Proteasome inhibitor (MG132) rescues Nav1.5 protein content and the cardiac sodium current in dystrophin-deficient mdx (5cv) mice

The cardiac voltage-gated sodium channel, Nav1.5, plays a central role in cardiac excitability and impulse propagation and associates with the dystrophin multiprotein complex at the lateral membrane of cardiomyocytes. It was previously shown that Nav1.5 protein content and the sodium current (l Na) were both decreased in cardiomyocytes of dystrophin-deficient mdx (5cv) mice. In this study, wild-type and mdx (5cv) mice were treated for 7 days with the proteasome inhibitor MG132 (10 μg/Kg/24 h) using implanted osmotic mini pumps. MG132 rescued both the total amount of Nav1.5 protein and l Na but, unlike in previous studies, de novo expression of dystrophin was not observed in skeletal or cardiac muscle. This study suggests that the reduced expression of Nav1.5 in dystrophin-deficient cells is dependent on proteasomal degradation.

Rescue of dystrophin expression in mdx mouse muscle by RNA/DNA oligonucleotides

Chimeric RNA/DNA oligonucleotides (“chimeraplasts”) have been shown to induce single base alterations in genomic DNA both in vitro and in vivo. The mdx mouse strain has a point mutation in the dystrophin gene, the consequence of which is a muscular dystrophy resulting from deficiency of the dystrophin protein in skeletal muscle. To test the feasibility of chimeraplast-mediated gene therapy for muscular dystrophies, we used a chimeraplast (designated “MDX1”) designed to correct the point mutation in the dystrophin gene in mdx mice. After direct injection of MDX1 into muscles of mdx mice, immunohistochemical analysis revealed dystrophin-positive fibers clustered around the injection site. Two weeks after single injections into tibialis anterior muscles, the maximum number of dystrophin-positive fibers (approximately 30) in any muscle represented 1–2% of the total number of fibers in that muscle. Ten weeks after single injections, the range of the number of dystrophin-positive fibers was similar to that seen after 2 wk, suggesting that the expression was stable, as would be predicted for a gene-conversion event. Staining with exon-specific antibodies showed that none of these were “revertant fibers.” Furthermore, dystrophin from MDX1-injected muscles was full length by immunoblot analysis. No dystrophin was detectable by immunohistochemical or immunoblot analysis after control chimeraplast injections. Finally, reverse transcription–PCR analysis demonstrated the presence of transcripts with the wild-type dystrophin sequence only in mdx muscles injected with MDX1 chimeraplasts. These results provide the foundation for further studies of chimeraplast-mediated gene therapy as a therapeutic approach to muscular dystrophies and other genetic disorders of muscle.

Functional protection of dystrophic mouse (mdx) muscles after adenovirus-mediated transfer of a dystrophin minigene.

Fast skeletal muscles of mdx (X chromosome-linked muscular dystrophy) mice were injected after birth with a recombinant adenovirus containing a minidys- trophin gene, a 6.3-kbp cDNA coding for the N- and C-terminal ends of dystrophin. Adult muscles were challenged by forced lengthening during tetanic contractions. Stretch-induced mechanical and histological damages were much reduced in injected muscles, in direct proportion of the Miniber of fibers expressing minidystrophin. Damaged fibers were preferentially found among minidystrophin-negative regions. Minidystrostrophin confers an important functional and structural protection of limb muscles against high mechanical stress, even after a partial somatic gene transfer.

