Développement d’une nouvelle méthode d’analyse multi-résidus par LDTD/APCI-MS/MS pour la quantification de pesticides et de produits pharmaceutiques dans les eaux usées

Une nouvelle méthode d'extraction en phase solide (SPE) couplée à une technique d'analyse ultrarapide a été développée pour la détermination simultanée de neuf contaminants émergents (l'atrazine, le déséthylatrazine, le 17(béta)-estradiol, l'éthynylestradiol, la noréthindrone, la caféine, la carbamazépine, le diclofénac et le sulfaméthoxazole) provenant de différentes classes thérapeutiques et présents dans les eaux usées. La pré-concentration et la purification des échantillons a été réalisée avec une cartouche SPE en mode mixte (Strata ABW) ayant à la fois des propriétés échangeuses de cations et d'anions suivie d'une analyse par une désorption thermique par diode laser/ionisation chimique à pression atmosphérique couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LDTD-APCI-MS/MS). La LDTD est une nouvelle méthode d'introduction d'échantillon qui réduit le temps total d'analyse à moins de 15 secondes par rapport à plusieurs minutes avec la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem traditionnelle (LC-MS/MS). Plusieurs paramètres SPE ont été évalués dans le but d'optimiser l'efficacité de récupération lors de l'extraction des analytes provenant des eaux usées, tels que la nature de la phase stationnaire, le débit de chargement, le pH d'extraction, le volume et la composition de la solution de lavage et le volume de l'échantillon initial. Cette nouvelle méthode a été appliquée avec succès à de vrais échantillons d'eaux usées provenant d'un réservoir de décantation primaire. Le recouvrement des composés ciblés provenant des eaux usées a été de 78 à 106%, la limite de détection a été de 30 à 122 ng L-1, alors que la limite de quantification a été de 88 à 370 ng L-1. Les courbes d'étalonnage dans les matrices d'eaux usées ont montré une bonne linéarité (R2 > 0,991) pour les analytes cibles ainsi qu’une précision avec un coefficient de variance inférieure à 15%.

The involvement of nitric oxide in bovine follicular development and ovulation

Comprendre les événements paracriniens qui régulent la fertilité chez la vache est nécessaire non seulement en raison de l'importance agricole de cette espèce, mais aussi pour son utilisation potentielle comme modèle chez l’humain. L'oxyde nitrique (NO), un gaz de radicaux libres, a été impliqué dans la croissance folliculaire et l'ovulation chez les rongeurs et d'autres espèces, mais chez la vache c’est une énigme fascinante : le NO est produit par les cellules de la granulosa bovine et est régulé par la FSH, mais la présence et le profil d'expression des enzymes responsables de la synthèse de NO (NOS) dans les cellules de la granulosa tout au long de la croissance folliculaire ne sont pas claires. Les objectifs de cette thèse sont: (1) élucider le mécanisme de contrôle des NOS et les conséquences de la production d'oxyde nitrique pour le fonctionnement des cellules de la granulosa au cours du développement folliculaire chez la vache et (2) déterminer la régulation des NOS pendant la cascade ovulatoire induite par LH chez les cellules de la granulosa bovine et si l'activité des NOS pour l’expression des gènes critiques dans la cascade ovulatoire chez cette espèce. Les résultats sont séparés en 2 articles. Dans le premier article, la régulation de NOS2 dans les cellules de la granulosa bovine a été explorée. L'abondance des ARNm codant pour NOS2 a été stimulée par la FSH et l’IGF1 en augmentant l’estradiol, et un blocage de l'action de l’estradiol a conséquemment réduit les niveaux d'ARNm codant pour NOS2. De plus, l'inhibition de l'activité des NOS a augmenté l'apoptose dans les cellules de la granulosa in vitro. Dans le second article, il a été démontré que le pic de LH induit une activation des NOS dans les cellules de la granulosa, et que l'activité de NOS induit la production de NO, ce qui est essentiel pour l’expression des gènes critiques dans la cascade ovulatoire induite par LH comme EREG/AREG/PTGS2. Ensemble, les résultats présentés dans ces 2 articles suggèrent que les niveaux physiologiques d'activité des NOS peuvent contribuer à la croissance et la survie des cellules de la granulosa et indiquent également que NO peut être essentiel pour l'ovulation chez les bovins.

