Characterization of the activity of nitrous oxide reductase: biochemical, spectroscopic and mimetic approaches

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Cytokine and nitric oxide production by mouse macrophages infected with brazilian flaviviruses

The Flaviviridae family, Flavivirus genus includes viruses that are transmitted to vertebrates by infected mosquitoes or ticks. The genus Flavivirus includes a variety of viruses that cause diseases such as acute febrile illness, encephalitis, and hemorrhagic fever. Flaviviruses primarily infect blood monocytes and tissue macrophages, which have been shown to be permissive, supporting viral replication and serving as virus reservoirs. On the other hand, these cells may have an important antiviral activity related to modulation by cytokine production and by the capacity of these cells to synthesize reactive free radicals such as nitric oxide (NO) which can have a microbicidal effect. The present study was performed in order to determine the production of cytokines interleukin-1beta (IL-1β), tumor necrosis factor -alpha (TNF-α), transforming growth factor- beta (TGF-β) and interferon -alpha (IFN-α) and NO by macrophages infected with one of four Brazilian flaviviruses, Bussuquara virus (BUSV), Yellow Fever virus (YFV), Rocio virus (ROCV) and Encephalitis Saint Louis virus (SLEV), and to verify the possible antiviral effect of NO during macrophage infection with ROCV. Moreover, we asked if the different viruses were able to regulate bacterial lipopolysaccharide (LPS) induced cytokine production. Our results showed that YFV and SLEV reduced the production of IL-1β and TGF-β by LPS-stimulated macrophages, while ROCV only diminished LPS-stimulated TGF-β synthesis. On the other hand, BUSV more likely favored an enhancement of the LPS-induced production of IL-1β by macrophages. Additionally, while most of the viruses stimulated the production of IFN-α, none of them altered the production of TNF-α by murine macrophages. Interestingly, all viruses induced synthesis of NO that was not correlated with antiviral activity for ROCV.

Induction of phagocytic activity and nitric-oxide production in natural populations of Trypanosoma Cruzi I and II from the state of Paraná, Brazil

Twelve strains of Trypanosoma cruzi isolated from wild reservoirs, triatomines, and chronic chagasic patients in the state of Paraná, southern Brazil, and classified as T. cruzi I and II, were used to test the correlation between genetic and biological diversity. The Phagocytic Index (PI) and nitric-oxide (NO) production in vitro were used as biological parameters. The PI of the T. cruzi I and II strains did not differ significantly, nor did the PI of the T. cruzi strains isolated from humans, triatomines, or wild reservoirs. There was a statistical difference in the inhibition of NO production between T. cruzi I and II and between parasites isolated from humans and the strains isolated from triatomines and wild reservoirs, but there was no correlation between genetics and biology when the strains were analyzed independently of the lineages or hosts from which the strains were isolated. There were significant correlations for Randomly Amplified Polymorphic Deoxyribonucleic acid (RAPD) and biological parameters for T. cruzi I and II, and for humans or wild reservoirs when the lineages or hosts were considered individually.

Vulvar Lichen Sclerosus: Efficacy of Photodynamic Therapy Under Conscious Sedation with Inhaled 50% Nitrous Oxide and Oxygen Mixture

Anogenital lichen sclerosus is a chronic, inflammatory, mucocutaneous disorder of significant morbidity. Common symptoms include pruritus, pain, dysuria, and dyspareunia, frequently of difficult control. Photodynamic therapy (PDT) may be an effective therapeutic option in selected cases refractory to first--‐line treatment options. However, procedure--‐related pain is a limiting factor in patient adherence to treatment. Conscious sedation and analgesia with a ready--‐to--‐use gas mixture of nitrous oxide and oxygen is useful in short--‐term procedures. It provides a rapid, effective, and short--‐lived effect, without the need for anesthesiology support. A 75--‐year--‐old woman presented with a highly symptomatic, histologically confirmed vulvar lichen sclerosus, with at least 15 years of evolution. Pain, pruritus, and dysuria were intense and disabling. Treatment with ultrapotent topical corticosteroids proved to be ineffective despite patient compliance. She was then referred for PDT. A total of 3 sessions were performed, held at a mean interval of 9 weeks, and under the analgesic and sedative effect of nitrous oxide/oxygen gas. Response to treatment was evaluated through a daily, self--‐reported pain rating scale. Dysuria remitted completely after the first PDT session. An 80% reduction in pruritus and pain was observed after the third session, and has been sustained for the past six months without further need for topical corticotherapy. Treatment sessions were well tolerated and pain-- free, with no side effects to report. PDT appears to be effective in the symptomatic treatment of vulvar lichen sclerosus. To the authors’ knowledge this is the first case reporting the use of inhaled nitrous oxide/oxygen gas mixture during PDT performed in the genital area. Its analgesic and sedative effects may increase patients’ adherence to this painful procedure. Furthermore, given its safety, it can be easily managed in outpatient clinics by trained dermatologists.

