Développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications dans le domaine de la conversion d’énergie solaire

Dans un contexte où l’approvisionnement énergétique mondial du 21e siècle est un enjeu majeur, le développement de sources d’énergie renouvelables suscite l’attention croissante de la communauté scientifique et industrielle. L’énergie solaire est définitivement l’une des meilleures alternatives aux combustibles fossiles en tant que source d’énergie du monde de demain. Ce mémoire traite donc du développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications de photorécoltage d’énergie en photovoltaïque et en production d’hydrogène. Le premier chapitre présente la synthèse assistée par microondes de quatre nouveaux complexes de Co(II), Ni(II), Cu(II) et Zn(II) basés sur le ligand tétra-p-méthoxyphényl-azadipyrrométhène (ADPM) avec des rendements variant de 89% à quantitatif. Ces complexes sont mis en relation avec d’autres complexes homoleptiques connus portant le tétraphényl-ADPM comme ligand ainsi qu’avec leurs chélates de BF2+ pour une meilleure compréhension des tendances engendrées par la substitution de l’agent coordonnant et/ou des substituants p-méthoxy. Pour ce faire, le comportement électrochimique et photophysique est présenté. De façon générale, la présence des quatre groupements p-méthoxy semble rendre les dérivés de cet ADPM plus susceptibles à la dégradation électrochimique en conditions d’oxydation et induire un déplacement bathochromique des propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les structures rayons X du ligand tétra-p-méthoxyphényl-ADPM et de son complexe homoleptique de Co(II) sont aussi discutées. Cette étude a été effectuée dans l’espoir de fournir des informations utiles sur la stabilité des ADPM aux chercheurs du domaine photovoltaïque en quête de nouveaux chromophores dans le proche infrarouge (NIR). Le deuxième chapitre présente quant à lui les propriétés de senseur envers les anions F-, OAc- et H2PO4- de deux nouveaux complexes neutres de Re(I) de type mono- et dinucléaire basés sur une phénanthroline substituée en position 5 contenant un récepteur thio-urée. Ces composés ont été obtenus dans des rendements de 81% et 60%, respectivement. L’effet de la formation de ponts hydrogène lors de l’ajout d’anions versus la déprotonation du récepteur a été évalué par des titrations UV/Vis et RMN 1H et semble indiquer que la formation de la base conjuguée du récepteur est favorisée pour ce type de système. De plus, la structure rayons X d’un des précurseurs est présentée et permet une discussion sur la chiralité des complexes mono- et dinucléaire obtenus. L’obtention d’un complexe bimétallique par autoassemblage ouvre la voie à la préparation d’antennes moléculaires pour des systèmes de photosynthèse artificielle.

Electrochromic and electrofluorochromic properties of a new boron dipyrromethene–ferrocene conjugate

A new boron dipyrromethene–ferrocene (BODIPY–Fc) conjugate with pentafluorophenyl as the meso substituent and two Fc termini was synthesized and its spectroscopic and electrochemical features were analyzed. An intramolecular charge transfer from the donor Fc to the acceptor BODIPY has been predicted by theory and confirmed experimentally, leading to efficient fluorescence quenching when the dyad is in the neutral state. Fluorescence can be triggered by oxidizing both ferrocenyl units either chemically or electrochemically. Eventually, a fully reversible fluorescence switch is evidenced by coupling TIRF microscopy with electrolysis in an electrochemical cell.

Total phenolic content and free radical scavenging activities of methanolic extract powders of tropical fruit residues

Methanolic extract powders of acerola, passion fruit and pineapple industrial residues, including pulp, seeds and peel, altogether (except for acerola) devoid of seeds, were screened for antioxidant capacity. The total phenolic contents (TPCs) of the extract powders were compared with their radical-scavenging activities (RSA) against both DPPH(center dot) and superoxide anion (O(2)(center dot-)) radicals, and their protective effect against liposome peroxidation, triggered by peroxyl radical. Lipid peroxidation was followed by the fluorescence decay of the probe, 4,4-difluoro-5-(4-phenyl-1,3-butadienyl)-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene-3-undecanoic acid (C(11)-BODIPY(581/591)). The TPCs of acerola, passion fruit and pineapple extract powders were (94.6 +/- 7.4); (41.2 +/- 4.2) and (9.1 +/- 1.3) mg of gallic acid equivalents g(-1) of dry extract, respectively. Acerola showed the best RSA-DPPH(center dot) scores, whereas passion fruit was more protective on the RSA-O(2)(center dot-) system. Together with the protective effects against lipid peroxidation (rate of BODIPY decay) which, were similar for acerola and passion fruit extracts, these data suggest that the methanolic extracts of acerola and passion fruit residues may be useful as antioxidant supplements, particularly the acerola extract, due to its high phenolic content. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved

Caracterização lipídica de duas cepas de Leishmania (Viannia) braziliensis causadoras da leishmaniose tegumentar americana

A leishmaniose tegumentar americana (LTA) constitui uma doença infecciosa causada por protozoários do gênero Leishmania com elevada incidência na região Amazônica. Uma variedade de espécies de leishmania é responsável por esta patologia. Desta forma, dependendo da espécie e da resposta imunológica do hospedeiro vertebrado, a doença pode apresentar diferentes formas clínicas, como a leishmaniose cutânea localizada (LCL) e a leishmaniose mucocutânea (LMC). A principal espécie responsável pela LTA é a Leishmania (Viannia) braziliensis. Contudo, devido à existência de uma multiplicidade de cepas desta espécie e ao reduzido número de estudos relacionados, torna-se importante o conhecimento dos aspectos metabólicos básicos do protozoário, como o metabolismo lipídico, na tentativa de caracterizar vias ou componentes fundamentais para seu desenvolvimento e infectividade. Desta forma, este trabalho teve como objetivo analisar distribuição de corpos lipídicos (CLs) e o perfil lipídico de duas cepas de L. (V.) braziliensis, isolada de diferentes casos clínicos, em diferentes períodos da fase estacionária do crescimento celular. As formas promastigotas das cepas M17593 (LCL) e M17323 (LMC) de L. (V.) braziliensis foram utilizadas na fase estacionária inicial (EST-I) e estacionária tardia (EST-T) de crescimento. Inicialmente, foi realizada análise ultraestrutural das formas promastigotas por microscopia eletrônica de transmissão (MET) e foram observadas estruturas sugestivas de CLs distribuídos no citoplasma do parasito, confirmados pela técnica citoquímica ósmio-imidazol, organelas necessárias para o metabolismo energético do parasito. Para quantificar a distribuição de CLs entre os dias de cultivo e entre as cepas, foi realizada análise por citometria de fluxo com Bodipy® 493/503. Os resultados indicaram que a cepa responsável pela LMC apresentou maior quantidade de CLs durante a fase estacionária tardia. Na cepa LCL não foi observado diferença significativa entre as fases estudadas. Assim, pode ser sugerido que a exacerbada resposta inflamatória que ocorre em pacientes com LMC, esteja relacionada com o acúmulo de CLs no parasito, fonte de energia e eicosanoides, como prostaglandinas. Outra hipótese é a possível correlação de CLs com a baixa exposição do fosfolipídio fosfatidilserina para a superfície externa da membrana, importante para a infectividade do parasito. Para análise dos lipídios totais, os parasitos foram submetidos à extração lipídica, seguido da técnica de HPTLC, onde foram encontrados predominantemente fosfolipídios, esterol esterificado, esteróis, triglicerídeos e ácidos graxos compondo o parasito, com variações entre as cepas e entre as fases estudadas. A cepa LCL na fase estacionária tardia possui maior quantidade de lipídios totais, que pode ser justificado por já ser conhecida como a cepa mais infectiva e possivelmente apresentar maior quantidade de glicoconjugados associados com subdomínios lipídicos importantes para o reconhecimento de fagócitos. É importante ressaltar que a maior infectividade da cepa LCL quando comparada à cepa LMC, resulta em um menor processo inflamatório. Estes resultados indicam que há uma variação no perfil lipídico e na distribuição de CLs entre as diferentes cepas de L. (V.) braziliensis, que pode estar relacionado com a infectividade do parasito e com a manifestação clinica da doença.

