New strategy to overcome the intrinsic difficulty of phospholipids solubilisation and delivery to the eye

Purpose: Lipids play a vital role at interfaces such as the tear film in the protection of the anterior eye. Their role is to act as lubricants and reduce surface and interfacial tension. Although there is a lack of appropriate methods to solubilize and dilute phospholipids to the tear film. Here, we report that styrene-maleic acid copolymers (PSMA), can form polymer–lipid complexes in the form of monodisperse nanometric particles, which can easily solubilise these phospholipid molecules by avoiding for example, the use of any kind of surfactant. Method: The interactions of PSMA with phospholipids have been studied by its adsorption from aqueous solutions into monolayers of dimyristoyl-phosphorylcholine (DMPC). The Langmuir trough (LT) technique is used to study this pH-dependant complex formation. The formed nanoparticles have been also analysed by 31P NMR, particle size distribution by light scattering (DLS) and morphology by electron microscopy (SEM). Results: The LT has been found to be a useful technique for in vitro simulation of in vivo lipid layer behaviour: The limiting surface pressure of unstable tear films ranges between 20 and 30 mN/m. More stable tear films show an increase in surface pressure, within the range of 35–45 mN/m. The DMPC monolayers have a limiting surface pressure of 38 mN/m (water), and 45 mN/m (pH 4 buffer), and the PSMA-DMPC complexes formed at pH 4 have a value of 42 mN/m, which resembles that of the stable tear film. The average particle size distribution is 53 ± 10 nm with a low polydispersity index (PDI) of 0.24 ± 0.03. Conclusions: New biocompatible and cheap lipid solubilising agents such as PSMA can be used for the study of the tear film composition and properties. These polymer–lipid complexes in the form of nanoparticles can be used to solubilise and release in a controlled way other hydrophobic molecules such as some drugs or proteins.

Toll-like receptor 4 signalling is neither sufficient nor required for oxidised phospholipids mediated induction of interleukin-8 expression

Toll-like receptor (TLR)-4 signalling has been shown to accelerate atherosclerosis. As oxidised phospholipids are present in atherosclerotic plaque and have been shown to modulate TLR4 signalling, we investigated the role of oxidised 1-palmitoyl-2-arachidonyl-sn-glycero-3-phosphorylcholine (OxPAPC) in the regulation of TLR 1, 2, 4 and 6 signalling. Unlike established TLR agonists, OxPAPC did not induce NF-?B-dependent gene expression in monocytic THP-1 cells, human aortic endothelial cells or TLR-deficient HEK-293 cells transfected with TLRs 1, 2, 4 or 6. OxPAPC induction of IL-8 was not blocked by the TLR4 specific antagonist Rhodobacter sphaeroides LPS in human aortic endothelial cells, though OxPAPC potently inhibited TLR4 mediated IL-8 induction in these cells. OxPAPC upregulated IL-8 production in TLR4 deficient HEK-293 cells and this was not increased following TLR4 overexpression. Lipids extracted from carotid atherectomy samples did not stimulate TLR 1, 2, 4 or 6 signalling in a HEK-293 transfection assay. TLR4 signalling does not contribute to OxPAPC induced IL-8 expression in human epithelial HEK-293, monocytic THP-1 or aortic endothelial cells. As lipids extracted from diseased human artery also induced no TLR signalling, it is likely that the TLR-activating materials contributing to atherosclerosis are not of endogenous lipid origin.

Multiparameter flow cytometric analysis of C -reactive protein binding to human-derived cell lines and peripheral blood monocytes

