On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Towards the validation of "in silico" models and physicochemical filters to identify and characterize new chemical entities

Summary: Lipophilicity plays an important role in the determination and the comprehension of the pharmacokinetic behavior of drugs. It is usually expressed by the partition coefficient (log P) in the n-octanol/water system. The use of an additional solvent system (1,2-dichlorethane/water) is necessary to obtain complementary information, as the log Poct values alone are not sufficient to explain ail biological properties. The aim of this thesis is to develop tools allowing to predict lipophilicity of new drugs and to analyze the information yielded by those log P values. Part I presents the development of theoretical models used to predict lipophilicity. Chapter 2 shows the necessity to extend the existing solvatochromic analyses in order to predict correctly the lipophilicity of new and complex neutral compounds. In Chapter 3, solvatochromic analyses are used to develop a model for the prediction of the lipophilicity of ions. A global model was obtained allowing to estimate the lipophilicity of neutral, anionic and cationic solutes. Part II presents the detailed study of two physicochemical filters. Chapter 4 shows that the Discovery RP Amide C16 stationary phase allows to estimate lipophilicity of the neutral form of basic and acidic solutes, except of lipophilic acidic solutes. Those solutes present additional interactions with this particular stationary phase. In Chapter 5, 4 different IANI stationary phases are investigated. For neutral solutes, linear data are obtained whatever the IANI column used. For the ionized solutes, their retention is due to a balance of electrostatic and hydrophobie interactions. Thus no discrimination is observed between different series of solutes bearing the same charge, from one column to an other. Part III presents two examples illustrating the information obtained thanks to Structure-Properties Relationships (SPR). Comparing graphically lipophilicity values obtained in two different solvent systems allows to reveal the presence of intramolecular effects .such as internai H-bond (Chapter 6). SPR is used to study the partitioning of ionizable groups encountered in Medicinal Chemistry (Chapter7). Résumé La lipophilie joue un .rôle important dans la détermination et la compréhension du comportement pharmacocinétique des médicaments. Elle est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) d'un composé dans le système de solvants n-octanol/eau. L'utilisation d'un deuxième système de solvants (1,2-dichloroéthane/eau) s'est avérée nécessaire afin d'obtenir des informations complémentaires, les valeurs de log Poct seules n'étant pas suffisantes pour expliquer toutes les propriétés biologiques. Le but de cette thèse est de développer des outils permettant de prédire la lipophilie de nouveaux candidats médicaments et d'analyser l'information fournie par les valeurs de log P. La Partie I présente le développement de modèles théoriques utilisés pour prédire la lipophilie. Le chapitre 2 montre la nécessité de mettre à jour les analyses solvatochromiques existantes mais inadaptées à la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés neutres. Dans le chapitre 3, la même méthodologie des analyses solvatochromiques est utilisée pour développer un modèle permettant de prédire la lipophilie des ions. Le modèle global obtenu permet la prédiction de la lipophilie de composés neutres, anioniques et cationiques. La Partie II présente l'étude approfondie de deux filtres physicochimiques. Le Chapitre 4 montre que la phase stationnaire Discovery RP Amide C16 permet la détermination de la lipophilie de la forme neutre de composés basiques et acides, à l'exception des acides très lipophiles. Ces derniers présentent des interactions supplémentaires avec cette phase stationnaire. Dans le Chapitre 5, 4 phases stationnaires IAM sont étudiées. Pour les composés neutres étudiés, des valeurs de rétention linéaires sont obtenues, quelque que soit la colonne IAM utilisée. Pour les composés ionisables, leur rétention est due à une balance entre des interactions électrostatiques et hydrophobes. Donc aucune discrimination n'est observée entre les différentes séries de composés portant la même charge d'une colonne à l'autre. La Partie III présente deux exemples illustrant les informations obtenues par l'utilisation des relations structures-propriétés. Comparer graphiquement la lipophilie mesurée dans deux différents systèmes de solvants permet de mettre en évidence la présence d'effets intramoléculaires tels que les liaisons hydrogène intramoléculaires (Chapitre 6). Cette approche des relations structures-propriétés est aussi appliquée à l'étude du partage de fonctions ionisables rencontrées en Chimie Thérapeutique (Chapitre 7) Résumé large public Pour exercer son effet thérapeutique, un médicament doit atteindre son site d'action en quantité suffisante. La quantité effective de médicament atteignant le site d'action dépend du nombre d'interactions entre le médicament et de nombreux constituants de l'organisme comme, par exemple, les enzymes du métabolisme ou les membranes biologiques. Le passage du médicament à travers ces membranes, appelé perméation, est un paramètre important à optimiser pour développer des médicaments plus puissants. La lipophilie joue un rôle clé dans la compréhension de la perméation passive des médicaments. La lipophilie est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) dans le système de solvants (non miscibles) n-octanol/eau. Les valeurs de log Poct seules se sont avérées insuffisantes pour expliquer la perméation à travers toutes les différentes membranes biologiques du corps humain. L'utilisation d'un système de solvants additionnel (le système 1,2-dichloroéthane/eau) a permis d'obtenir les informations complémentaires indispensables à une bonne compréhension du processus de perméation. Un grand nombre d'outils expérimentaux et théoriques sont à disposition pour étudier la lipophilie. Ce travail de thèse se focalise principalement sur le développement ou l'amélioration de certains de ces outils pour permettre leur application à un champ plus large de composés. Voici une brève description de deux de ces outils: 1)La factorisation de la lipophilie en fonction de certaines propriétés structurelles (telle que le volume) propres aux composés permet de développer des modèles théoriques utilisables pour la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés ou médicaments. Cette approche est appliquée à l'analyse de la lipophilie de composés neutres ainsi qu'à la lipophilie de composés chargés. 2)La chromatographie liquide à haute pression sur phase inverse (RP-HPLC) est une méthode couramment utilisée pour la détermination expérimentale des valeurs de log Poct.