Analysis of the pathway of developing a national mental health plan for Suriname

ABSTRACT: The aim of this analysis was to analyze and describe the steps that have been taken in the development of the mental health policy in Suriname after the WHO AIMS. The objectives are: 1.To review the steps to be taken in developing a mental health policy and plan for a country 2.To gather information and data concerning mental health policy and plan development in Suriname 3.To draw conclusion from the experience gained that can be applied to other countries. In general, the information that was gathered from the four countries Guyana, Barbados, Trinidad & Tobago and Suriname, was compared with the WHO steps for developing a mental health policy and plan. Were these steps taken into consideration, when developing their mental health policy and plan? If not, what were the reasons why it did not happen? The checklist for evaluating a mental health plan was used in Suriname. This checklist assisted to see if the results of the recommendations given by the WHO AIMS to develop a effective and balanced mental health plan were taken into consideration. The mayor findings of the analysis are that Suriname as well as Guyana used the steps in developing their mental health policy and plan. Barbados and Trinidad & Tobago did not develop a mental health policy and plan. Suriname and Guyana have a mental health coordinating body at the Ministry of Health. Trinidad & Tobago as well as Barbados have a mental health focal person at the Ministry of Health of the respective countries. It can be concluded that successfully improving of health systems and services for mental health is combining theoretical concepts, expert knowledge and cooperation of many stakeholders. The appointment of a mental health coordinating unit at the Ministry of Health is crucial for the development of mental health in a country. Furthermore, mental health is everyone’s business and responsibility. Implementing the steps to be taken when developing a mental health policy and plan as recommended by WHO may be a slow process requiring the mobilization of political will. That’s why it is crucial that persons responsible for this process work close with all stakeholders in relevant sectors, taking their needs into consideration and try to translate that in clear objectives. It is common knowledge that improving the quality of mental health must be accompanied by the availability of financial and human resources. Finally, a mental health policy and plan should be one document tackling all aspects of mental health of a community.

New spectroscopic and electrochemical insights on a class I superoxide reductase: evidence for an intramolecular electron-transfer pathway

Biochem. J. (2011) 438,485–494 doi:10.1042/BJ20110836

Low-Spin Heme b3 in the Catalytic Center of Nitric Oxide Reductase from Pseudomonas nautica

Biochemistry, 2011, 50 (20), pp 4251–4262 DOI: 10.1021/bi101605p

The tetranuclear copper active site of nitrous oxide reductase: the CuZ center

J Biol Inorg Chem (2011) 16:183–194 DOI 10.1007/s00775-011-0753-3

A new CuZ active form in the catalytic reduction of N2O by nitrous oxide reductase from Pseudomonas nautica

J Biol Inorg Chem (2010) 15:967–976 DOI 10.1007/s00775-010-0658-6

Camelid nanobodies raised against an integral membrane enzyme, nitric oxide reductase

Protein Sci. 2009 Mar;18(3):619-28. doi: 10.1002/pro.69.

Electron transfer complex between nitrous oxide reductase and cytochrome c552 from Pseudomonas nautica: kinetic, nuclear magnetic resonance, and docking studies

Biochemistry. 2008 Oct 14;47(41):10852-62. doi: 10.1021/bi801375q

Activation of N2O reduction by the fully reduced micro4-sulfide bridged tetranuclear Cu Z cluster in nitrous oxide reductase

J. Am. Chem. Soc., 2003, 125 (51), pp 15708–15709 DOI: 10.1021/ja038344n

Conscious Sedation with Inhaled 50% Nitrous Oxide/Oxygen Premix in Photodynamic Therapy Sessions for Vulvar Lichen Sclerosus Treatment

Photodynamic therapy has been described as an effective therapeutic option in selected cases of anogenital lichen sclerosus that are refractory to first-line treatments. However, procedure-related pain is a limiting factor in patient adherence to treatment. The authors report the case of a 75-year-old woman with highly symptomatic vulvar lichen sclerosus, successfully treated with photodynamic therapy. An inhaled 50% nitrous oxide/oxygen premix was administered during sessions, producing a pain-relieving, anxiolytic, and sedative effect without loss of consciousness. This ready-to-use gas mixture may be a well-tolerated and accepted alternative to classical anesthetics in Photodynamic therapy, facilitating patients' adherence to illumination of pain-prone areas.

O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Development of copper and nickel based oxide thin-films: design and fabrication of thin-film transistors

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Nanotecnologia e Nanociência