Cleavage of the antithrombin III binding site in heparin by heparinases and its implication in the generation of low molecular weight heparin

Heparin has been used as a clinical anticoagulant for more than 50 years, making it one of the most effective pharmacological agents known. Much of heparin's activity can be traced to its ability to bind antithrombin III (AT-III). Low molecular weight heparin (LMWH), derived from heparin by its controlled breakdown, maintains much of the antithrombotic activity of heparin without many of the serious side effects. The clinical significance of LMWH has highlighted the need to understand and develop chemical or enzymatic means to generate it. The primary enzymatic tools used for the production of LMWH are the heparinases from Flavobacterium heparinum, specifically heparinases I and II. Using pentasaccharide and hexasaccharide model compounds, we show that heparinases I and II, but not heparinase III, cleave the AT-III binding site, leaving only a partially intact site. Furthermore, we show herein that glucosamine 3-O sulfation at the reducing end of a glycosidic linkage imparts resistance to heparinase I, II, and III cleavage. Finally, we examine the biological and pharmacological consequences of a heparin oligosaccharide that contains only a partial AT-III binding site. We show that such an oligosaccharide lacks some of the functional attributes of heparin- and heparan sulfate-like glycosaminoglycans containing an intact AT-III site.

Heparin and cancer revisited: Mechanistic connections involving platelets, P-selectin, carcinoma mucins, and tumor metastasis

Independent studies indicate that expression of sialylated fucosylated mucins by human carcinomas portends a poor prognosis because of enhanced metastatic spread of tumor cells, that carcinoma metastasis in mice is facilitated by formation of tumor cell complexes with blood platelets, and that metastasis can be attenuated by a background of P-selectin deficiency or by treatment with heparin. The effects of heparin are not primarily due to its anticoagulant action. Other explanations have been suggested but not proven. Here, we bring together all these unexplained and seemingly disparate observations, showing that heparin treatment attenuates tumor metastasis in mice by inhibiting P-selectin-mediated interactions of platelets with carcinoma cell-surface mucin ligands. Selective removal of tumor mucin P-selectin ligands, a single heparin dose, or a background of P-selectin deficiency each reduces tumor cell-platelet interactions in vitro and in vivo. Although each of these maneuvers reduced the in vivo interactions for only a few hours, all markedly reduce long-term organ colonization by tumor cells. Three-dimensional reconstructions by using volume-rendering software show that each situation interferes with formation of the platelet “cloak” around tumor cells while permitting an increased interaction of monocytes (macrophage precursors) with the malignant cells. Finally, we show that human P-selectin is even more sensitive to heparin than mouse P-selectin, giving significant inhibition at concentrations that are in the clinically acceptable range. We suggest that heparin therapy for metastasis prevention in humans be revisited, with these mechanistic paradigms in mind.

A monoclonal IgG anticardiolipin antibody from a patient with the antiphospholipid syndrome is thrombogenic in mice.

Antiphospholipid antibodies, including anticardiolipin antibodies (ACA), are strongly associated with recurrent thrombosis in patients with the antiphospholipid syndrome (APS). To date, reports about the binding specificities of ACA and their role(s) in causing and/or sustaining thrombosis in APS are conflicting and controversial. The plasmas of patients with APS, usually containing a mixture of autoantibodies, vary in binding specificity for different phospholipids/cofactors and vary in in vitro lupus anticoagulant activity. Although in vivo assays that allow assessment of the pathogenic procoagulant activity of patient autoantibodies have recently been developed, the complex nature of the mixed species prevented determination of the particular species responsible for in vivo thrombosis. We have generated two human IgG monoclonal ACA from an APS patient with recurrent thrombosis. Both bound to cardiolipin in the presence of 10% bovine serum, but not in its absence, and both were reactive against phosphatidic acid, but were nonreactive against purified human beta-2 glycoprotein 1, DNA, heparan sulfate, or four other test antigens. Both monoclonal autoantibodies lacked lupus anticoagulant activity and did not inhibit prothrombinase activity. Remarkably, one of the monoclonal antibodies has thrombogenic properties when tested in an in vivo mouse model. This finding provides the first direct evidence that a particular antiphospholipid antibody specificity may contribute to in vivo thrombosis.

Identification of residues linked to the slow-->fast transition of thrombin.

Residues energetically linked to the allosteric transition of thrombin from its anticoagulant slow form to the procoagulant fast form have been identified by site-directed mutagenesis. The energetics of recognition by the two forms of the enzyme were probed by using a synthetic chromogenic substrate, fibrinogen, and hirudin. The thrombin residues E39, W60d, E192, D221, and D222 are linked to the slow-->fast transition and are part of an "allosteric core" through which events originating at the Na+ binding loop propagate to other regions of the enzyme. The thrombin residues Y76, W96, W148, and R173 lie at the periphery of the allosteric core, affect recognition of fibrinogen and hirudin to the same extent in both forms, and are not linked to the slow-->fast transition.

On the mechanism of the anticlotting action of vitamin E quinone.