La régulation du gène CYP19A1 dans les cellules de granulosa bovine in vitro

L’oestradiol joue un rôle important dans la reproduction en général, particulièrement dans la croissance folliculaire chez la vache. La production de l’œstradiol nécessite l’expression du gène CYP19A1 suite à la stimulation des cellules de granulosa par l’hormone folliculostimulante (FSH) ou le facteur de croissance insulinique de type 1 (IGF-1). Chez la vache, il existe six promoteurs (1.1 ; 1.2 ; 1.3 ; 1.4 ; 1.5 et 2) qui dirigent la transcription du gène CYP19A1 dans les cellules de la granulosa. Le principal promoteur qui dirige la transcription au niveau de l’ovaire (cellules de granulosa) est le promoteur 2 (P2). Cependant, l’effet de la FSH et de l’IGF-1 sur l’activation de ces promoteurs d’aromatase demeure mal connu. De plus, la demi-vie du transcrit CYP19A1 est très courte avec une région 3’UTR relativement longue. L’analyse de la séquence 3’UTR montre la présence des motifs ARE (séquence riche en AU), des études antérieur montrent que ces séquences impliquent dans la régulation de la stabilité ou la dégradation de l’ARNm, ce qui est fort probable que la courte demi-vie de l’ARNm CYP19A1 est sous le contrôle post-transcriptionel. L’objectif de la thèse visait à étudier la régulation de l’expression du gène CYP19A1 chez la vache. Il y a deux thèmes soit étude de la régulation transcriptionnelle ciblant le promoteur et soit étude de la régulation post-transcriptionnelle impliquant la région 3’non traduite (3’UTR). Le premier objectif vise à étudier la régulation transcriptionnelle du gène CYP19A1. Nous avons étudié l'activité du promoteur ovarien bovin dans deux modèles de cellules de la granulosa, les cellules lutéinisées et nonlutéinisées in vitro, suite à une stimulation des cellules par la FSH ou IGF-1. Nous avons également évalué la voie de signalisation impliquée dans la régulation des différents promoteurs en utilisant un RT-PCR et un gène rapporteur (les différents promoteurs d’aromatase ont été insérés dans le vecteur pGL3promoter en amont du gène exprimant la luciférase). Les résultats de RT-PCR démontrent que la FSH et l’IGF-1 augmentent les concentrations d’ARNm provenant des deux promoteurs 2 et 1.1 dans les cellules de la granulosa non lutéinisées. Des expériences subséquentes ont montré que la FSH stimule le promoteur 2 via la voie PKA tandis que l'IGF-1 stimule le promoteur 2 via la voie PKC. La FSH et l’IGF-1 stimulent l’expression du promoteur 1.1 via la voie PI3K. L’analyse de l’activité luciférase démontre que dans les cellules de granulosa lutéinisées, la FSH stimule le promoteur 1.1 de façon dose dépendante et ne semble y avoir aucun effet significatif sur le promoteur 2. Nous avons donc comparé l’activité du promoteur PII/P2 humain, du rat, de la chèvre et de la vache dans les cellules de granulosa bovine lutéinisées. Le résultat le plus significatif est que le promoteur 2 bovine (et caprine) dépend de plusieurs facteurs de transcription (NR5A2, FOXL2) comparé au promoteur PII humain et celui du promoteur proximal du rat qui dépendent principalement de l'AMPc. En effet, nos résultats ont démontré une expression raisonnablement robuste du P2 bovine lorsque les cellules sont traitées à la forskoline, NR5A2 et FOXL2. Le facteur FOXL2 semble déterminer l'activité du promoteur 2 chez le ruminant. Le deuxième objectif vise à étudier la régulation post-transcriptionnelle du gène CYP19A1. Pour ce faire, nous avons déterminé la séquence minimale de l'ARNm CYP19A1 requise pour la régulation de sa demi-vie. Différents séquences de la région 3’UTR ont été insérés dans le vecteur pGL3promoter en aval du gène exprimant la luciférase ou soit dans le vecteur pGEMTeasy. Le vecteur pGL3promoter a été transfecté dans les cellules de granulosa lutéinisées pour évaluer l'impact de la séquence 3'UTR sur l'expression du gène rapporteur de la luciférase, alors que le vecteur pGEMTeasy a été utilisé pour la transcription in vitro afin de générer de l’ARNm. Ce dernier sera utilisé en réaction croisée au UV avec des extraits protéiques pour démontrer l’association du complexe ARNm/protéine. L’analyse de l’activité luciférase a permis d’identifier une séquence de 200 pb située entre 926 et 1134 pb de la région 3'UTR de l’ARNm CYP19A1 qui a réduit significativement l’activité de la luciférase. Selon les analyses de la réaction croisée au UV, une ou plusieurs protéines de 66 et 80 kDA se lient spécifiquement à la séquence de 200 pb qui réduit l’activité de luciférase. Cette protéine s'exprime dans les cellules de granulosa, mais n’a pas été détectée dans d'autres tissus comme le foie et le cœur. Par ailleurs, l’utilisation du gène rapporteur sensible à la FSH a suscité l’intérêt d'une compagnie pharmaceutique qui vend de l’equine chorionic gonadotropin (eCG) pour lui permettre de distinguer facilement l’eCG ayant une forte activité FSH et donc, avoir un produit commercial plus efficace et de meilleure qualité. Dans cette étude, nous avons développé un système de bioessai à la FSH basé sur la transfection des cellules avec un récepteur à la FSH et un gène rapporteur colorimètrique qui permet d’estimer l’activité de la FSH dans le sérum de la jument et qui pourrait être applicable au niveau de la ferme/industrie.