Rapidly fatal poisoning with an insecticide containing rotenone.

Introduction: Rotenone is a botanical pesticide derived from extracts of Derris roots, which is traditionally used as piscicide, but also as an industrial insecticide for home gardens. Its mechanism of action is potent inhibition of mitochondrial respiratory chain by uncoupling oxidative phosphorylation by blocking electron transport at complex-I. Despite its classification as mild to moderately toxic to humans (estimated LD50, 300-500 mg/kg), there is a striking variety of acute toxicity of rotenone depending on the formulation (solvents). Human fatalities with rotenone-containing insecticides have been rarely reported, and a rapid deterioration within a few hours of the ingestion has been described previously in one case. Case report: A 49-year-old Tamil man with a history of asthma, ingested 250 mL of an insecticide containing 1.24% of rotenone (3.125 g, 52.1-62.5 mg/kg) in a suicide attempt at home. The product was not labeled as toxic. One hour later, he vomited repeatedly and emergency services were alerted. He was found unconscious with irregular respiration and was intubated. On arrival at the emergency department, he was comatose (GCS 3) with fixed and dilated pupils, and absent corneal reflexes. Physical examination revealed hemodynamic instability with hypotension (55/30 mmHg) and bradycardia (52 bpm). Significant laboratory findings were lactic acidosis (pH 6.97, lactate 17 mmol/L) and hypokalemia (2 mmol/L). Cranial computed tomography (CT) showed early cerebral edema. A single dose of activated charcoal was given. Intravenous hydration, ephedrine, repeated boli of dobutamine, and a perfusor with 90 micrograms/h norepinephine stabilized blood pressure temporarily. Atropine had a minimal effect on heart rate (58 bpm). Intravenous lipid emulsion was considered (log Pow 4.1), but there was a rapid deterioration with refractory hypotension and acute circulatory failure. The patient died 5h after ingestion of the insecticide. No autopsy was performed. Quantitative analysis of serum performed by high-resolution/accurate mass-mass spectrometry and liquid chromatography (LC-HR/AM-MS): 560 ng/mL rotenone. Other substances were excluded by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS). Conclusion: The clinical course was characterized by early severe symptoms and a rapidly fatal evolution, compatible with inhibition of mitochondrial energy supply. Although rotenone is classified as mild to moderately toxic, physicians must be aware that suicidal ingestion of emulsified concentrates may be rapidly fatal. (n=3): stridor, cyanosis, cough (one each). Local swelling after chewing or swallowing soap developed at the earliest after 20 minutes and persisted beyond 24 hours in some cases. Treatment with antihistamines and/or steroids relieved the symptoms in 9 cases. Conclusion: Bar soap ingestion by seniors carries a risk of severe local reactions. Half the patients developed symptoms, predominantly swellings of tongue and/or lips (38%). Cognitive impairment, particularly in the cases of dementia (37%), may increase the risk of unintentional ingestion. Chewing and intraoral retention of soap leads to prolonged contact with the mucosal membranes. Age-associated physiological changes of oral mucosa probably promote the irritant effects of the surfactants. Medical treatment with antihistamines and corticosteroids usually leads to rapid decline of symptoms. Without treatment, there may be a risk of airway obstruction.