Antioxidant, anti-acetylcholinesterase and cytotoxic activities of ethanol extracts of peel, pulp and seeds of exotic Brazilian fruits Antioxidant, anti-acetylcholinesterase and cytotoxic activities in fruits

Ethanol extracts of powdered genipap (Genipa americana L), umbu (Spondia tuberosa A.) and siriguela (Spondia purpurea L) prepared from separate pulp, seeds and peel were investigated for their (i) antioxidant capacity, which was evaluated by various known methods; (ii) acetylcholinesterase (AChE) inhibitory activity; and (iii) cytotoxic effect on corneal epithelial cells of sheep. The highest values of total phenolic content were obtained with peel and seed extracts. Siriguela and umbu (seeds and peel) extracts displayed the highest antioxidant activities. Lipid peroxidation assays using mimetic biomembranes and mouse liver homogenates indicated that genipap pulp is a promising antioxidant. The investigation of phenols and organic acid contents revealed the presence of quercetin, citric and quinic acids, chlorogenic acid derivatives, among others, in several extracts, with the highest amount found in siriguela seeds. Genipap pulp and siriguela seed ethanol extracts presented an AChE inhibition zone similar to that of the positive control, carbachol. AChE inhibition assay with chlorogenic acid, one of the main constituents of siriguela seeds, revealed that this acid showed activity similar to that of the control physostigmine. These data suggest that these extracts are potentially important antioxidant supplements for the everyday human diet, pharmaceutical and cosmetic industries. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Dye doped, core / shell silica nanoparticles: synthesis, characterization, & biotechnological applications

The aim of this thesis was to design, synthesize and develop a nanoparticle based system to be used as a chemosensor or as a label in bioanalytical applications. A versatile fluorescent functionalizable nanoarchitecture has been effectively produced based on the hydrolysis and condensation of TEOS in direct micelles of Pluronic® F 127, obtaining highly monodisperse silica - core / PEG - shell nanoparticles with a diameter of about 20 nm. Surface functionalized nanoparticles have been obtained in a one-pot procedure by chemical modification of the hydroxyl terminal groups of the surfactant. To make them fluorescent, a whole library of triethoxysilane fluorophores (mainly BODIPY based), encompassing the whole visible spectrum has been synthesized: this derivatization allows a high degree of doping, but the close proximity of the molecules inside the silica matrix leads to the development of self - quenching processes at high doping levels, with the concomitant fall of the fluorescence signal intensity. In order to bypass this parasite phenomenon, multichromophoric systems have been prepared, where highly efficient FRET processes occur, showing that this energy pathway is faster than self - quenching, recovering the fluorescence signal. The FRET efficiency remains very high even four dye nanoparticles, increasing the pseudo Stokes shift of the system, attractive feature for multiplexing analysis. These optimized nanoparticles have been successfully exploited in molecular imaging applications such as in vitro, in vivo and ex vivo imaging, proving themselves superior to conventional molecular fluorophores as signaling units.