Étude de la sorption et de la désorption de neuf contaminants émergents dans les boues usées

Des études de sorption/désorption ont été effectuées pour neuf contaminants émergents sélectionnés (caféine, sulfaméthoxazole, déséthylatrazine, carbamazépine, atrazine, estradiol, éthinylestradiol, noréthindrone et diclofénac) dans les boues usées provenant de trois systèmes différents. Les contaminants incluent une variété de classes de composés (pesticides, hormones et pharmaceutiques) qui possèdent des propriétés physicochimiques différentes. L’objectif de ces travaux est de modéliser leur comportement dans une station d’épuration, en présence d’une phase particulaire et d’une phase aqueuse, et du même coup, de mieux comprendre leur devenir lors de leur rejet dans l’environnement. Le coefficient octanol-eau (log Kow) permet de bien interpréter les résultats et nous permet de classer les composés selon deux types de comportements observés : les composés avec un log Kow inférieur à 3 montrent peu ou pas de sorption alors que les composés avec un log Kow supérieur à 3 montrent une sorption variant de 30 à 90 % durant les premières minutes, suivi d’une sorption lente durant les heures suivantes. Une augmentation du contenu organique favorise la sorption des composés hydrophobes alors qu’un changement de pH peut modifier la charge à la surface des particules et également la charge des analytes. Les résultats ont montré que seul le diclofénac était sensible aux variations de pH étudiés. Dans une telle situation, il est nécessaire d’utiliser le facteur d’hydrophobicité corrigé en fonction du pH (log Dow). Le coefficient de distribution solide-eau (log Kd) a été déterminé pour chaque composé à la fin de chaque expérience de sorption et se situe entre -0.3 et 2.6. Avec l’augmentation de l’hydrophobicité, la désorption diminue avec le temps et avec l’étape de rinçage. Pour simuler le relargage dans les systèmes aquatiques, les facteurs de rinçage ont été déterminés pour estimer le nombre de rinçages qui seraient nécessaire pour désorber 50 et 99 % de la concentration initialement sorbée. Les bilans de masse ont été effectués après chaque expérience dans le but de ne pas surestimer les capacités de sorption d’un composé et se situent entre 7 et 25 % pour l’estradiol, la noréthindrone et le sulfaméthoxazole et entre 44 et 103 % pour l’éthinylestradiol, l’atrazine, la déséthylatrazine, la carbamazépine, la caféine et le diclofénac.