C-reactive protein (CRP), a normally occurring human plasma protein may become elevated as much as 1,000 fold during disease states involving acute inflammation or tissue damage. Through its binding to phosphorylcholine in the presence of calcium, CRP has been shown to potentiate the activation of complement, stimulate phagocytosis and opsonize certain microorganisms. Utilizing a flow cytometric functional ligand binding assay I have demonstrated that a monocyte population in human peripheral blood and specific human-derived myelomonocytic cell lines reproducibly bind an evolutionarily conserved conformational pentraxin epitope on human CRP through a mechanism that does not involve its ligand, phosphorylcholine. ^ A variety of cell lines at different stages of differentiation were examined. The monocytic cell line, THP-1, bound the most CRP followed by U937 and KG-1a cells. The HL-60 cell line was induced towards either the granulocyte or monocyte pathway with DMSO or PMA, respectively. Untreated HL-60 cells or DMSO-treated cells did not bind CRP while cells treated with PMA showed increased binding of CRP, similar to U-937 cells. T cell and B-cell derived lines were negative. ^ Inhibition studies with Limulin and human SAP demonstrated that the binding site is a conserved pentraxin epitope. The calcium requirement necessary for binding to occur indicated that the cells recognize a conformational form of CRP. Phosphorylcholine did not inhibit the reaction therefore the possibility that CRP had bound to damaged membranes with exposed PC sites was discounted. ^ A study of 81 normal donors using flow cytometry demonstrated that a majority of peripheral blood monocytes (67.9 ± 1.3, mean ± sem) bound CRP. The percentage of binding was normally distributed and not affected by gender, age or ethnicity. Whole blood obtained from donors representing a variety of disease states showed a significant reduction in the level of CRP bound by monocytes in those donors classified with infection, inflammation or cancer. This reduction in monocyte populations binding CRP did not correlate with the concentration of plasma CRP. ^ The ability of monocytes to specifically bind CRP combined with the binding reactivity of the protein itself to a variety of phosphorylcholine containing substances may represent an important bridge between innate and adaptive immunity. ^

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Acute phase proteins and biomarkers for health in chickens

Acute phase proteins (APPs) are proteins synthesised predominantly in the liver, whose plasma concentrations increase (positive APP) or decrease (negative APP) as a result of infection, inflammation, trauma and tissue injury. They also change as a result of the introduction of immunogens such as bacterial lipopolysaccharide (LPS), turpentine and vaccination. While publications on APPs in chickens are numerous, the limited availability of anti-sera and commercial ELISAs has resulted in a lot of information on only a few APPs. Disease is a threat to the poultry industry, as pathogens have the potential to evolve, spread and cause rapid onset of disease that is detrimental to the welfare of birds. Low level, sub-acute disease with non-specific, often undiagnosed causes can greatly affect bird health and growth and impact greatly on productivity and profitability. Developing and validating methods to measure and characterise APPs in chickens will allow these proteins to be used diagnostically for monitoring flock health. Using immune parameters such as APPs that correlate with disease resistance or improvements in production and welfare will allow the use of APPs as selection parameters for breeding to be evaluated. For APPs to be useful parameters on which to evaluate chicken health, information on normal APP concentrations is required. Ceruloplasmin (Cp) and PIT54 concentrations were found to be much lower in healthy birds form commercial production farms than the reported normal values obtained from the literature. These APPs were found to be significantly higher in culled birds from a commercial farm and Cp, PIT54 and ovotransferrin (Ovt) were significantly higher in birds classified as having obvious gait defects. Using quantitative shotgun proteomics to identify the differentially abundant proteins between three pools: highly acute phase (HAP), acute phase (AP) and non-acute phase (NAP), generated data from which a selection of proteins, based on the fold difference between the three pools was made. These proteins were targeted on a individual samples alongside proteins known to be APPs in chickens or other species: serum amyloid A (SAA), C-reactive protein (CRP), Ovt, apolipoprotein A-I (apo-AI), transthyretin (Ttn), haemopexin (Hpx) and PIT54. Together with immunoassay data for SAA, Ovt, alpha-1-acid glycoprotein (AGP) and Cp the results of this research reveal that SAA is the only major APP in chickens. Ovotransferrin and AGP behave as moderate APPs while PIT54 and Cp are minor APPs. Haemopexin was not significantly different between the three acute phase groups. Apolipoprotein AI and Ttn were significantly lower in the HAP and AP groups and as such can be classed as negative APPs. In an effort to identify CRP, multiple anti-sera cross reacting with CRP from other species were used and a phosphorylcholine column known to affinity purify CRP were used. Enriched fractions containing low molecular weight proteins, elutions from the affinity column together with HAP, AP and NAP pooled samples were applied to a Q-Exactive Hybrid Quadrupole–Orbitrap mass spectrometer (Thermo Scientific) for Shotgun analysis and CRP was not identified. It would appear that CRP is not present as a plasma protein constitutively or during an APR in chickens and as such is not an APP in this species. Of the proteins targeted as possible novel biomarkers of the APR in chickens mannan binding lectin associated serine protease-2, α-2-HS-glycoprotein (fetuin) and major facilitator superfamily domain-containing protein 10 were reduced in abundance in the HAP group, behaving as negative biomarkers. Myeloid protein and putative ISG(12)2 were positively associated with the acute phase being significantly higher in the HAP and AP groups. The protein cathepsin D was significantly higher in both HAP and AP compared to the NAP indicating that of all the proteins targeted, this appears to have the most potential as a biomarker of the acute phase, as it was significantly increased in the AP as well as the HAP group. To evaluate APPs and investigate biomarkers of intestinal health, a study using re-used poultry litter was undertaken. The introduction of litter at 12 days of age did not significantly increase any APPs measured using immunoassays and quantitative proteomics at 3, 6 and 10 days post introduction. While no APP was found to be significantly different between the challenged and control groups at anytime point, the APPs AGP, SAA and Hpx did increase over time in all birds. The protein apolipoprotein AIV (apo-AIV) was targeted as a possible APP and because of its reported role in controlling satiety. An ELISA was developed, successfully validated and used to measure apo-AIV in this study. While no significant differences in apo-AIV plasma concentrations between challenged and control groups were identified apo-AIV plasma concentrations did change significantly between certain time points in challenged and control groups. Apoliporotein AIV does not appear to behave as an APP in chickens, as it was not significantly different between acute phase groups. The actin associated proteins villin and gelsolin were investigated as possible biomarkers of intestinal health. Villin was found not to be present in the plasma of chickens and as such not a biomarker target. Gelsolin was found not to be differentially expressed during the acute phase or as a result of intestinal challenge. Finally a proteomic approach was undertaken to investigate gastrocnemius tendon (GT) rupture in broiler chickens with a view of elucidating to and identify proteins associated with risk of rupture. A number of proteins were found to be differentially expressed between tendon pools and further work would enable further detailing of these findings. In conclusion this work has made a number of novel findings and addressed a number of data poor areas. The area of chicken APPs research has stagnated over the last 15 years with publications becoming repetitive and reliant on a small number of immunoassays. This work has sought to characterise the classic APPs in chickens, and use a quantitative proteomic approach to measure and categorise them. This method was also used to take a fresh approach to biomarker identification for both the APR and intestinal health. The development and validation of assays for Ovt and apo-AIV and the shotgun data mean that these proteins can be further characterised in chickens with a view of applying their measurement to diagnostics and selective breeding programs.