Liposome-mediated transfection of fetal lung epithelial cells: DNA degradation and enhanced superoxide toxicity.

Cationic liposomes, 1:1 (mol/mol) 1,2-dioleoyldimethylammonium chloride-1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine, were used to transfect primary cultures of distal rat fetal lung epithelial cells with pCMV4-based plasmids. A DNA-to-lipid ratio of 1:10 to 1:15 (wt/wt) optimized DNA uptake over a 24-h exposure. At a fixed DNA-to-lipid ratio of 1:15, chloramphenicol acetyltransferase (CAT) reporter gene expression declined at lipid concentrations > 2.5 nmol/cm2 cell surface area, whereas DNA uptake remained concentration dependent. CAT expression peaked 48 h after removal of the liposome-DNA complex, declining thereafter. Reporter gene expression was increased, and supercoiled cDNA degradation was reduced by the addition of 0.2 mM nicotinamide and 10 microM chloroquine. Rat fetal lung epithelial cells transfected with two different expression cassettes had an increased susceptibility to superoxide-mediated cytotoxicity. This could be attributed to a nonspecific delivery of exogenous DNA or some other copurified factor. The DNA-dependent increase in superoxide-mediated cytotoxicity, but not basal levels of cytotoxicity, was inhibited by the addition of 0.2 mM nicotinamide and 10 microM chloroquine.

Neurotensin is a regulator of insulin secretion in pancreatic beta-cells.

Neurotensin (NT) is secreted from neurons and gastrointestinal endocrine cells. We previously reported that the three NT receptors (NTSRs) are expressed in pancreatic islets and beta cell lines on which we observed a protective effect of NT against cytotoxic agents. In this study, we explored the role of NT on insulin secretion in the endocrine pancreatic beta cells. We observed that NT stimulates insulin secretion at low glucose level and has a small inhibiting effect on stimulated insulin secretion from isolated islets or INS-1E cells. We studied the mechanisms by which NT elicited calcium concentration changes using fura-2 loaded islets or INS-1E cells. NT increases calcium influx through the opening of cationic channels. Similar calcium influxes were observed after treatment with NTSR selective ligands. NT-evoked calcium regulation involves PKC and the translocation of PKCalpha and PKCepsilon to the plasma membrane. Part of NT effects appears to be also mediated by PKA but not via the Erk pathway. Taken together, these data provide evidence for an important endocrine role of NT in the regulation of the secretory function of beta cells.