Validation of 3D models of the outer and inner surfaces of an ovine femur

The validation of Computed Tomography (CT) based 3D models takes an integral part in studies involving 3D models of bones. This is of particular importance when such models are used for Finite Element studies. The validation of 3D models typically involves the generation of a reference model representing the bones outer surface. Several different devices have been utilised for digitising a bone’s outer surface such as mechanical 3D digitising arms, mechanical 3D contact scanners, electro-magnetic tracking devices and 3D laser scanners. However, none of these devices is capable of digitising a bone’s internal surfaces, such as the medullary canal of a long bone. Therefore, this study investigated the use of a 3D contact scanner, in conjunction with a microCT scanner, for generating a reference standard for validating the internal and external surfaces of a CT based 3D model of an ovine femur. One fresh ovine limb was scanned using a clinical CT scanner (Phillips, Brilliance 64) with a pixel size of 0.4 mm2 and slice spacing of 0.5 mm. Then the limb was dissected to obtain the soft tissue free bone while care was taken to protect the bone’s surface. A desktop mechanical 3D contact scanner (Roland DG Corporation, MDX 20, Japan) was used to digitise the surface of the denuded bone. The scanner was used with the resolution of 0.3 × 0.3 × 0.025 mm. The digitised surfaces were reconstructed into a 3D model using reverse engineering techniques in Rapidform (Inus Technology, Korea). After digitisation, the distal and proximal parts of the bone were removed such that the shaft could be scanned with a microCT (µCT40, Scanco Medical, Switzerland) scanner. The shaft, with the bone marrow removed, was immersed in water and scanned with a voxel size of 0.03 mm3. The bone contours were extracted from the image data utilising the Canny edge filter in Matlab (The Mathswork).. The extracted bone contours were reconstructed into 3D models using Amira 5.1 (Visage Imaging, Germany). The 3D models of the bone’s outer surface reconstructed from CT and microCT data were compared against the 3D model generated using the contact scanner. The 3D model of the inner canal reconstructed from the microCT data was compared against the 3D models reconstructed from the clinical CT scanner data. The disparity between the surface geometries of two models was calculated in Rapidform and recorded as average distance with standard deviation. The comparison of the 3D model of the whole bone generated from the clinical CT data with the reference model generated a mean error of 0.19±0.16 mm while the shaft was more accurate(0.08±0.06 mm) than the proximal (0.26±0.18 mm) and distal (0.22±0.16 mm) parts. The comparison between the outer 3D model generated from the microCT data and the contact scanner model generated a mean error of 0.10±0.03 mm indicating that the microCT generated models are sufficiently accurate for validation of 3D models generated from other methods. The comparison of the inner models generated from microCT data with that of clinical CT data generated an error of 0.09±0.07 mm Utilising a mechanical contact scanner in conjunction with a microCT scanner enabled to validate the outer surface of a CT based 3D model of an ovine femur as well as the surface of the model’s medullary canal.

Three dimensional digitisation of plant leaves

Realistic plant models are important for leaf area and plant volume estimation, reconstruction of growth canopies, structure generation of the plant, reconstruction of leaf surfaces and agrichemical spray droplet modelling. This article investigates several different scanning devices for obtaining a three dimensional digitisation of plant leaves with a point cloud resolution of 200-500μm. The devices tested were a Roland mdx-20, Microsoft Kinect, Roland lpx-250, Picoscan and Artec S. The applicability of each of these devices for scanning plant leaves is discussed. The most suitable tested digitisation device for scanning plant leaves is the Artec S scanner.

Socialising young literacy learners into a discourse of failure: Dominant discourses in literacy teaching and assessment and their impact on the progression of young literacy learners into employment

This paper argues that contemporary literacy programmes are a mismatch for the expectations of both the government and employers as well as the goals of learners. It submits that the dominant discourses in literacy provision have led to the emergence of a learning culture which not only fails the learners but is also incapable of meeting the aspirations of both the government and employers. To support this argument, the paper reports a small scale research project that analyses the perceptions of learners, teachers and employers who were involved in a work placement scheme for young literacy learners in a college of further education. Data for the study were collected through focus group and face to face interviews and analysed using the framework of discourse analysis provided by Gill (2000) with findings codified and analysed thematically. The study found that teachers were aware that their learners were not adequately prepared for the world of work because of the demands of the dominant discourses of quality and performance measurement which were most obviously manifested in their assessment, teaching methods and the attitudes of learners. It found that employers perceive young learners as inadequate in terms of the workplace expectations. Learners in the study revealed that their workplace culture and expectations were totally different from the culture to which they had been socialised in their studies. The study concludes that unless the dominance of these discourses is ameliorated, young literacy learners will continue to be socialised into a discourse of failure.