Vitamin E in the reduced, alpha-tocopherol form shows very modest anticlotting activity. By contrast, vitamin E quinone is a potent anticoagulant. This observation may have significance for field trials in which vitamin E is observed to exhibit beneficial effects on ischemic heart disease and stroke. Vitamin E quinone is a potent inhibitor of the vitamin K-dependent carboxylase that controls blood clotting. A newly discovered mechanism for the inhibition requires attachment of the active site thiol groups of the carboxylase to one or more methyl groups on vitamin E quinone. The results from a series of model reactions support this interpretation of the anticlotting activity associated with vitamin E.

Novos anticoagulantes orais : uma revisão sobre os perfis de eficácia e segurança e as características relevantes para aplicação na prática clínica

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Étude du rôle des régions variables 4 et 5 dans les changements de conformation de la gp120 du VIH-1

Le VIH infecte les cellules par fusion de sa membrane avec la membrane de la cellule cible. Cette fusion est effectuée par les glycoprotéines de l'enveloppe (Env) qui sont synthétisées en tant que précurseur, gp160, qui est ensuite clivé en gp120 et gp41. La protéine gp41 est la partie transmembranaire du complexe de l'enveloppe et l’ancre à la particule virale alors que la gp120 assure la liaison au récepteur cellulaire CD4 et corécepteur CCR5 ou CXCR4. Ces interactions successives induisent des changements de conformation d’Env qui alimentent le processus d'entrée du virus conduisant finalement à l'insertion du peptide de fusion de la gp41 dans la membrane de la cellule cible. La sous-unité extérieure gp120 contient cinq régions variables (V1 à V5), dont trois (V1, V2 et V3) étant capables d’empêcher l’adoption spontanée de la conformation liée à CD4. Cependant, le rôle de régions variables V4 et V5 vis-à-vis de ces changements de conformation reste inconnu. Pour étudier leur effet, des mutants de l'isolat primaire de clade B YU2, comprenant une délétion de la V5 ou une mutation au niveau de tous les sites potentiels de N-glycosylation de la V4 (PNGS), ont été générés. L'effet des mutations sur la conformation des glycoprotéines d'enveloppe a été analysé par immunoprécipitation et résonance de plasmon de surface avec des anticorps dont la liaison dépend de la conformation adopté par la gp120. Ni le retrait des PNGS de la V4 ni la délétion de V5 n’a affecté les changements conformationnels d’Env tels que mesurés par ces techniques, ce qui suggère que les régions variables V1, V2 et V3 sont les principaux acteurs dans la prévention de l’adoption de la conformation lié de CD4 d’Env.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Drugs and heart disease; a review of research grants supported by the National Heart Institute July 1, 1949 to June 30, 1962.

Includes bibliographies.

Bait avoidance and habitat use by the roof rat, Rattus rattus, in a piggery

The acceptance of four anticoagulant rodenticide baits was evaluated in a piggery. The bait bases were cracked wheat, wax block, pig feed, and Racumin Paste(R). Mean daily consumption of each bait was poor (< 5 g). Mean activity index measured with tracking plates did not change significantly throughout pre-baiting (3 days), baiting (37) or post-baiting (7), indicating that the baits had no impact on the population. The same baiting regime applied simultaneously in nearby stables with lower feed availability induced a significantly higher mean consumption of the cracked wheat based bait, and the activity index declined to zero at day 23, indicating that the rats were eradicated. The failure of the baits to control rats in the piggery was possibly due to the poor bait acceptance caused by the abundant feed supply. Results of live-trapping and radio- and spool-and-line tracking indicated that the population was confined within the piggery; lower windowsills were the most used above-ground structure for movements; and minimum home range span was 17 m. We suggest that rodent control should be implemented within the confines of the piggery to reduce the risk to non-target animals, and that mortality agents should be placed less than or equal to 17 in apart arboreally for the roof rat. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Cost of an emerging epidemic: an economic analysis of atrial fibrillation in the UK

Objective: To evaluate the cost of atrial fibrillation (AF) to health and social services in the UK in 1995 and, based on epidemiological trends, to project this estimate to 2000. Design, setting, and main outcome measures: Contemporary estimates of health care activity related to AF were applied to the whole population of the UK on an age and sex specific basis for the year 1995. The activities considered ( and costs calculated) were hospital admissions, outpatient consultations, general practice consultations, and drug treatment ( including the cost of monitoring anticoagulant treatment). By adjusting for the progressive aging of the British population and related increases in hospital admissions, the cost of AF was also projected to the year 2000. Results: There were 534 000 people with AF in the UK during 1995. The direct'' cost of health care for these patients was pound 244 million (similar toE350 million) or 0.62% of total National Health Service ( NHS) expenditure. Hospitalisations and drug prescriptions accounted for 50% and 20% of this expenditure, respectively. Long term nursing home care after hospital admission cost an additional pound46.4 million (similar toE66 million). The direct cost of AF rose to pound459 million (similar toE655 million) in 2000, equivalent to 0.97% of total NHS expenditure based on 1995 figures. Nursing home costs rose to pound111 million (similar toE160 million). Conclusions: AF is an extremely costly public health problem.

