Enhancement of blood-tumor barrier permeability by Sar-[D-Phe8]des-Arg9BK, a metabolically resistant bradykinin B1 agonist, in a rat C6 glioma model

Abstract Background While it is well known that bradykinin B2 agonists increase plasma protein extravasation (PPE) in brain tumors, the bradykinin B1 agonists tested thus far are unable to produce this effect. Here we examine the effect of the selective B1 agonist bradykinin (BK) Sar-[D-Phe8]des-Arg9BK (SAR), a compound resistant to enzymatic degradation with prolonged activity on PPE in the blood circulation in the C6 rat glioma model. Results SAR administration significantly enhanced PPE in C6 rat brain glioma compared to saline or BK (p < 0.01). Pre-administration of the bradykinin B1 antagonist [Leu8]-des-Arg (100 nmol/Kg) blocked the SAR-induced PPE in the tumor area. Conclusions Our data suggest that the B1 receptor modulates PPE in the blood tumor barrier of C6 glioma. A possible role for the use of SAR in the chemotherapy of gliomas deserves further study.

A fragment-based approach for the in silico prediction of blood-brain barrier permeation

Blood-brain barrier (BBB) permeation is an essential property for drugs that act in the central nervous system (CNS) for the treatment of human diseases, such as epilepsy, depression, Alzheimer's disease, Parkinson disease, schizophrenia, among others. In the present work, quantitative structure-property relationship (QSPR) studies were conducted for the development and validation of in silico models for the prediction of BBB permeation. The data set used has substantial chemical diversity and a relatively wide distribution of property values. The generated QSPR models showed good statistical parameters and were successfully employed for the prediction of a test set containing 48 compounds. The predictive models presented herein are useful in the identification, selection and design of new drug candidates having improved pharmacokinetic properties.

Characterization of NiCrAlC PTA coatings

Surface tailoring with plasma transferred arc (PTA) hardfacing involves the deposition of powder mixtures to produce coatings with an almost unlimited chemical composition. PTA hardfacing is particularly important for processing low weldability alloys, such as those for high-temperature applications, of which NiCrAlC is an example. This study analyzed NiCrAlC coatings processed by PTA using a mixture of elemental powders. Deposition on AISI316L plates was carried out with currents of 100 A and 130 A to induce variations in the chemical composition of the coatings, which were also subjected to isothermal exposure at temperatures of up to 1000 ºC for up to 72 hours in an air furnace. The results show that the aluminide compounds were stable, the coatings that solidified more slowly having the highest hardness after temperature exposure and potentially being suitable for use in high-temperature abrasion environments.

The β to α phase transition of tantalum coatings deposited by modulated pulsed power magnetron sputtering

Tantalum coatings are of particular interest today as promising candidates to replace potentially hazardous electrodeposited chromium coatings for tribological and corrosion resistant applications, such as the internal lining on large-caliber gun barrels. Tantalum coatings have two crystalline phases, α-Ta (body-centered-cubic) and β-Ta (metastable tetragonal) that exhibit relatively different properties. Alpha-Ta is typically preferred for wear and corrosion resistant applications and unfortunately, is very difficult to deposit without the assistance of substrate heating or post-annealing treatments. Furthermore, there is no general consensus on the mechanism which causes α or β to form or if there is a phase transition or transformation from β → α during coating deposition. In this study, modulated pulsed power (MPP) magnetron sputtering was used to deposit tantalum coatings with thicknesses between 2 and 20 μm without external substrate heating. The MPP Ta coatings showed good adhesion and low residual stress. This study shows there is an abrupt β → α phase transition when the coating is 5–7 μm thick and not a total phase transformation. Thermocouple measurements reveal substrate temperature increases as a function of deposition time until reaching a saturation temperature of ~ 388 °C. The importance of substrate temperature evolution on the β → α phase transition is also explained.

Photocatalytic activity of nanostructured anatase coatings obtained by cold gas spray

[EN] This article describes a photocatalytic nanostructured anatase coating deposited by cold gas spray (CGS) supported on titanium sub-oxide (TiO22x) coatings obtained by atmospheric plasma spray (APS) onto stainless steel cylinders. The photocatalytic coating was homogeneous and preserved the composition and nanostructure of the starting powder. The inner titanium sub-oxide coating favored the deposition of anatase particles in the solid state. Agglomerated nano-TiO2 particles fragmented when impacting onto the hard surface of the APS TiO22x bond coat. The rough surface provided by APS provided an ideal scenario for entrapping the nanostructured particles, which may be adhered onto the bond coat due to chemical bonding; a possible bonding mechanism is described. Photocatalytic experiments showed that CGS nano-TiO2 coating was active for photodegrading phenol and formic acid under aqueous conditions. The results were similar to the performance obtained by competitor technologies and materials such as dip-coating P25 photocatalysts. Disparity in the final performance of the photoactive materials may have been caused by differences in grain size and the crystalline composition of titanium dioxide.