The Role of Membrane Lipid Composition on Skeletal Muscle Damage in the Rodent Model of Duchenne Muscular Dystrophy

Duchenne muscular dystrophy is a X-linked muscle disease, which leads to alterations in membrane phospholipid fatty acid (FA) composition and skeletal muscle damage. Increased membrane saturated FA in muscular dystrophy may suggest its association with increased susceptibility (as being the cause or consequence) to muscle damage. It was hypothesised that increased saturation is positively correlated to increased muscle damage. Correlations were hypothesized to be greater in extensor digitorum longus (EDL) at 20 weeks compared to soleus (SOL) at 10 weeks in dystrophin deficient (mdx) mice. Increased saturation was correlated to damage in EDL at both 10 and 20 weeks, with stronger correlations at 10 weeks. The results suggest that membrane PL FA composition may be associated with damage through two possible means. Increased saturation may be a cause or consequence of membrane damage. Association of membrane composition with eccentric induced damage has underscored the importance of saturated PL FA compositions in damage to dystrophic myofibres.

Vulnérabilité cardiaque au stress au cours du remodelage ventriculaire pathologique : rôle de la mitochondrie et du pore de perméabilité transitionnelle (PTP)

L’objectif central de cette thèse de Doctorat était d’investiguer les dysfonctions mitochondriales qui surviennent précocement au cours de la phase compensée du remodelage ventriculaire pathologique et qui pourraient jouer un rôle causal dans la progression vers l’insuffisance cardiaque. Nos travaux antérieurs, réalisés à l’aide d’un modèle de surcharge volumique chronique induite par une fistule aorto-cavale (ACF) chez le Rat WKHA, ont montré qu’au cours du remodelage ventriculaire, les mitochondries développaient une vulnérabilité à l’ouverture du pore de perméabilité transitionnelle (PTP : un élément clé de la signalisation de la mort cellulaire) [1]. Ceci était observable au stade compensé du remodelage en absence des dysfonctions mitochondriales majeures typiquement observées dans le cœur insuffisant. Ces résultats nous ont amenés à suggérer que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP pourrait constituer un mécanisme précoce favorisant la progression de la cardiopathie. Dans l’étude 1 de cette thèse, nous avons tenté de tester cette hypothèse en induisant une ACF chez deux souches de rats affichant de très nettes différences au niveau de la propension à développer l’insuffisance cardiaque : les souches WKHA et Sprague Dawley (SD). Nos études in vitro sur organelles isolées et in situ sur l’organe entier ont permis de confirmer que, dans le cœur ACF, les mitochondries développent une vulnérabilité à l’ouverture du PTP et à l’activation de la voie mitochondriale de la mort cellulaire lorsqu’exposées à des stress pertinents à la pathologie (surcharge calcique, ischémie-reperfusion [I-R]). Cependant, bien que comparativement aux animaux WKHA, les animaux SD démontraient un remodelage ventriculaire plus rapide et prononcé et une progression précoce vers l’insuffisance cardiaque, aucune différence n’était observable entre les deux groupes au niveau des dysfonctions mitochondriales, suggérant quelles ne sont pas à l’origine de la progression plus rapide de la pathologie chez la souche SD, à tout le moins en réponse à la surcharge volumique. Nous avons par la suite déterminé, à l’aide des mêmes approches expérimentales, si cette vulnérabilité mitochondriale était observable dans une cardiopathie d’étiologie différente, plus spécifiquement celle qui est associée à la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), une maladie génétique causée par une mutation de la protéine dystrophine. Nos études menées (études 2-4) sur de jeunes souris mdx (le modèle murin de la DMD) exemptes de tout signe clinique de cardiopathie n’ont révélé aucune différence au niveau des fonctions mitochondriales de base. Cependant, tout comme dans le modèle d’ACF, les mitochondries dans le cœur de souris mdx étaient significativement plus vulnérables à l’ouverture du PTP lorsque soumises à une I-R (étude 2). Par ailleurs, nous avons démontré que l’administration aiguë de sildénafil aux souris mdx induisait une abolition de l’ouverture du PTP et de ses conséquences signalétiques, une diminution marquée du dommage tissulaire et une meilleure récupération fonctionnelle à la suite de l’I-R (étude 3). Nous avons ensuite testé chez la souris mdx l’administration aiguë de SS31, un peptide anti-oxydant ciblé aux mitochondries, cependant aucun effet protecteur n’a été observé, suggérant que le tamponnement des radicaux libres est d’une utilité limitée si les perturbations de l’homéostasie calcique typiques à cette pathologie ne sont pas traitées simultanément (étude 4). Globalement, les travaux effectués au cours de cette thèse démontrent que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP constitue une dysfonction précoce et commune qui survient au cours de remodelages ventriculaires pathologiques d’étiologies différentes. Par ailleurs, ces travaux suggèrent des stratégies d’intervention pharmacologiques ciblant ce processus, dont l’efficacité pour la prévention de l’insuffisance cardiaque demande à être établie.