Dégradation chimique et biologique de neuf contaminants émergents dans les eaux de surfaces et les effluents primaires d’eaux usées municipales

Un protocole inspiré du test de simulation 309 de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) nous a permis de mesurer la dégradation chimique (excluant la photolyse) dans des eaux de surface de même que la dégradation chimique et biologique de neuf contaminants émergents dans l’effluent d’un décanteur primaire d’eau usée municipale. Les données étaient compatibles avec le modèle de cinétique de pseudo ordre un. Les résultats démontrant une persistance de plus d’un an dans les eaux de surface et de 71 jours dans l’effluent du décanteur primaire suggèrent que les dégradations chimique et biologique ne contribuent pas significativement à la diminution de: atrazine, déséthylatrazine, carbamazépine et diclofénac dans la phase aqueuse des systèmes testés. Les autres composés se sont dégradés à différents niveaux. Le 17ß-estradiol ainsi que l’éthinylestradiol, la noréthindrone, la caféine et le sulfaméthoxazole ont tous été sujet à la dégradation biologique dans les effluents du décanteur primaire d’eau usée avec des constantes de dégradation k et des demi-vies t1/2 mesurées allant respectivement de 0.0082 à 0.59 j-1 et de 1.2 à 85 jours. Les paramètres de cinétique mesurés peuvent être combinés aux concentrations typiques des composés à l’étude dans un décanteur primaire d’eau usée pour y calculer leur vitesse de dégradation. Cependant, puisque les décanteurs primaires dans les usines de traitement d’eaux usées ont généralement des temps de résidence de quelques heures seulement, il est improbable que les neufs contaminants émergents à l’étude diminuent significativement par ces processus durant leur passage dans le compartiment.

Synthèse et étude de nouvelles molécules potentiellement polymérisables pour la fabrication de matériaux électroluminescents : analogues du 1,3,5 benzènetripyrrole, méthyle 3,5-bipyrrolebenzoate et 6,12-diméthyle-1,5-dipyrrolediazocane

Pyrroles are found in various natural products and in the chemical composition of certain drugs because of their interesting biological properties. Lipitor, Tolmetin and Amtolmetin are examples of drugs with 1,2,5-substituted pyrroles in their composition, in which biological activities have been certified. Moreover, pyrroles are used as precursors of semiconductor polymers, oligomers and dendrimers useful for the synthesis of electroluminescent materials used in devices, such as organic light-emitting diodes, field-effect transistors, solar and organic photovoltaic cells. We are interested in conjugated polymers based on pyrrole due to their optical properties, electrochemical and the conductivity produced by electron delocalization along their carbon chains. The overall objective of the work presented in this thesis is the synthesis of new molecules based on pyrrole for studying their electronic and electrochemical properties as well for the synthesis of conjugated polymers. Initially, we performed the synthesis of 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes, which may serve as precursors for the synthesis of conjugated dendrimers. Their synthesis was made in three steps starting from trimethyl 1,3,5-benzene-tricarboxylate which was converted to 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene using vinylmagnesium bromide in a Grignard reaction catalyzed by copper cyanide. The olefins of 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene were oxidized to produce 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene using a modified protocol of the Tsuji-Wacker reaction. Subsequent, Paal-Knorr condensation reactions on 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene with different amines were used to synthesize 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes with different N-substituents in yields between 44 and 60%. Incomplete reaction of vinylmagnesium bromide with trimethyl 1,3,5-benzenetricarboxylate gave the methyl-3,5-di(pent-4-enoyl)benzoate, which was converted to methyl-3,5-dipyrrolylbenzoate following the reaction of Tsuji- Wacker and Paal-Knorr with yields between 30 and 60%. The photochemical and electrochemical properties of the 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes and methyl-3,5-dipyrrolylbenzoates were studied in collaboration with the research group of professor William Skene. The results have shown that both types of pyrrole have potential for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers used in the manufacture of electroluminescent materials. Following these encouraging results, we performed the synthesis of 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane. Methyl N-(Boc)-β-alaninate was converted to its corresponding homoallylic ketone, which was oxidized to N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione. The Paal-Knorr condensation between N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione and aminoheptan-3,6-dione hydrochloride gave 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane in 17% yield. In sum, we have synthesized and characterized seven new molecules, six of them having photochemical and electrochemical properties interesting for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers. The latter offering potential as precursor for the conception of compounds of therapeutic interest.

