º trimestre para o desenvolvimento de novos e complementares métodos de diagnóstico, nomeadamente para FM e PTD.

Metabolic signature of lung cancer: a metabolomic study of human tissues and biofluids

This thesis reports the application of metabolomics to human tissues and biofluids (blood plasma and urine) to unveil the metabolic signature of primary lung cancer. In Chapter 1, a brief introduction on lung cancer epidemiology and pathogenesis, together with a review of the main metabolic dysregulations known to be associated with cancer, is presented. The metabolomics approach is also described, addressing the analytical and statistical methods employed, as well as the current state of the art on its application to clinical lung cancer studies. Chapter 2 provides the experimental details of this work, in regard to the subjects enrolled, sample collection and analysis, and data processing. In Chapter 3, the metabolic characterization of intact lung tissues (from 56 patients) by proton High Resolution Magic Angle Spinning (HRMAS) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy is described. After careful assessment of acquisition conditions and thorough spectral assignment (over 50 metabolites identified), the metabolic profiles of tumour and adjacent control tissues were compared through multivariate analysis. The two tissue classes could be discriminated with 97% accuracy, with 13 metabolites significantly accounting for this discrimination: glucose and acetate (depleted in tumours), together with lactate, alanine, glutamate, GSH, taurine, creatine, phosphocholine, glycerophosphocholine, phosphoethanolamine, uracil nucleotides and peptides (increased in tumours). Some of these variations corroborated typical features of cancer metabolism (e.g., upregulated glycolysis and glutaminolysis), while others suggested less known pathways (e.g., antioxidant protection, protein degradation) to play important roles. Another major and novel finding described in this chapter was the dependence of this metabolic signature on tumour histological subtype. While main alterations in adenocarcinomas (AdC) related to phospholipid and protein metabolisms, squamous cell carcinomas (SqCC) were found to have stronger glycolytic and glutaminolytic profiles, making it possible to build a valid classification model to discriminate these two subtypes. Chapter 4 reports the NMR metabolomic study of blood plasma from over 100 patients and near 100 healthy controls, the multivariate model built having afforded a classification rate of 87%. The two groups were found to differ significantly in the levels of lactate, pyruvate, acetoacetate, LDL+VLDL lipoproteins and glycoproteins (increased in patients), together with glutamine, histidine, valine, methanol, HDL lipoproteins and two unassigned compounds (decreased in patients). Interestingly, these variations were detected from initial disease stages and the magnitude of some of them depended on the histological type, although not allowing AdC vs. SqCC discrimination. Moreover, it is shown in this chapter that age mismatch between control and cancer groups could not be ruled out as a possible confounding factor, and exploratory external validation afforded a classification rate of 85%. The NMR profiling of urine from lung cancer patients and healthy controls is presented in Chapter 5. Compared to plasma, the classification model built with urinary profiles resulted in a superior classification rate (97%). After careful assessment of possible bias from gender, age and smoking habits, a set of 19 metabolites was proposed to be cancer-related (out of which 3 were unknowns and 6 were partially identified as N-acetylated metabolites). As for plasma, these variations were detected regardless of disease stage and showed some dependency on histological subtype, the AdC vs. SqCC model built showing modest predictive power. In addition, preliminary external validation of the urine-based classification model afforded 100% sensitivity and 90% specificity, which are exciting results in terms of potential for future clinical application. Chapter 6 describes the analysis of urine from a subset of patients by a different profiling technique, namely, Ultra-Performance Liquid Chromatography coupled to Mass Spectrometry (UPLC-MS). Although the identification of discriminant metabolites was very limited, multivariate models showed high classification rate and predictive power, thus reinforcing the value of urine in the context of lung cancer diagnosis. Finally, the main conclusions of this thesis are presented in Chapter 7, highlighting the potential of integrated metabolomics of tissues and biofluids to improve current understanding of lung cancer altered metabolism and to reveal new marker profiles with diagnostic value.