Synthesis, biological activity, and preliminary pharmacokinetic evaluation of analogues of a phosphosulfomannan angiogenesis inhibitor (PI-88)

The phosphosulfomannan 1 (PI-88) is a mixture of highly sulfated oligosaccharides that is currently undergoing clinical evaluation in cancer patients. As well as it's anticancer properties, 1 displays a number of other interesting biological activities. A series of analogues of 1 were synthesized with a single carbon (pentasaccharide) backbone to facilitate structural characterization and interpretation of biological results. In a fashion similar to 1, all compounds were able to inhibit heparanase and to bind tightly to the proangiogenic growth factors FGF-1, FGF-2, and VEGF. The compounds also inhibited the infection of cells and cell-to-cell spread of herpes simplex virus (HSV-1). Preliminary pharmacokinetic data indicated that the compounds displayed different pharmacokinetic behavior compared with 1. Of particular note was the n-octyl derivative, which was cleared 3 times less rapidly than 1 and may provide increased systemic exposure.

Development of a dosage strategy in patients receiving enoxaparin by continuous intravenous infusion using modelling and simulation

Aim To develop an appropriate dosing strategy for continuous intravenous infusions (CII) of enoxaparin by minimizing the percentage of steady-state anti-Xa concentration (C-ss) outside the therapeutic range of 0.5-1.2 IU ml(-1). Methods A nonlinear mixed effects model was developed with NONMEM (R) for 48 adult patients who received CII of enoxaparin with infusion durations that ranged from 8 to 894 h at rates between 100 and 1600 IU h(-1). Three hundred and sixty-three anti-Xa concentration measurements were available from patients who received CII. These were combined with 309 anti-Xa concentrations from 35 patients who received subcutaneous enoxaparin. The effects of age, body size, height, sex, creatinine clearance (CrCL) and patient location [intensive care unit (ICU) or general medical unit] on pharmacokinetic (PK) parameters were evaluated. Monte Carlo simulations were used to (i) evaluate covariate effects on C-ss and (ii) compare the impact of different infusion rates on predicted C-ss. The best dose was selected based on the highest probability that the C-ss achieved would lie within the therapeutic range. Results A two-compartment linear model with additive and proportional residual error for general medical unit patients and only a proportional error for patients in ICU provided the best description of the data. Both CrCL and weight were found to affect significantly clearance and volume of distribution of the central compartment, respectively. Simulations suggested that the best doses for patients in the ICU setting were 50 IU kg(-1) per 12 h (4.2 IU kg(-1) h(-1)) if CrCL < 30 ml min(-1); 60 IU kg(-1) per 12 h (5.0 IU kg(-1) h(-1)) if CrCL was 30-50 ml min(-1); and 70 IU kg(-1) per 12 h (5.8 IU kg(-1) h(-1)) if CrCL > 50 ml min(-1). The best doses for patients in the general medical unit were 60 IU kg(-1) per 12 h (5.0 IU kg(-1) h(-1)) if CrCL < 30 ml min(-1); 70 IU kg(-1) per 12 h (5.8 IU kg(-1) h(-1)) if CrCL was 30-50 ml min(-1); and 100 IU kg(-1) per 12 h (8.3 IU kg(-1) h(-1)) if CrCL > 50 ml min(-1). These best doses were selected based on providing the lowest equal probability of either being above or below the therapeutic range and the highest probability that the C-ss achieved would lie within the therapeutic range. Conclusion The dose of enoxaparin should be individualized to the patients' renal function and weight. There is some evidence to support slightly lower doses of CII enoxaparin in patients in the ICU setting.

Heparin-induced thrombocytopenia: recent experience in a large teaching hospital

Background: Heparin-induced thrombocytopenia (HIT) is a potentially serious adverse reaction caused by platelet-activating antibodies. Aim: To describe experience with HIT. Methods: Twenty-two patients identified by laboratory records of heparin-associated antibodies with a 50% or greater decrease in platelet count were reviewed in our 600-bed metropolitan teaching hospital from 1999 to April 2005. Results: There was an increase in the frequency of HIT diagnosed during the review period, which was associated with a rise in the number of requests for HIT antibodies. Thrombotic complications were identified in 14 of 22 patients with HIT. Mean age was 65 years, and 11 patients were men. Seven patients died and HIT was considered contributory in four. One patient required mid-forearm amputation. Unfractionated heparin was used in all cases and five patients also received enoxaparin. Mean time to HIT screen, reflecting when the diagnosis was first suspected, was 14 days. Platelet nadir ranged from 6 x 10(9)/L to 88 x 10(9)/L, with a percentage drop in platelet count of 67-96%. Alternative anticoagulation (danaparoid) was not used in three patients, two of whom died. Conclusions: HIT is a potentially life-threatening complication of heparin therapy, associated with a fall in platelet count and a high incidence of thromboembolic complications. It is most frequently seen using unfractionated heparin therapy. The increase in frequency of HIT diagnosed in our hospital appears to be associated with a greater awareness of the entity, although detection is often delayed. Platelet count should be monitored in patients on heparin and the presence of antiplatelet antibodies determined if HIT is suspected. Treatment involves both discontinuation of heparin and the use of an alternative anticoagulant such as danaparoid because of the persisting risk of thrombosis.