Der Wirkungsmechanismus von Neurosteroiden auf das Cytoskelett neuronaler Zellen

Neurosteroide können langsame genomische und schnelle nicht-genomische Effekte zeigen. Die Synthese und der Metabolismus von Neurosteroiden werden entwicklungsbedingt reguliert. In den letzten Jahren sind immer mehr schnelle Steroideffekte bekannt geworden, die sowohl über klassische als auch über nicht-klassische Rezeptoren laufen. Zum heutigen Stand der Forschung sind die morphologischen Effekte von Neurosteroiden auf das neuronale Cytoskelett und die involvierten Signalkaskaden noch weitgehend unerforscht. In diesem Zusammenhang stellen sich auch die Fragen nach den verantwortlichen Rezeptoren und dem Transportmechanismus sowie der subzellulären Lokalisation der Steroide. Die im Rahmen meiner Promotion erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Steroide DHEA und Testosteron eine Reorganisation des Aktincytoskeletts in neuronalen Zellen induzieren und dass diese Effekte diesen Steroiden und nicht ihren Folgemetaboliten zuzuordnen sind. DHEA bewirkt die Kontraktion der Zellen, eine erhöhte Ausbildung von Stressfasern und fokalen Adhäsionskomplexen sowie die Bildung von Filopodien. Der diesen Effekten zu Grunde liegende Signalweg konnte eindeutig identifiziert werden. DHEA induziert in neuronalen Zellen die Aktivierung des Rho-Signalwegs. Diese Aktivierung führt zu einem erhöhten Phosphorylierungsstatus der regulatorischen leichten Kette von Myosin II (MRLC) an Serin 19 und der damit verbundenen erhöhten Myosin-Aktin-Interaktion. Die Ausbildung von Filopodien wird vermutlich über eine Aktivierung der GTPase Cdc42 vermittelt. Testosteron induziert das Auswachsen langer Neuriten sowie eine Verminderung von Stressfasern in neuronalen Zellen. Diese Effekte sind abhängig von der Aktivität der PI3-Kinase. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Testosteron über die PI3-Kinase und FAK den Rac-Signalweg induziert, da es zu einer Inhibierung des Rho-Signalwegs kommt. Zahlreiche Erkenntnisse weisen darauf hin, dass DHEA und Testosteron die Aktivierung der beteiligten Signalwege über einen G-Protein gekoppelten Rezeptor induzieren. DHEA und Testosteron beeinflussen auch die Expression und die Lokalisation der regulatorischen leichten Ketten von Myosin II. Im Gegensatz zu DHEA (Lokalisation der MRLC in der kortikalen Region der Zelle), induziert Testosteron eine Umlokalisation der MRLC in den Zellkern. Daher ist es denkbar, dass die MRLCs, wie auch Aktin, als Transkriptionsfaktoren wirken können. Die Synthese eines funktionalen, fluoreszierenden DHEA-Derivats (DHEA-Bodipy) ermöglichte erstmals, den Transport und die subzelluläre Lokalisation von DHEA in neuronalen Zellen zu beobachten. DHEA-Bodipy wird in neuronalen Zellen in den Mitochondrien lokalisiert. Diese Lokalisation ergibt völlig neue Ansätze im Verständnis zellulärer Wirkungsorte von Steroiden und beteiligter Rezeptoren. Das in meiner Arbeit vorgestellte Verfahren zur Fluoreszenzmarkierung von Steroiden bietet vielfältige Möglichkeiten im Einsatz zellbiologischer Methoden. Nach diesem Verfahren hergestellte, fluoreszierende Steroide eignen sich aufgrund ihrer Stabilität sehr gut für die Untersuchung des Transports und der subzellulären Lokalisation von Steroiden an fixierten und lebenden Zellen sowie für Colokalisationsexperimente. Diese Methode grenzt somit auch die Anzahl möglicher molekularer Interaktionspartner ein. Für Testosteron konnte ebenfalls ein fluoreszierendes Testosteron-Derivat (Testosteron-Bodipy) synthetisiert werden. Die Aufklärung der Effekte von Steroiden auf das neuronale Cytoskelett und der beteiligten Signalkaskaden sowie die Identifizierung der zellulären Wirkungsorte ermöglichen therapeutische Ansätze zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen, deren Ursachen in Abnormitäten des Cytoskeletts oder fehlregulierter Neurosteroidogenese zu begründen sind.

Maßgeschneiderte polymerisierbare Tenside zur simultanen Stabilisierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln in der Miniemulsionspolymerisation