Une approche moléculaire pour mieux comprendre l'infertilité chez la vache laitière

Au cours des dernières années, une sélection génétique importante a été faite pour améliorer la production de lait des bovins, ceci au détriment des performances reproductives. Cette diminution de performance n’a cependant pas été rapportée chez la génisse présentant un même potentiel génétique. Cette immense production de lait et les changements métaboliques qui l’accompagnent ont donc un impact négatif sur l’efficacité reproductive des vaches laitières qui subissent un stress métabolique supérieur à celui des génisses. Le but de l’étude était d’acquérir une meilleure connaissance des différences moléculaires et métaboliques entre ces deux groupes d’animaux pour amener à une meilleure compréhension de la pathogenèse de l’infertilité chez la vache laitière. Pour ce faire, les vagues folliculaires de vaches en lactation (30-50 jours en lait; N = 12) et de génisses (N = 10) ont été synchronisées par ablation écho guidée des follicules et par traitement hormonal avec injection de prostaglandine et insertion d’un implant de progestérone. L’aspiration du liquide folliculaire et des cellules de la granulosa du follicule dominant a été faite au jour 6. Les paramètres métaboliques mesurés chez les animaux à partir de prises de sang, faites au jour 6, confirment un plus grand stress métabolique chez la vache, les niveaux de BHBA, acides biliaires et cholestérol étant plus élevés et le niveau de glucose plus bas chez celles-ci. Un total de six échantillons a été utilisé pour le séquençage d’ARN et des analyses bio-informatiques ont été effectuées. Plusieurs gènes et voies de signalisation ont présenté des différences entre les deux groupes d’animaux incluant le cycle cellulaire et la production d’hormones. Une confirmation des résultats par PCR en temps réel a été faite, mais la grande variation intragroupe a nui à l’obtention de résultats significatifs. Conjointement, une culture primaire de cellules de la granulosa a été réalisée pour évaluer l’effet des acides biliaires sur la stéroïdogenèse suite à la détection d’une plus grande quantité de ceux-ci chez la vache laitière. La présence d’acide biliaire dans la culture cellulaire cause une diminution de l’accumulation d’estradiol ainsi que de l’expression des gènes CYP19A1 et CYP11A1. Les résultats présentés dans ce mémoire indiquent une différence potentielle au niveau métabolique et moléculaire des follicules dominants entre la vache laitière et la génisse pouvant avoir une responsabilité dans la diminution de l’efficacité reproductive observée chez la vache laitière.

Activation of Progesterone Receptor by ATP

Progesterone-receptor complex from freshly prepared hen oviduct cytosol acquired the ability to bind to isolated nuclei, DNA-cellulose and ATP-Sepharose when incubated with 5-10 mM ATP at 4°C. The extent of this ATP-dependent activation was higher when compared with heat-activation achieved by warming the progesterone- receptor complex at 23 °C. The transformation of progesterone-receptor complex which occurred in a time-dependent manner was only partially dependent on hormone presence. The ATP effect was selective in causing this transformation whereas ADP, AMP and cAMP failed to show any such effect. The non-hydrolizable analogs of ATP, adenosine 5'-[a,/3-methylene]triphosphate and adenosine 5-[/l,y-imido]triphosphate were also found to be ineffective. Presence of 10 mM sodium molybdate blocked both the ATP and the heat-activation of progesterone-receptor complex. Mn" or Mg` had no detectable effect on the receptor activation but the presence of Ca" increased the extent of ATP-activation slightly. EDTA presence (> 5 mM) decreased the extent of receptor activation by about 40 % and was, therefore, not included in the buffers used for activation studies. Divalent cations were also ineffective when tested in the presence of 1- 5 mM EDTA. The properties of progesterone-receptor complex remained intact under the above conditions when analyzed for steroid-binding specificity and Scatchard analysis. However, the ATP-activated progesterone-receptor complex lost the ability to aggregate when tested on low-salt sucrose gradients. ATP was equally effective in activating the rat-uterine estradiol-receptor complex at 4 "C and influenced the transformation of 4-S receptor form into a 5-S form when analyzed on sucrose gradients containing 0.3 M KCI. The presence of ATP also increased the rate of activation of progesterone-receptor complex at 23 °C. These findings suggest a role for ATP in receptor function and offer a convenient method of studying the process of receptor activation at low temperature and mild assay conditions.