Optimization of thin noise barrier designs using Evolutionary Algorithms and a Dual BEM Formulation

[EN]This works aims at assessing the acoustic efficiency of differente this noise barrier models. These designs frequently feature complex profiles and their implementarion in shape optimization processes may not always be easy in terms of determining their topological feasibility. A methodology to conduct both overall shape and top edge optimisations of thin cross section acoustic barriers by idealizing them as profiles with null boundary thickness is proposed.

Application of evolutionary algorithms and the boundary element method in the optimization of noise barrier profiles

[EN]This Ph.D. thesis presents a general, robust methodology that may cover any type of 2D acoustic optimization problem. A procedure involving the coupling of Boundary Elements (BE) and Evolutionary Algorithms is proposed for systematic geometric modifications of road barriers that lead to designs with ever-increasing screening performance. Numerical simulations involving single- and multi-objective optimizations of noise barriers of varied nature are included in this document. results disclosed justify the implementation of this methodology by leading to optimal solutions of previously defined topologies that, in general, greatly outperform the acoustic efficiency of classical, widely used barrier designs normally erected near roads.

Reconstruction of Etna recent flank eruptions for assessing diversion barrier project

The thesis contributed to the volcanic hazard assessment through the reconstruction of some historical flank eruptions of Etna in order to obtain quantitative data (volumes, effusion rates, etc.) for characterizing the recent effusive activity, quantifying the impact on the territory and defining mitigation actions for reducing the volcanic risk as for example containment barriers. The reconstruction was based on a quantitative approach using data extracted from aerial photographs and topographic maps. The approach allows to obtain the temporal evolution of the lava flow field and estimating the Time Average Discharge Rate (TADR) by dividing the volume emplaced over a given time interval for the corresponding duration. The analysis concerned the 2001, 1981 and 1928 Etna eruptions. The choice of these events is linked to their impact on inhabited areas. The results of the analysis showed an extraordinarily high effusion rate for the 1981 and 1928 eruptions (over 600 m^3/s), unusual for Etna eruptions. For the 1981 Etna eruption an eruptive model was proposed to explain the high discharge rate. The obtained TADRs were used as input data for simulations of the propagation of the lava flows for evaluating different scenarios of volcanic hazard and analyse different mitigation actions against lava flow invasion. It was experienced how numerical simulations could be adopted for evaluating the effectiveness of barrier construction and for supporting their optimal design. In particular, the gabions were proposed as an improvement for the construction of barriers with respect to the earthen barriers. The gabion barriers allow to create easily modular structures reducing the handled volumes and the intervention time. For evaluating operational constrain an experimental test was carried out to test the filling of the gabions with volcanic rock and evaluating their deformation during transport and placement.

Numerical analysis of Dielectric Barrier Discharge

A numerical investigation of dielectric barrier discharge aimed to simulate the electro hydro dynamic interaction is presented. A discharge drift diffusive model according to the Townsend avalanche is described and used to duplicate the plasma kinetics of a DBD actuator. The discharge characteristics dependence upon dielectric material and applied voltage are simulated and the EHD force field according to a simplified approach is presented and discussed. The coupling of DBD results with a fluid dynamic code is also shown. Finally, a new non invasive diagnostic technique for EHD interaction based on Schlieren imaging is computationally validated.

Diet Effects on Activation and Maturation of Feed Control over the Gastrointestinal Defence Barrier in Piglets

Weaning is an important and complex step involving many stresses that interfere deeply with feed intake, gastro-intestinal tract (GIT) development and adaptation to the weaning diet in young pigs. The health of the pig at weaning, its nutrition in the immediate post-weaning period, and the physical, microbiological and psychological environment are all factors that interact to determine food intake and subsequent growth. GIT disorders, infections and diarrhoea increase at the time of weaning, in fact pathogens such as enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) are major causes of mucosal damage in post-weaning disease contributing to diarrhoea in suckling and post-weaned pigs. The European ban in 2006 put on antibiotic growth promoters (AGP) has stimulated research on the mechanisms of GIT disorders and on nutritional approaches for preventing or reducing such disturbances avoiding AGPs. Concerning these aspects here are presented five studies based on the interplay among nutrition, genomic, immunity and physiology with the aim to clarify some of these problematic issues around weaning period in piglets. The first three evaluate the effects of diets threonine or tryptophan enriched on gut defence and health as possible alternatives to AGP in the gut. The fourth is focused on the possible immunological function related with the development of the stomach. The fifth is a pilot study on the gastric sensing and orexygenic signal given by fasting or re-feeding conditions. Although some results are controversial, it appears that both tryptophan and threonine supplementation in weaning diets have a preventive role in E.coli PWD and favorable effects in the gut especially in relation to ETEC susceptible genotype. While the stomach is believed as almost aseptic organ, it shows an immune activity related with the mucosal maturation. Moreover it shows an orexygenic role of both oxyntic mucosa and pyloric mucosa, and its possible relation with nutrient sensing stimuli.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