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene funktionale, polymerisierbare Tenside (Surfmere) synthetisiert, um unmittelbar und exklusiv die Partikeloberfläche in der Miniemulsionspolymerisation mit der gewünschten Funktion für weitere Anwendungen auszurüsten. Hierdurch ist es möglich, auf konventionelle Tenside, welche bedingt durch ihre Mobilität in einigen Anwendungen zu Schwierigkeiten führen, gänzlich zu verzichten. Zusätzlich bietet der Einsatz von Surfmeren eine höhere Kontrolle über die Lokalisation und Verteilung der Funktionalitäten auf der Partikeloberfläche, im Vergleich zum Einsatz von klassischen Comonomeren. rnThematische Schwerpunkte der Arbeit lagen in der Ausrüstung von Partikeloberflächen mit Haftgruppen (Phosphonsäuren) oder Fluoreszenzmarkern sowie der Aufbringung von Initiatorgruppen über Surfmere zur Synthese von Kern-Schale-Partikeln in einem zweistufigen Prozess. Bei allen neu synthetisierten Surfmeren wurde als polymerisierbare Einheit eine Methacrylamidgruppe gewählt, um Funktionalitätenverlust durch Hydrolyse auszuschließen.rnIm Bereich der Haftgruppen wurde gezeigt, dass der Einsatz von phosphonathaltigen Surfmeren die Kontrolle der Partikelgröße und Funktionalisierungsdichte in weiten Bereichen ermöglicht und langzeitstabile Dispersionen erhalten werden. Die Partikel wurden auf ihre Cytotoxizität und ihre biomimetische Mineralisierbarkeit hin untersucht.rnZum Nachweis der Copolymerisation des Surfmers mit dem Hauptmonomer wurde ein Phosphonsäure-Surfmer mit einem Farbstoff auf Naphthalimidbasis synthetisiert. Dies ermöglichte den Nachweis der Copolymerisation mittels Gelpermeationschromatographie.rnZur Fluoreszenzmarkierung von Partikeloberfläche wurden erstmals Surfmere realisiert, die in der Kopfgruppe eine BODIPY-Einheit, welche in 2 oder 2,6-Position sulfoniert wurde, als Fluorophor tragen. Der Polymerisationsbeweis wurde durch HPLC-Messungen geführt und die Lokalisation auf der Partikeloberfläche durch Quenchungsexperimente verifiziert. rnDes Weiteren wurde ein kationisches Surfmer synthetisiert, welches nahe der Kopfgruppe eine Bromo iso-buttersäureeinheit zur AGET-ATRP-Initiierung trägt und somit potentiell zum Aufbau von Kern-Schale-Morphologien befähigt ist.

Etablierung eines humanisierten Mausmodells zur In-vivo-Analyse von DC-adressierenden Nanopartikeln