Contamination of farmed gilthead sea bream (Sparus aurata, Linnaeus, 1758) by the parasite Amyloodinium ocellatum: a proteomic approach

Dissertação de mestrado, Aquacultura e Pescas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Uniersidade do Algarve, 2015

Complex Interplay Between Determinants of Pacing and Performance During 20 km Cycle Time Trials

Purpose This study examined the determinants of pacing strategy and performance during self paced maximal exercise. Methods Eight well trained cyclists completed two 20 km time trials. Power output, RPE, positive and negative affect, and iEMG activity of the active musculature were recorded every 0.5km, confidence in achieving pre-exercise goals was assessed every 5 km, and blood lactate and pH were measured post-exercise. Differences in all parameters were assessed between fastest (FAST) and slowest (SLOW) trials performed. Results Mean power output was significantly higher during the initial 90% of FAST, but not the final 10%, and blood lactate concentration was significantly higher and pH significantly lower following FAST. Mean iEMG activity was significantly higher throughout SLOW. RPE was similar throughout both trials, but participants had significantly more positive affect and less negative affect throughout FAST. Participants grew less confident in their ability to achieve their goals throughout SLOW. Conclusions The results suggest that affect may be the primary psychological regulator of pacing strategy and that higher levels of positivity and lower levels of negativity may have been associated with a more aggressive strategy during FAST. Although the exact mechanisms through which affect acts to influence performance are unclear, it may determine the degree of physiological disruption that can be tolerated, or be reflective of peripheral physiological status in relation to the still to be completed exercise task.

Acute hypoxia improves insulin sensitivity (SI2*) and β cell function in individuals with Type 2 Diabetes

Type 2 diabetes is a multifactorial metabolic disease characterized by defects in β-cells function, insulin sensitivity, glucose effectiveness and endogenous glucose production (1). It is widely accepted that insulin and exercise are potent stimuli for glucose transport (2). Acute exercise is known to promote glucose uptake in skeletal muscle via an intact contraction stimulated mechanism (3), while post-exercise improvements in glucose control are due to insulin-dependant mechanisms (2). Hypoxia is also known to promote glucose uptake in skeletal muscle using the contraction stimulated pathway. This has been shown to occur in vitro via an increase in β-cell function, however data in vivo is lacking. The aim of this study was to examine the effects of acute hypoxia with and without exercise on insulin sensitivity (SI2*), glucose effectiveness (SG2*) and β-cell function in individuals with type 2 diabetes. Following an overnight fast, six type 2 diabetics, afer giving informed written consent, completed 60 min of the following: 1) normoxic rest (Nor Rest); 2) hypoxic rest [Hy Rest; O2 = 14.6 (0.4)%]; 3) normoxic exercise (Nor Ex); 4) hypoxic exercise [Hy Ex; O2 = 14.6 (0.4)%]. Exercise trails were set at 90% of lactate threshold. Each condition was followed by a labelled intravenous glucose tolerance test (IVGTT) to provide estimations of SI2*, SG2* and β-cell function. Values are presented as means (SEM). Two-compartmental minimal model analysis showed SI2* to be higher following Hy Rest when comparisons were made with Nor Rest (P = 0.047). SI2* was also higher following Hy Ex [4.37 (0.48) x10-4 . min-1 (μU/ml)] compared to Nor Ex [3.24 (0.51) x10-4 . min-1 (μU/ml)] (P = 0.048). Acute insulin response to glucose (AIRg) was reduced following Hy Rest vs. Nor Rest (P = 0.014 - Table 1). This study demonstrated that 1) hypoxia has the ability to increase glucose disposal; 2) hypoxic-induced improvements in glucose tolerance in the 4 hr following exposure can be attributed to improvements in peripheral SI2*; 3) resting hypoxic exposure improves β-cell function and 4) exercise and hypoxia have an additive effect on SG2* in type 2 diabetics. These findings suggest a possible use for hypoxia both with and without exercise in the clinical treatment of type 2 diabetes.