Differentiation of blue ballpoint pen by positive and negative mode LDI-MS

Usually, the differentiation of inks on questioned documents is carried out by optical methods and thin layer chromatography (TLC). Therefore, spectrometric methods were also proposed in forensic literature for the analysis of dyes. Between these techniques, laser desorption/ionization mass spectrometry (LDI-MS) has demonstrated a great versatility thanks to its sensitivity to blue ballpoint ink dyes and minimal sample destruction. Previous researches concentrated mostly on the LDI-MS positive mode and have shown that this analytical tool offers higher discrimination power than high performance TLC (HPTLC) for the differentiation of blue ballpoint inks. Although LDI-MS negative mode has already been applied in numerous forensic domains like the studies of works of art, automotive paints or rollerball pens, its potential for the discrimination of ballpoint pens was never studied before. The aim of the present paper is therefore to evaluate its potential for the discrimination of blue ballpoint inks. After optimization of the method, ink entries from 33 blue ballpoint pens were analyzed directly on paper in both positive and negative modes by LDI-MS. Several cationic and anionic ink components were identified in inks; therefore, pens were classified and compared according to their formulations. Results show that additional information provided by anionic dyes and pigments significantly increases the discrimination power of positive mode. In fact, it was demonstrated that classifications obtained by the two modes were, to some extent, complementary (i.e., inks with specific cationic dyes not necessarily contained the same anionic components).

Electron cryo-microscopy reveals mechanism of action of propranolol on artificial membranes.

The pharmacological activity of several amphiphilic drugs is often related to their ability to interact with biological membranes. Propranolol is an efficient multidrug resistance (MDR) modulator; it is a nonselective beta-blocker and is thought to reduce hypertension by decreasing the cardiac frequency and thus blood pressure. It is used in drug delivery studies in order to treat systemic hypertension. We are interested in the interaction of propranolol with artificial membranes, as liposomes of controllable size are used as biocompatible and protective structures to encapsulate labile molecules, such as proteins, nucleic acids or drugs, for pharmaceutical, cosmetic or chemical applications. We present here a study of the interaction of propranolol, a cationic surfactant, with pure egg phosphatidylcholine (EPC) vesicles. The gradual transition from liposome to micelle of EPC vesicles in the presence of propranolol was monitored by time-resolved electron cryo-microscopy (cryo-EM) under different experimental conditions. The liposome-drug interaction was studied with varying drug/lipid (D/L) ratios and different stages were captured by direct thin-film vitrification. The time-series cryo-EM data clearly illustrate the mechanism of action of propranolol on the liposome structure: the drug disrupts the lipid bilayer by perturbing the local organization of the phospholipids. This is followed by the formation of thread-like micelles, also called worm-like micelles (WLM), and ends with the formation of spherical (globular) micelles. The overall reaction is slow, with the process taking almost two hours to be completed. The effect of a monovalent salt was also investigated by repeating the lipid-surfactant interaction experiments in the presence of KCl as an additive to the lipid/drug suspension. When KCl was added in the presence of propranolol the overall reaction was the same but with slower kinetics, suggesting that this monovalent salt affects the general lipid-to-micelle transition by stabilizing the membrane, presumably by binding to the carbonyl chains of the phosphatidylcholine.

New insights in carbohydrate-deficient transferrin analysis with capillary electrophoresis-mass spectrometry

Capillary zone electrophoresis (CZE) with UV detection has been widely used for the determination of carbohydrate-deficient transferrin (CDT), an indirect marker of the chronic alcohol consumption (≥60-80g/day). A commercially available method (CEofix? CDT kit), containing a bilayer anionic coating, allows for the analysis of CDT with a high resolution between transferrin (Tf) glycoforms with reduced protein adsorption onto the capillary wall. Although widely used in routine analysis, this procedure presents some limitations in terms of selectivity and sensitivity which may be overcome with mass spectrometry (MS). However, the available method is not MS-compatible due to the non-volatile coating as well as the phosphate and borate buffers present in the background electrolyte (BGE). This study firstly consisted in developing MS-compatible separation conditions, i.e., coating and BGE compositions. Numerous cationic, neutral, and anionic coatings were evaluated in combination with BGEs covering a broad range of pH values. A bilayer coating composed of a cationic layer of 10% polybrene (m/v) and an anionic layer of 10% dextran sulfate (m/v) combined with a BGE composed of 20mM ammonium acetate at pH 8.5 provided the best results in terms of glycoforms' resolution, efficiency, adsorption reduction, migration times' repeatability, and coating stability. The method was then transferred to CZE-MS after investigations of the electrospray ionization (ESI) source, equipped with a sheath-flow interface, and the time-of-flight (TOF/MS) parameters. A successful MS detection of tetrasialo-Tf was obtained during infusion, while the experiments highlighted the challenges and issues encountered with intact glycoprotein analysis by CZE-ESI-MS.