In dieser Arbeit wurde zunächst ein humanisiertes Mausmodell entwickelt für die Analyse von humanen DCs in vivo. Darüber hinaus wurden erste Versuche mit Nanopartikelbeladenen DCs durchgeführt, mit der Intention, durch diese Kombination humane DCs zu untersuchen. Es wurden immunsupprimierte NOD/LtSz-scid IL2R (NSG) Mäuse verwendet und mit humanen CD34+ PBSCs transplantiert. Es wurden insgesamt 14 Modelle getestet, mit einer durchschnittlichen Humanisierungsrate von 76 %. In allen Modellen konnten ab Woche sechs nach Transplantation humane CD45+ Zellen sowie humane Bund NK-Zellen und CD14+ Monozyten gefunden werden. Darüber hinaus waren myeloide DC-Vorläuferzellen, konventionelle HLA DR CD11c DCs (cDCs) und plasmazytoide DCs (pDCs) vorhanden. Humane T-Zellen konnten nicht vor Woche 18 nach Transplantation beobachtet werden. Neben der Rekonstitution humaner DCs in peripheren Organen, wurde ebenfalls nach gewebsständigen DCs, insbesondere den Langerhans Zellen (LCs) der Epidermis geschaut. Waren humane LC vorhanden, konnten diese ab Woche zwölf nach Transplantation in der murinen Epidermis detektiert werden. Diese waren konstant bis in Woche 30 nach Transplantation nachweisbar. In Hinblick auf die Etablierung der DCs in diesem humanisierten Mausmodells wurden verschiedene Einflussgrößen getestet. IL-7 führte zu keiner veränderten Hämatopoese, wohingegen Flt3L zu einer Zunahme von CD14+ Monozyten und cDCs führte. Darüber hinaus konnte eine drastische Abnahmernhumaner B-Zellen beobachtet werden. Es zeigte sich, dass der Zeitpunkt der Flt3LrnApplikation einen entscheidenen Faktor für den Effekt von Flt3L auf die Rekonstitution humaner Zellen darstellt. Für die in dieser Arbeit durchgeführten funktionellen in vivo Studien, wurden humanisierten Mäusen alloreaktive CD8+ T-Zellen appliziert. Somit sollte die Funktionalität der rekonstituierten humanen APCs getestet werden. Es wurde deutlich, dass Monozyten und DCs ihre Funktionalität erst ab Woche 14 nach Transplantation zu entwickeln schienen,rnwohingegen B-Zellen bereits zu früheren Zeitpunkten als Zielzellen für die alloreaktiven T-Zellen dienten. Dies wurde durch den Rückgang der jeweiligen Zellen nach Applikation der T-Zellen sichtbar. Zu erwähnen ist, dass das Anwachsen einer humanen Hämatopoese stark spenderabhängig ist und somit keine allgemeingültigen Aussagen hinsichtlich der in vivo Funktion getroffen werden können. Um im Gewebe verbliebende APCs zu manipulieren gibt es verschiedene Möglichkeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf Polystyren-basierende Nanopartikel getestet. Die verwendeten Partikel hatten eine Größe von 80 bis 160 nm und waren unfunktionalisiert oder mit Amino- bzw. Carboxy-Gruppen versehen. Zusätzlich wurden die Partikel mit BODIPY (Durchflusszytometrie und kLSM-Messungen), einem Infrarotnahem Farbstoff IR 780 (BFI-Messungen) und Platin (in vivo Messungen) beladen. Der Carboxy-funktionalisierte Partikel zeigte den geringsten Einfluss auf die Vitalität von humanen DCs, wohingegen der Amino-funktionalisierte Partikel bei steigender Konzentration toxisch wirkte. Bei unfunktionalisierten Partikeln stieg die Toxizität bei zunehmender Konzentration. Hinsichtlich der Expression diverser DC spezifischer Oberflächenmoleküle nach Beladung mit Nanopartikeln zeigte sich, dass allein der unfunktionalisierte, mit Lutensol AT50 hergestellte Partikel zu einer leichten Hochregulation von MHC-Klasse-II Molekülen führte. Die Expression von CD86 wurde im Gegenzug nur durch die Beladung mit den Amino-, bzw. Carboxy funktionalisierten Partikeln und dem unfunktionalisierten, mit SDS hergestellten Partikel leicht gesteigert. Trotz der teilweise leicht veränderten Expression von Oberflächenmarkern, konnte mit Hilfe von IFN-g ELISpots keine Beeinflussungrnder Funktion als APCs von Nanopartikel-beladenen DCs beobachtet werden. In den in vivo Untersuchungen zeigten alle vier Partikel eine konstante Zirkulation imrnOrganismus und konnten bis 96 h nach Applikation nachgewiesen werden. Alle Partikel konnten primär in der Leber detektiert werden, wobei der unfunktionalisierte, mit Lutensol AT50 hergestelle Partikel das weiteste Verbreitungsmuster zeigte. Erste Versuche im humanisierten Mausmodell zeigten keine Beeinflussung der Verteilung und Kinetik von Nanopartikeln durch die humane Hämatopoese. Mit dem in dieser Arbeit etablierten humanisierten Mausmodell ist es möglich, die Entwicklung, Differenzierung, Aktivierung und Funktionalität humaner DCs in vivo zu untersuchen. Darüber hinaus kann das gezielte Adressieren von DCs in vivo analysiert werden, was sowohl die Möglichkeit der Manipulation von DCs zur Vermeidung einer akuten GvHD bietet als auch Verwendung in anderen DC-vermittelten Therapien (z.B.Vakzinationsstudien) findet.

The use of site-directed fluorophore labeling and donor–donor energy migration to investigate solution structure and dynamics in proteins