Development of Electrochemical Sensors for Various Pharmaceuticals

The development of electrochemical sensors is currently one of the active areas of research in analytical chemistry.Voltammetric sensors as an important class of electrochemical sensors are extensively used in pharmaceutical applications.In voltammetric analysis,many active compounds in dosage forms,in contrast to excipients,can be readily oxidised or reduced at the electrode surface by applying a potential.Chemically modified electrodes have great significance in the electrochemical determination of pharmaceuticals.The modification of electrode results in efficient determination of electroactive species at very lower potential without any major interferences.The present study involves the fabrication of 8 voltammetric sensors for the drugs Metronidazole Benzoate, Sulfamethoxazole, Acyclovir, Pam Chloride , Trimethoprim , Tamsulosin Hydrochloride and Ceftriaxone Sodium.Two sensors were developed for the drug tamsulosin hydrochloride while one sensor each was developed for the other drugs.

Square Wave Voltammetric Determination of Various Pharmaceuticals

Cochin University of Science & Technology

Three substituted 4-pyrazolylbenzoates: hydrogen-bonded supramolecular structures in one, two and three dimensions

The molecules of ethyl 4-(5-amino-3-methyl-1H-pyrazol-1yl) benzoate, C13H15N3O2, are linked by two independent N-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds into a chain of edge-fused and alternating R-4(2)(8) and R-2(2)(20) rings. A combination of N-H center dot center dot center dot N and N-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds links the molecules of methyl 4-(5-amino-3-tert-butyl-1H-pyrazol-1-yl) benzoate, C15H19N3O2, into sheets of alternating R-2(2)(20) and R-6(6)(32) rings. In 4-(5-amino-3-methyl-1H-pyrazol-1-yl) benzoic acid monohydrate, C11H11N3O2 center dot H2O, the molecular components are linked into a three-dimensional framework structure by a combination of five independent hydrogen bonds, two of O-H center dot center dot center dot N type and one each of O-H center dot center dot center dot O, N-H center dot center dot center dot O and N-H center dot center dot center dot N types

Short communication: Suppressor of cytokine signaling-2 mRNA increases after parturition in the liver of dairy cows

After parturition, the somatotropic axis of the dairy cow is uncoupled, partly because of reduced concentration of liver-specific GH receptor (GHR) 1A. Estradiol-17 beta (E-2) concentrations increase at parturition and E-2 upregulates suppressors of cytokine signaling-2 (SOCS-2) mRNA expression, potentially inhibiting GH signaling. Therefore, we hypothesized that SOCS-2 mRNA is upregulated after parturition. Multiparous Holstein cows (n = 18) were dried off 45 d before expected parturition and fed diets to meet nutrient requirements at ad libitum or limited dry matter intake during the dry period. All cows were fed the same diet ad libitum from calving until 4 wk after parturition. Blood samples were collected weekly and more frequently near parturition. Liver biopsies obtained at -21, -7, 2, and 28 d relative to parturition were assessed for SOCS-2 and GHR 1A mRNA by quantitative real-time reverse-transcription PCR. The relative amount of SOCS-2 mRNA increased after parturition with both treatments and was greater on d 2 for cows limit-fed during the dry period compared with cows fed at ad libitum dry matter intake. Plasma E2 concentrations increased on d -13, -5 and 1 relative to parturition and the increases were greater in limit-fed cows. Plasma GH concentration was greater for limit-fed cows and increased after parturition in all cows. The amount of GHR 1A mRNA did not differ between diets but decreased on d 2. In addition to reduced GHR 1A, increased SOCS-2 mRNA after parturition, perhaps because of increased E-2, may further uncouple GH signaling in the liver of the transition dairy cow.