The short-chain fatty acid acetate reduces appetite via a central homeostatic mechanism

Increased intake of dietary carbohydrate that is fermented in the colon by the microbiota has been reported to decrease body weight, although the mechanism remains unclear. Here we use in vivo11C-acetate and PET-CT scanning to show that colonic acetate crosses the blood–brain barrier and is taken up by the brain. Intraperitoneal acetate results in appetite suppression and hypothalamic neuronal activation patterning. We also show that acetate administration is associated with activation of acetyl-CoA carboxylase and changes in the expression profiles of regulatory neuropeptides that favour appetite suppression. Furthermore, we demonstrate through 13C high-resolution magic-angle-spinning that 13C acetate from fermentation of 13C-labelled carbohydrate in the colon increases hypothalamic 13C acetate above baseline levels. Hypothalamic 13C acetate regionally increases the 13C labelling of the glutamate–glutamine and GABA neuroglial cycles, with hypothalamic 13C lactate reaching higher levels than the ‘remaining brain’. These observations suggest that acetate has a direct role in central appetite regulation.

Reduction of trimethylamine N-oxide to trimethylamine by the human gut microbiota: supporting evidence for ‘metabolic retroversion’

Dietary sources of methylamines such as choline, trimethylamine (TMA), trimethylamine N-oxide (TMAO), phosphatidylcholine (PC) and carnitine are present in a number of foodstuffs, including meat, fish, nuts and eggs. It is recognized that the gut microbiota is able to convert choline to TMA in a fermentation-like process. Similarly, PC and carnitine are converted to TMA by the gut microbiota. It has been suggested that TMAO is subject to ‘metabolic retroversion’ in the gut (i.e. it is reduced to TMA by the gut microbiota, with this TMA being oxidized to produce TMAO in the liver). Sixty-six strains of human faecal and caecal bacteria were screened on solid and liquid media for their ability to utilize trimethylamine N-oxide (TMAO), with metabolites in spent media profiled by Proton Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR) spectroscopy. Enterobacteriaceae produced mostly TMA from TMAO, with caecal/small intestinal isolates of Escherichia coli producing more TMA than their faecal counterparts. Lactic acid bacteria (enterococci, streptococci, bifidobacteria) produced increased amounts of lactate when grown in the presence of TMAO, but did not produce large amounts of TMA from TMAO. The presence of TMAO in media increased the growth rate of Enterobacteriaceae; while it did not affect the growth rate of lactic acid bacteria, TMAO increased the biomass of these bacteria. The positive influence of TMAO on Enterobacteriaceae was confirmed in anaerobic, stirred, pH-controlled batch culture fermentation systems inoculated with human faeces, where this was the only bacterial population whose growth was significantly stimulated by the presence of TMAO in the medium. We hypothesize that dietary TMAO is used as an alternative electron acceptor by the gut microbiota in the small intestine/proximal colon, and contributes to microbial population dynamics upon its utilization and retroversion to TMA, prior to absorption and secondary conversion to TMAO by hepatic flavin-containing monooxygenases. Our findings support the idea that oral TMAO supplementation is a physiologically-stable microbiota-mediated strategy to deliver TMA at the gut barrier.

Formate metabolism in sulfate reducing bacteria

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Acute Kidney Injury after Pediatric Cardiac Surgery: Risk Factors and Outcomes. Proposal for a Predictive Model

Objectives: To characterize the epidemiology and risk factors for acute kidney injury (AKI) after pediatric cardiac surgery in our center, to determine its association with poor short-term outcomes, and to develop a logistic regression model that will predict the risk of AKI for the study population. Methods: This single-center, retrospective study included consecutive pediatric patients with congenital heart disease who underwent cardiac surgery between January 2010 and December 2012. Exclusion criteria were a history of renal disease, dialysis or renal transplantation. Results: Of the 325 patients included, median age three years (1 day---18 years), AKI occurred in 40 (12.3%) on the first postoperative day. Overall mortality was 13 (4%), nine of whom were in the AKI group. AKI was significantly associated with length of intensive care unit stay, length of mechanical ventilation and in-hospital death (p<0.01). Patients’ age and postoperative serum creatinine, blood urea nitrogen and lactate levels were included in the logistic regression model as predictor variables. The model accurately predicted AKI in this population, with a maximum combined sensitivity of 82.1% and specificity of 75.4%. Conclusions: AKI is common and is associated with poor short-term outcomes in this setting. Younger age and higher postoperative serum creatinine, blood urea nitrogen and lactate levels were powerful predictors of renal injury in this population. The proposed model could be a useful tool for risk stratification of these patients.