Nouvelle approche pour modifier le tropisme des vecteurs adénoviraux à l’aide de ligands bispécifiques

L’adénovirus a été étudié dans l’optique de développer de nouveaux traitements pour différentes maladies. Les vecteurs adénoviraux (AdV) sont des outils intéressants du fait qu’ils peuvent être produits en grandes quantités (1X1012 particules par millilitre) et de par leur capacité à infecter des cellules quiescentes ou en division rapide. Les AdVs ont subi bon nombre de modifications pour leur permettre de traiter des cellules tumorales ou pour transporter des séquences génétiques exogènes essentielles pour le traitement de maladies monogéniques. Toutefois, les faibles niveaux d’expression du récepteur primaire de l’adénovirus, le CAR (récepteur à l’adénovirus et au virus coxsackie), réduit grandement l’efficacité de transduction dans plusieurs tumeurs. De plus, certains tissus normaux comme les muscles n’expriment que très peu de CAR, rendant l’utilisation des AdVs moins significative. Pour pallier à cette limitation, plusieurs modifications ont été générées sur les capsides virales. L’objectif de ces modifications était d’augmenter l’affinité des AdVs pour des récepteurs cellulaires spécifiques surexprimés dans les tumeurs et qui seraient exempts dans les tissus sains avoisinant. On peut mentionner dans les approches étudiées: l’utilisation de ligands bispécifiques, l’incorporation de peptides dans différentes régions de la fibre ou la substitution par une fibre de sérotypes différents. Notre hypothèse était que les domaines d’interaction complémentaire (K-Coil et ECoil) permettraient aux ligands de s’associer aux particules virales et d’altérer le tropisme de l’AdV. Pour ce faire, nous avons inclus un domaine d’interaction synthétique, le K-Coil,dans différentes régions de la fibre virale en plus de générer des mutations spécifiques pour abolir le tropisme naturel. Pour permettre la liaison avec les récepteurs d’intérêt dont l’EGF-R, l’IGF-IR et le CEA6, nous avons fusionné le domaine d’interaction complémentaire, le E-Coil, soit dans les ligands des récepteurs ciblés dont l’EGF et l’IGF-I, soit sur un anticorps à un seul domaine reconnaissant la protéine membranaire CEA6, l’AFAI. Suite à la construction des différents ligands de même que des différentes fibres virales modifiées, nous avons determiné tout d’abord que les différents ligands de même que les virus modifiés pouvaient être produits et que les différentes composantes pouvaient interagir ensemble. Les productions virales ont été optimisées par l’utilisation d’un nouveau protocole utilisant l’iodixanol. Ensuite, nous avons démontré que l’association des ligands avec le virus arborant une fibre modifiée pouvait entraîner une augmentation de transduction de 2 à 21 fois dans différentes lignées cellulaires. À cause de la difficulté des adénovirus à infecter les fibres musculaires occasionnée par l’absence du CAR, nous avons cherché à savoir si le changement de tropisme pourrait accroître l’infectivité des AdVs. Nous avons démontré que l’association avec le ligand bispécifique IGF-E5 permettait d’accroître la transduction autant dans les myoblastes que dans les myotubes de souris. Nous avons finalement réussi à démontrer que notre système pouvait induire une augmentation de 1,6 fois de la transduction suite à l’infection des muscles de souriceaux MDX. Ces résultats nous amènent à la conclusion que le système est fonctionnel et qu’il pourrait être évalué dans des AdVs encodant pour différents gènes thérapeutiques.