The use of molecular genetics for introducing fluorescent molecules enables the use of donor–donor energy migration to determine intramolecular distances in a variety of proteins. This approach can be applied to examine the overall molecular dimensions of proteins and to investigate structural changes upon interactions with specific target molecules. In this report, the donor–donor energy migration method is demonstrated by experiments with the latent form of plasminogen activator inhibitor type 1. Based on the known x-ray structure of plasminogen activator inhibitor type 1, three positions forming the corners of a triangle were chosen. Double Cys substitution mutants (V106C-H185C, H185C-M266C, and M266C-V106C) and corresponding single substitution mutants (V106C, H185C, and M266C) were created and labeled with a sulfhydryl specific derivative of BODIPY (=the D molecule). The side lengths of this triangle were obtained from analyses of the experimental data. The analyses account for the local anisotropic order and rotational motions of the D molecules, as well as for the influence of a partial DD-labeling. The distances, as determined from x-ray diffraction, between the Cα-atoms of the positions V106C–H185C, H185C–M266C, and M266C–V106C were 60.9, 30.8, and 55.1 Å, respectively. These are in good agreement with the distances of 54 ± 4, 38 ± 3, and 55 ± 3 Å, as determined between the BODIPY groups attached via linkers to the same residues. Although the positions of the D-molecules and the Cα-atoms physically cannot coincide, there is a reasonable agreement between the methods.

Expression of scavenger receptor class B type 1 (SR-BI) promotes microvillar channel formation and selective cholesteryl ester transport in a heterologous reconstituted system

In the “selective” cholesteryl ester (CE) uptake process, surface-associated lipoproteins [high density lipoprotein (HDL) and low density lipoprotein] are trapped in the space formed between closely apposed surface microvilli (microvillar channels) in hormone-stimulated steroidogenic cells. This is the same location where an HDL receptor (SR-BI) is found. In the current study, we sought to understand the relationship between SR-BI and selective CE uptake in a heterologous insect cell system. Sf9 (Spodoptera frugiperda) cells overexpressing recombinant SR-BI were examined for (i) SR-BI protein by Western blot analysis and light or electron immunomicroscopy, and (ii) selective lipoprotein CE uptake by the use of radiolabeled or fluorescent (BODIPY-CE)-labeled HDL. Noninfected or infected control Sf9 cells do not express SR-BI, show microvillar channels, or internalize CEs. An unexpected finding was the induction of a complex channel system in Sf9 cells expressing SR-BI. SR-BI-expressing cells showed many cell surface double-membraned channels, immunogold SR-BI, apolipoprotein (HDL) labeling of the channels, and high levels of selective HDL-CE uptake. Thus, double-membraned channels can be induced by expression of recombinant SR-BI in a heterologous system, and these specialized structures facilitate both the binding of HDL and selective HDL-CE uptake.

Protein-free parallel triple-stranded DNA complex formation

A 14 nt DNA sequence 5′-AGAATGTGGCAAAG-3′ from the zinc finger repeat of the human KRAB zinc finger protein gene ZNF91 bearing the intercalator 2-methoxy,6-chloro,9-amino acridine (Acr) attached to the sugar–phosphate backbone in various positions has been shown to form a specific triple helix (triplex) with a 16 bp hairpin (intramolecular) or a two-stranded (intermolecular) duplex having the identical sequence in the same (parallel) orientation. Intramolecular targets with the identical sequence in the antiparallel orientation and a non-specific target sequence were tested as controls. Apparent binding constants for formation of the triplex were determined by quantitating electrophoretic band shifts. Binding of the single-stranded oligonucleotide probe sequence to the target led to an increase in the fluorescence anisotropy of acridine. The parallel orientation of the two identical sequence segments was confirmed by measurement of fluorescence resonance energy transfer between the acridine on the 5′-end of the probe strand as donor and BODIPY-Texas Red on the 3′-amino group of either strand of the target duplex as acceptor. There was full protection from OsO4-bipyridine modification of thymines in the probe strand of the triplex, in accordance with the presumed triplex formation, which excluded displacement of the homologous duplex strand by the probe–intercalator conjugate. The implications of these results for the existence of protein-independent parallel triplexes are discussed.

Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator activation stimulates endosome fusion in vivo.