A key role of TRPC channels in the regulation of electromechanical activity of the developing heart.

Aims It is well established that dysfunction of voltage-dependent ion channels results in arrhythmias and conduction disturbances in the foetal and adult heart. However, the involvement of voltage-insensitive cationic TRPC (transient receptor potential canonical) channels remains unclear. We assessed the hypothesis that TRPC channels play a crucial role in the spontaneous activity of the developing heart.Methods and results TRPC isoforms were investigated in isolated hearts obtained from 4-day-old chick embryos. Using RT-PCR, western blotting and co-immunoprecipitation, we report for the first time that TRPC1, 3, 4, 5, 6, and 7 isoforms are expressed at the mRNA and protein levels and that they can form a macromolecular complex with the alpha 1C subunit of the L-type voltage-gated calcium channel (Cav1.2) in atria and ventricle. Using ex vivo electrocardiograms, electrograms of isolated atria and ventricle and ventricular mechanograms, we found that inhibition of TRPC channels by SKF-96365 leads to negative chrono-, dromo-, and inotropic effects, prolongs the QT interval, and provokes first-and second-degree atrioventricular blocks. Pyr3, a specific antagonist of TRPC3, affected essentially atrioventricular conduction. On the other hand, specific blockade of the L-type calcium channel with nifedipine rapidly stopped ventricular contractile activity without affecting rhythmic electrical activity.Conclusions These results give new insights into the key role that TRPC channels, via interaction with the Cav1.2 channel, play in regulation of cardiac pacemaking, conduction, ventricular activity, and contractility during cardiogenesis.

Characterization of a plant-derived peptide displaying water clarifying and antimicrobial activities

SUMMARY Drinking water is currently a scarce world resource, the preparation of which requires complex treatments that include clarification of suspended particles and disinfection. Seed extracts of Moringa oleifera Lam., a tropical tree, have been proposed as an environment- friendly alternative, due to their traditional use for the clarification of drinking water. However, the precise nature of the active components was unknown. Here, we show that recombinant or synthetic forms of a cationic seed polypeptide mediate efficient sedimentation of suspended mineral particles and bacteria. Unexpectedly, the polypeptide was also found to possesses a bactericidal activity capable of disinfecting heavily contaminated water. Furthermore, the polypeptide has been shown to efficiently kill several pathogenic bacteria, including antibiotic-resistant isolates of Pseudomona, Streptococcus and Legionella species. Structural modeling of the peptide coupled to the functional analysis of synthetic peptide derivatives delineated distinct structural determinants for the flocculation and antibacterial activities. Our results suggest that a glutamine-rich portion of the polypeptide is involved in the sedimentation process; alternatively, the antibacterial activity depends on a amphiphilic loop. Assembly of multiple copies of this loop into a branched peptide derivative strongly enhances antibacterial activity without displaying hemolytic effect. In conclusion, this polypeptide displays the unprecedented feature of combining efficient water purification and disinfectant properties indicating different molecular mechanisms involved in each case. This work not only identified the features responsible for these activities but also provides useful information that has implications for the further development of this cationic polypeptide as a potent antibacterial agent. RESUME L'eau potable est actuellement une ressource limitée dans le monde. La production d'eau propre à la consommation exige des traitements complexes, incluant la clarification des particules en suspension ainsi que sa désinfection par des additifs chimiques. Les extraits de la graine d'un arbre tropical, Moringa oleifera, sont utilisés traditionnellement en Afrique afin de clarifier l'eau. Quoique la nature exacte des composants actifs était inconnue, on a pu mettre en évidence un polypeptide cationique contenu dans ces graines, capable de sédimenter de manière efficace des particules minérales en suspension ainsi que des bactéries. Ce travail a aussi mis en évidence que ce polypeptide a une activité bactéricide, permettant une désinfection d'eau fortement contaminée. De plus, nous avons démontré que ce polypeptide est efficace contre de nombreuses souches bactériennes pathogènes, également celles résistantes aux antibiotiques comme Pseudomonas, Streptococcus et Legionella. L'analyse de la structure moléculaire de ce polypeptide, couplée à son analyse fonctionnelle a mis en évidence deux domaines structuraux distinct, un pour l'activité de floculation et l'autre pour l'activité antibactérienne. Nos résultats suggèrent que le domaine riche en glutamine est impliqué dans le processus de sédimentation et que l'activité antimicrobienne dépend d'un domaine formant une boucle amphiphilique. En ramifiant plusieurs copies de cette boucle on a pu augmenter de manière significative l'activité antibactérienne. En conclusion, nous avons pu démontrer que ce polypeptide à la capacité unique de combiner des propriétés de purification et de désinfection de l'eau, ce qui implique des mécanismes moléculaires distincts pour ces deux activités. Ce travail a permis d'identifier les domaines du polypeptide qui sont responsables de ses activités et offre une perspective pour le développement d'un nouvel agent antimicrobien.