Climatological characterization and dynamics of barrier winds in the italian region

Il vento di barriera (VB) è un fenomeno meteorologico a mesoscala che interessa il flusso nei bassi strati atmosferici ed è dovuto all'interazione con l'orografia. Se il numero di Froude upstream è sufficientemente piccolo si genera una deviazione orizzontale del flusso incidente. Si può raggiungere uno stato quasi-stazionario, nel quale un intenso vento soffia parallelo all'orografia nei bassi strati. Nel presente lavoro si è innanzitutto sviluppata una climatologia degli eventi di VB nella regione italiana su un periodo biennale. Gli eventi sono stati classificati per la velocità del flusso incidente e la velocità e direzione del VB a 950 hPa, e per il numero di Froude upstream. Si è poi studiata la distribuzione degli eventi rispetto al numero di Froude. La climatologia è risultata in buon accordo con la teoria idealizzata dei flussi sopra l'orografia. Tre casi di studio sono stati successivamente simulati utilizzando i modelli BOLAM e MOLOCH dell'istituto CNR-ISAC di Bologna. Per ciascun evento sono stati calcolati il numero di Froude upstream e i parametri principali, quali velocità, estensione, temperatura ecc. Per uno dei casi, riguardante le Alpi orientali, le simulazioni sono state confrontate con dati osservati di vento, pressione, temperatura e precipitazione. Sono poi stati condotti dei sensitivity tests con orografia diminuita su ognuno degli eventi. È stata così verificata l'importanza dell'effetto orografico e l'intensità del fenomeno del VB è stata associata al numero di Froude. Un indice, denominato Barrier Wind Index (BWI) è stato ideato a tale scopo. Le simulazioni hanno mostrato un buon accordo con la teoria, indicandone i limiti di applicabilità all'atmosfera reale. In particolare, il Barrier Wind Index tende ad aumentare linearmente al diminuire del numero di Froude. Le simulazioni hanno evidenziato l'elevata influenza del VB sulla circolazione atmosferica a mesoscala, sulla distribuzione e intensità della precipitazione e sull'avvezione di temperatura e umidità.

Hybrid inorganic-polymer coatings prepared via miniemulsion process

A synthetic route was designed for the incorporation of inorganic materials within water-based miniemulsions with a complex and adjustable polymer composition. This involved co-homogenization of two inverse miniemulsions constituting precursors of the desired inorganic salt dispersed within a polymerizable continuous phase, followed by transfer to a direct miniemulsion via addition to an o/w surfactant solution with subsequent homogenization and radical polymerization. To our knowledge, this is the first work done where a polymerizable continuous phase has been used in an inverse (mini)emulsion formation followed by transfer to a direct miniemulsion, followed by polymerization, so that the result is a water-based dispersion. The versatility of the process was demonstrated by the synthesis of different inorganic pigments, but also the use of unconventional mixture of vinylic monomers and epoxy resin as the polymerizable phase (unconventional as a miniemulsion continuous phase but typical combination for coating applications). Zinc phosphate, calcium carbonate and barium sulfate were all successfully incorporated in the polymer-epoxy matrix. The choice of the system was based on a typical functional coatings system, but is not limited to. This system can be extended to incorporate various inorganic and further materials as long as the starting materials are water-soluble or hydrophilic. rnThe hybrid zinc phosphate – polymer water-based miniemulsion prepared by the above route was then applied to steel panels using autodeposition process. This is considered the first autodeposition coatings process to be carried out from a miniemulsion system containing zinc phosphate particles. Those steel panels were then tested for corrosion protection using salt spray tests. Those corrosion tests showed that the hybrid particles can protect substrate from corrosion and even improve corrosion protection, compared to a control sample where corrosion protection was performed at a separate step. Last but not least, it is suggested that corrosion protection mechanism is related to zinc phosphate mobility across the coatings film, which was proven using electron microscopy techniques.

Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.