A THEORETICAL STUDY OF INTERACTION OF NANOPARTICLES WITH BIOMOLECULE

Many types of materials at nanoscale are currently being used in everyday life. The production and use of such products based on engineered nanomaterials have raised concerns of the possible risks and hazards associated with these nanomaterials. In order to evaluate and gain a better understanding of their effects on living organisms, we have performed first-principles quantum mechanical calculations and molecular dynamics simulations. Specifically, we will investigate the interaction of nanomaterials including semiconducting quantum dots and metallic nanoparticles with various biological molecules, such as dopamine, DNA nucleobases and lipid membranes. Firstly, interactions of semiconducting CdSe/CdS quantum dots (QDs) with the dopamine and the DNA nucleobase molecules are investigated using similar quantum mechanical approach to the one used for the metallic nanoparticles. A variety of interaction sites are explored. Our results show that small-sized Cd4Se4 and Cd4S4 QDs interact strongly with the DNA nucleobase if a DNA nucleobase has the amide or hydroxyl chemical group. These results indicate that these QDs are suitable for detecting subcellular structures, as also reported by experiments. The next two chapters describe a preparation required for the simulation of nanoparticles interacting with membranes leading to accurate structure models for the membranes. We develop a method for the molecular crystalline structure prediction of 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphorylcholine (DMPC), 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphorylethanolamine (DMPE) and cyclic di-amino acid peptide using first-principles methods. Since an accurate determination of the structure of an organic crystal is usually an extremely difficult task due to availability of the large number of its conformers, we propose a new computational scheme by applying knowledge of symmetry, structural chemistry and chemical bonding to reduce the sampling size of the conformation space. The interaction of metal nanoparticles with cell membranes is finally carried out by molecular dynamics simulations, and the results are reported in the last chapter. A new force field is developed which accurately describes the interaction forces between the clusters representing small-sized metal nanoparticles and the lipid bilayer molecules. The permeation of nanoparticles into the cell membrane is analyzed together with the RMSD values of the membrane modeled by a lipid bilayer. The simulation results suggest that the AgNPs could cause the same amount of deformation as the AuNPs for the dysfunction of the membrane.