Optimisation du vecteur adénoviral pour la thérapie génique de la dystrophie musculaire de Duchenne

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une maladie très sévère, progressive et sans traitement vraiment efficace. Elle est caractérisée par l’absence fonctionnelle de la dystrophine, une protéine essentielle au maintien des muscles squelettiques. La thérapie génique est actuellement envisagée comme approche thérapeutique pour livrer la dystrophine dans les muscles. Les vecteurs adénoviraux de troisième génération (Helper-dependent adenoviral vector, HD) sont des véhicules de transfert génique très prometteurs pour traiter la DMD. Puisque les gènes adénoviraux ont été enlevés complètement du HD, ils sont peu toxiques, faiblement immunogéniques et ils possèdent un espace cargo suffisant pour transporter l’ADN codant complet de la dystrophine. Bien que le HD puisse fournir la dystrophine de façon thérapeutique chez des souris dystrophiques (mdx), l’expression du gène thérapeutique est progressivement perdue plusieurs mois suivant l’injection intramusculaire. Deux stratégies innovantes furent explorées dans cette thèse dans le but de stabiliser l’expression de la dystrophine. La première stratégie vise à l’intégration de l’ADN du HD dans les chromosomes cellulaires, ce qui pourrait le protéger contre son élimination progressive des muscles. Une intégrase site-spécifique issue du phage ΦC31 a été utilisée pour catalyser l’intégration d’un HD transportant un marqueur de sélection. Dans les cellules humaines et les myoblastes murins, l’activité de l’intégrase a été évaluée d’après son efficacité d’intégration (après sélection) et sa spécificité (dans les clones résistants). L’efficacité atteint jusqu’à 0,5 % par cellule et jusqu’à 76 % des événements d’intégration ont été réalisés de façon site-spécifique. Bien que des délétions aient été trouvées aux extrémités du vecteur, 70 % des clones analysés montraient une seule copie du vecteur intégré (le nombre attendu). Seulement une petite augmentation du nombre de brisures double-brin a été mesurée dans les myoblastes exprimant l’intégrase. En conclusion, l’intégration du HD est relativement efficace, spécifique et sécuritaire. Cette méthode est très prometteuse, car la dystrophine peut être livrée dans le muscle avec l’aide du HD et l’intégration de l’ADN du HD pourrait stabiliser son expression in vivo. La deuxième stratégie implique l’utilisation d’un nouveau promoteur musculospécifique (ΔUSEx3) pour réduire la toxicité induite liée à une expression trop étendue de la dystrophine. Dans cette étude, nous avons investigué l’effet du contexte viral sur l’activité du promoteur. Un HD et un vecteur lentiviral (LV) ont été construits avec le promoteur ΔUSEx3 pour contrôler l’expression d’un gène rapporteur. Les résultats démontrent que ΔUSEx3 confère une expression puissante, musculospécifique et stable (via le LV) in vitro. L’injection intramusculaire du HD a conduit à une expression puissante du transgène. Ces résultats contrastent avec ceux du LV, car après l’injection de ce dernier, l’expression était faible. La livraison du HD dans le muscle, mais aussi dans plusieurs organes démontre la musculospécificité de ΔUSEx3. Par conséquent, le contexte du vecteur et l’environnement musculaire modulent tous les deux l’activité de ΔUSEx3. Bien que ΔUSEx3 soit musculospécifique, d’autres études sont requises pour déterminer si le promoteur peut stabiliser l’expression de la dystrophine in vivo.