Functional significance of the signal transduction pathways Akt and Erk in ovarian follicles: in vitro and in vivo studies in cattle and sheep

BACKGROUND: The intracellular signalling mechanisms that regulate ovarian follicle development are unclear; however, we have recently shown differences in the Akt and Erk signalling pathways in dominant compared to subordinate follicles. The aim of this study was to investigate the effects of inhibiting Akt and Erk phosphorylation on IGF- and gonadotropin- stimulated granulosa and theca cell function in vitro, and on follicle development in vivo. METHODS: Bovine granulosa and theca cells were cultured for six days and stimulated with FSH and/or IGF, or LH in combination with PD98059 (Erk inhibitor) and/or LY294002 (Akt inhibitor) and their effect on cell number and hormone secretion (estradiol, activin-A, inhibin-A, follistatin, progesterone and androstenedione) determined. In addition, ovarian follicles were treated in vivo with PD98059 and/or LY294002 in ewes on Day 3 of the cycle and follicles were recovered 48 hours later. RESULTS: We have shown that gonadotropin- and IGF-stimulated hormone production by granulosa and theca cells is reduced by treatment with PD98059 and LY294002 in vitro. Furthermore, treatment with PD98059 and LY294002 reduced follicle growth and oestradiol production in vivo. CONCLUSION: These results demonstrate an important functional role for the Akt and Erk signalling pathways in follicle function, growth and development.

Developmental programming: Deficits in reproductive hormone dynamics and ovulatory outcomes in prenatal, testosterone-treated sheep

Prenatal testosterone excess leads to neuroendocrine, ovarian, and metabolic disruptions, culminating in reproductive phenotypes mimicking that of women with polycystic ovary syndrome (PCOS). The objective of this study was to determine the consequences of prenatal testosterone treatment on periovulatory hormonal dynamics and ovulatory outcomes. To generate prenatal testosterone-treated females, pregnant sheep were injected intramuscularly (days 30-90 of gestation, term = 147 days) with 100 mg of testosterone-propionate in cottonseed oil semi-weekly. Female offspring born to untreated control females and prenatal testosterone-treated females were then studied during their first two breeding seasons. Sheep were given two injections of prostaglandin F-2alpha 11 days apart, and blood samples were collected at 2-h intervals for 120 h, 10-min intervals for 8 h during the luteal phase (first breeding season only), and daily for an additional 15 days to characterize changes in reproductive hormonal dynamics. During the first breeding season, prenatal testosterone-treated females manifested disruptions in the timing and magnitude of primary gonadotropin surges, luteal defects, and reduced responsiveness to progesterone negative feedback. Disruptions in the periovulatory sequence of events during the second breeding season included: 1) delayed but increased preovulatory estradiol rise, 2) delayed and severely reduced primary gonadotropin surge in prenatal testosterone-treated females having an LH surge, 3) tendency for an amplified secondary FSH surge and a shift in the relative balance of FSH regulatory proteins, and 4) luteal responses that ranged from normal to anovulatory. These outcomes are likely to be of relevance to developmental origin of infertility disorders and suggest that differences in fetal exposure or fetal susceptibility to testosterone may account for the variability in reproductive phenotypes.

Numbers of antral follicles during follicular waves in cattle: Evidence for high variation among animals, very high repeatability in individuals, and an inverse association with serum follicle-stimulating hormone concentrations

The extent, causes, and physiological significance of the variation in number of follicles growing during ovarian follicular waves in human beings and cattle are unknown. Therefore, the present study examined the variability and repeatability in numbers of follicles 3 mm or greater in diameter during the follicular waves in bovine estrous cycles, and we determined if the variation in number of follicles during waves was associated with alterations in secretion of FSH, estradiol, inhibin, and insulin-like growth factor I (IGF-I). Dairy cattle were subjected to twice-daily ultrasound analysis to count total number of antral follicles 3 mm or greater in diameter throughout 138 different follicular waves. In another study, blood samples were taken at frequent intervals from cows that consistently had low or very high numbers of follicles during waves and were subjected to immunoassays. Results indicate the following: First, despite an approximately sevenfold variation in number of follicles during waves among animals and marked differences in age, stage of lactation, and season of the year, a very highly repeatable (0.95) number of follicles 3 mm or greater in diameter is maintained during the ovulatory and nonovulatory follicular waves of individuals. Second, variation in number of follicles 3 mm or greater in diameter during waves and the inverse association of number of follicles during waves with FSH are not directly explained by alterations in the patterns of secretion of estradiol, inhibin, or IGF-I. Third, ovarian ultrasound analysis can be used reliably by investigators to identify cattle that consistently have low or high numbers of follicles during waves, thus providing a novel experimental model to determine the causes and physiological significance of the high variation in antral follicle number during follicular waves among single-ovulating species, such as cattle or humans.