Novel micelle carriers for cyclosporin A topical ocular delivery: in vivo cornea penetration, ocular distribution and efficacy studies.

Cornea transplantation is one of the most performed graft procedures worldwide with an impressive success rate of 90%. However, for "high-risk" patients with particular ocular diseases in addition to the required surgery, the success rate is drastically reduced to 50%. In these cases, cyclosporin A (CsA) is frequently used to prevent the cornea rejection by a systemic treatment with possible systemic side effects for the patients. To overcome these problems, it is a challenge to prepare well-tolerated topical CsA formulations. Normally high amounts of oils or surfactants are needed for the solubilization of the very hydrophobic CsA. Furthermore, it is in general difficult to obtain ocular therapeutic drug levels with topical instillations due to the corneal barriers that efficiently protect the intraocular structures from foreign substances thus also from drugs. The aim of this study was to investigate in vivo the effects of a novel CsA topical aqueous formulation. This formulation was based on nanosized polymeric micelles as drug carriers. An established rat model for the prevention of cornea graft rejection after a keratoplasty procedure was used. After instillation of the novel formulation with fluorescent labeled micelles, confocal analysis of flat-mounted corneas clearly showed that the nanosized carriers were able to penetrate into all corneal layers. The efficacy of a 0.5% CsA micelle formulation was tested and compared to a physiological saline solution and to a systemic administration of CsA. In our studies, the topical CsA treatment was carried out for 14 days, and the three parameters (a) cornea transparency, (b) edema, and (c) neovascularization were evaluated by clinical observation and scoring. Compared to the control group, the treated group showed a significant higher cornea transparency and significant lower edema after 7 and 13 days of the surgery. At the end point of the study, the neovascularization was reduced by 50% in the CsA-micelle treated animals. The success rate of cornea graft transplantation was 73% in treated animals against 25% for the control group. This result was as good as observed for a systemic CsA treatment in the same animal model. This new formulation has the same efficacy like a systemic treatment but without the serious CsA systemic side effects. Ocular drug levels of transplanted and healthy rat eyes were dosed by UPLC/MS and showed a high CsA value in the cornea (11710 ± 7530 ng(CsA)/g(tissue) and 6470 ± 1730 ng(CsA)/g(tissue), respectively). In conclusion, the applied formulation has the capacity to overcome the ocular surface barriers, the micelles formed a drug reservoir in the cornea from, where a sustained release of CsA can take place. This novel formulation for topical application of CsA is clearly an effective and well-tolerated alternative to the systemic treatment for the prevention of corneal graft rejection.

Neutrophil defensins: their possible role in allergic asthma.