Cell-penetrating peptide-morpholino conjugates alter pre-mRNA splicing of DMD (Duchenne muscular dystrophy) and inhibit murine coronavirus replication in vivo

The cellular uptake of PMOs (phosphorodiamidate morpholino oligomers) can be enhanced by their conjugation to arginine-rich CPPs (cell-penetrating peptides). Here, we discuss our recent findings regarding (R-Ahx-R)(4)AhxB (Ahx is 6-aminohexanoic acid and B is beta-alanine) CPP-PMO conjugates in DMD (Duchenne muscular dystrophy) and murine coronavirus research. An (R-Ahx-R)(4)AhxB-PMO conjugate was the most effective compound in inducing the correction of mutant dystrophin transcripts in myoblasts derived from a canine model of DMD. Similarly, normal levels of dystrophin expression were restored in the diaphragms of mdx mice, with treatment starting at the neonatal stage, and protein was still detecTable 22 weeks after the last dose of an (R-Ahx-R)(4)AhxB-PMO conjugate. Effects of length, linkage and carbohydrate modification of this CPP on the delivery of a PMO were investigated in a coronavirus mouse model. An (R-Ahx-R)(4)AhxB-PMO conjugate effectively inhibited viral replication, in comparison with other peptides conjugated to the same PMO. Shortening the CPP length, modifying it with a mannosylated serine moiety or replacing it with the R(9)F(2) CPP significantly decreased the efficacy of the resulting PPMO (CPP-PMO conjugate). We attribute the success of this CPP to its stability in serum and its capacity to transport PMO to RNA targets in a manner superior to that of poly-arginine CPPs.

Blockade of ActRIIB signaling triggers muscle fatigability and metabolic myopathy

Myostatin regulates skeletal muscle size via the activin receptor IIB (ActRIIB). However, its effect on muscle energy metabolism and energy dependent muscle function remains largely unexplored. This question needs to be solved urgently since various therapies for neuromuscular diseases based on blockade of ActRIIB signaling are being developed. Here we show in mice that four months of pharmacological abrogation of ActRIIB signaling by treatment with soluble ActRIIB-Fc triggers extreme muscle fatigability. This is associated with elevated serum lactate levels and a severe metabolic myopathy in the mdx mouse, an animal model of Duchenne muscular dystrophy. Blockade of ActRIIB signaling down-regulates Porin, a crucial ADP/ATP shuttle between cytosol and mitochondrial matrix leading to a consecutive deficiency of oxidative phosphorylation as measured by in vivo Phophorus Magnetic Resonance Spectroscopy (31P-MRS). Further, ActRIIB blockade reduces muscle capillarization, which further compounds the metabolic stress. We show that ActRIIB regulates key determinants of muscle metabolism, such as Pparβ, Pgc1α, and Pdk4 thereby optimizing different components of muscle energy metabolism. In conclusion, ActRIIB signaling endows skeletal muscle with high oxidative capacity and low fatigability. The severe metabolic side effects following ActRIIB blockade caution against deploying this strategy, at least in isolation, for treatment of neuromuscular disorders.

A dystrophin-immunoreactive protein in mammalian brain.

Dystrophin is expressed only in muscle and brain, but is absent from all tissues of the adult mdx mouse, a mutant with a single base substitution in the dystrophin gene. The brains of both normal and mdx mice contain a protein of approximately 230 kDa that is recognised by anti-dystrophin antibodies raised to the N-terminal region of the rod-like domain. Although the N-terminal and central rod regions of dystrophin share structural homologies with spectrin, the 230-kDa protein represents neither of the presently described forms of brain spectrin by a variety of criteria (molecular weight, cerebellar localisation, and developmental regulation) and is distinct from the product of the dystrophin gene. Studies of mdx and normal mouse brain show different postnatal developmental regulation of the 230-kDa dystrophin-immunoreactive protein.