Previous studies have suggested a role for cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) in the regulation of intracellular vesicular trafficking. A quantitative fluorescence method was used to test the hypothesis that CFTR expression and activation affects endosome-endosome fusion in intact cells. Endosomes from CFTR-expressing and control (vector-transfected) Swiss 3T3 fibroblasts were labeled by internalization with 4,4-difluoro-5,7-dimethyl-4-bora-3a, 4a-diaza-s-indacene (Bodipy)-avidin, a fluid-phase marker whose fluorescence increases approximately 8-fold upon biotin binding. Cells were washed, chased, and then labeled with biotin-albumin or biotin-transferrin. The fraction of Bodipy-avidin-labeled endosomes that fused with biotin-containing endosomes (f(fusion)) was quantified by ratio imaging microfluorimetry. Endosome fusion in unstimulated CFTR-expressing cells was similar to that in control cells. However, in CFTR-expressing cells activated by forskolin, ffusion was increased by 1.30 +/- 0.18- and 2.65 +/- 0.17-fold for a 0 and 10 min chase time between avidin and biotin-albumin pulses; f(fusion) also increased (1.32 +/- 0.11-fold) when biotin-transferrin replaced biotin-albumin. The stimulation of endosome fusion was not due to differences in rates of endocytosis or endosomal acidification. Endosome fusion was not stimulated by forskolin in Cl--depleted CFTR-expressing cells, suggesting that the increase in endosome fusion is due to the CFTR chloride channel activity. These results provide evidence that CFTR is involved in the regulation of endosome fusion and, thus, a possible basis for the cellular defects associated with cystic fibrosis.

Mutant huntingtin inhibits clathrin-independent endocytosis and causes accumulation of cholesterol in vitro and in vivo.

We show that the mutant Huntington's disease (HD) protein (mhtt) specifically inhibits endocytosis in primary striatal neurons. Unexpectedly, mhtt does not inhibit clathrin-dependent endocytosis as was anticipated based on known interacting partners. Instead, inhibition occurs through a non-clathrin, caveolar-related pathway. Expression of mhtt inhibited internalization of BODIPY-lactosylceramide (LacCer), which is internalized by a caveolar-related mechanism. In contrast, endocytosis of Alexa Fluor 594-transferrin (Tfn) and epidermal growth factor, internalized through clathrin pathway, was unaffected by mhtt expression. Caveolin-1 (cav1), the major structural protein of caveolae binds cholesterol and is responsible for its trafficking inside cells. Mhtt interacts with cav-1 and caused a striking accumulation of intracellular cholesterol. Cholesterol accumulated in cultured neurons expressing mhtt in vitro and in brains of mhtt-expressing animals in vivo, and was observed after induction of mhtt expression in PC-12 cell lines. The accumulation occurred only when mhtt and cav1 were simultaneously expressed in cells. Knockdown of cav1 in mhtt-expressing neurons blocked cholesterol accumulation and restored LacCer endocytosis. Thus, mhtt and cav1 functionally interact to cause both cellular defects. These data provide the first direct link between mhtt and caveolar-related endocytosis and also suggest a possible mechanism for HD neurotoxicity where cholesterol homeostasis is perturbed.

The expression of P-glycoprotein does influence the distribution of novel fluorescent compounds in solid tumour models

Solid tumours display a complex drug resistance phenotype that involves inherent and acquired mechanisms. Multicellular resistance is an inherent feature of solid tumours and is known to present significant barriers to drug permeation in tumours. Given this barrier, do acquired resistance mechanisms such as P-glycoprotein (P-gp) contribute significantly to resistance? To address this question, the multicellular tumour spheroid (MCTS) model was used to examine the influence of P-gp on drug distribution in solid tissue. Tumour spheroids (TS) were generated from either drug-sensitive MCF7WT cells or a drug-resistant, P-gp-expressing derivative MCF7Adr. Confocal microscopy was used to measure time courses and distribution patterns of three fluorescent compounds; calcein-AM, rhodamine123 and BODIPY-taxol. These compounds were chosen because they are all substrates for P-gp-mediated transport, exhibit high fluorescence and are chemically dissimilar. For example, BODIPY-taxol and rhodamine 123 showed high accumulation and distributed extensively throughout the TSWT, whereas calcein-AM accumulation was restricted to the outermost layers. The presence of P-gp in TSAdr resulted in negligible accumulation, regardless of the compound. Moreover, the inhibition of P-gp by nicardipine restored intracellular accumulation and distribution patterns to levels observed in TSWT. The results demonstrate the effectiveness of P-gp in modulating drug distribution in solid tumour models. However, the penetration of agents throughout the tissue is strongly determined by the physico-chemical properties of the individual compounds.