BACKGROUND Neutrophil defensins, originally identified as broad-spectrum antimicrobial peptides, have been implicated in the regulation of inflammatory and immunological processes. OBJECTIVES To investigate whether the in vitro challenge of neutrophils from patients with bronchial asthma with allergens stimulated the release of alpha-defensins and whether levels released were dependent on lung infections. METHOD The neutrophils were cultivated with different agonists and the concentration of alpha-defensin in cell-free supernatant was measured with enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). RESULTS Neutrophils from allergic patients released alpha-defensins via an allergen-dependent mechanism. Our results indicate that the in vitro activation of neutrophils is highly allergen-specific. In this context, allergens other than those which produced clinical symptoms did not elicit alpha-defensin release, and allergens had no effect on neutrophils from healthy donors. However, neutrophils from both allergic patients and healthy controls were able to release alpha-defensins upon treatment with PMA. In the allergen-stimulated neutrophils, cells from asthmatic patients stimulated with a sensitizing allergen showed a significantly higher production of alpha-defensin under respiratory tract infection than cells from the same patients without such an infection. CONCLUSION Neutrophils from allergic patients release alpha-defensins via an allergen-dependent mechanism.

NrsZ: a novel, processed, nitrogen-dependent, small non-coding RNA that regulates Pseudomonas aeruginosa PAO1 virulence.

The opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa PAO1 has a remarkable capacity to adapt to various environments and to survive with limited nutrients. Here, we report the discovery and characterization of a novel small non-coding RNA: NrsZ (nitrogen-regulated sRNA). We show that under nitrogen limitation, NrsZ is induced by the NtrB/C two component system, an important regulator of nitrogen assimilation and P. aeruginosa's swarming motility, in concert with the alternative sigma factor RpoN. Furthermore, we demonstrate that NrsZ modulates P. aeruginosa motility by controlling the production of rhamnolipid surfactants, virulence factors notably needed for swarming motility. This regulation takes place through the post-transcriptional control of rhlA, a gene essential for rhamnolipids synthesis. Interestingly, we also observed that NrsZ is processed in three similar short modules, and that the first short module encompassing the first 60 nucleotides is sufficient for NrsZ regulatory functions.

Experimental and computational study on the synthesis and characterization of self-assembling meso/macroporous materials in highly concentrated emulsions

Report for the scientific sojourn carried out at Massachusetts General Hospital Cancer Center-Harvard Medical School, Estats Units, from 2010 to 2011. The project aims to study the aggregation behavior of amphiphilic molecules in the continuous phase of highly concentrated emulsions, which can be used as templates for the synthesis of meso/macroporous materials. At this stage of the project, we have investigated the self-assembly of diblock and triblock surfactants under the effect of a confined geometry being surrounded by the droplets of the dispersed phase. These droplets limit the growth of the aggregates, deeply modify their orientation and hence alter their spatial arrangement as compared to the self-assembly taking place far enough from any boundary surface, that is in the bulk. By performing Monte Carlo simulations, we have showed that the interface between the dispersed and continuous phases as well as its shape has a significant impact on the structural order of the resulting aggregates and hence on the potential applications of highly concentrated emulsions as reaction media, drug delivery systems, or templates for meso/macroporous materials. Due to the combined effect of symmetry breaking and morphological frustration, very intriguing structures, such as square columnar liquid crystals, twisted X-shaped aggregates, and helical phases of cylindrical aggregates, never observed in the bulk for the same model surfactant, have been found. The presence of other more conventional structures, such as micelles and cubic and hexagonal liquid crystals, formed at low and high amphiphilic concentrations, respectively, further enhance the interest on this already rich aggregation behavior.

Modern Vaccines/Adjuvants Formulation-Session 2 (Plenary II): May 15-17, 2013-Lausanne, Switzerland.

On the 15-17th May 2013, the Fourth International Conference on Modern Vaccines/Adjuvants Formulation was organized in Lausanne, Switzerland, and gathered stakeholders from academics and from the industry to discuss several challenges, advances and promises in the field of vaccine adjuvants. Plenary session 2 of the meeting was composed of four different presentations covering: (1) the recent set-up of an adjuvant technology transfer and training platform in Switzerland, (2) the proposition to revisit existing paradigms of modern vaccinology, (3) the properties of polyethyleneimine as potential new vaccine adjuvant, and (4) the progresses in the design of HIV vaccine candidates able to induce broadly neutralizing antibodies.