Ca2+ signaling in pancreatic acinar cells: physiology and pathophysiology

The pancreatic acinar cell is a classical model for studies of secretion and signal transduction mechanisms. Because of the extensive endoplasmic reticulum and the large granular compartment, it has been possible - by direct measurements - to obtain considerable insights into intracellular Ca2+ handling under both normal and pathological conditions. Recent studies have also revealed important characteristics of stimulus-secretion coupling mechanisms in isolated human pancreatic acinar cells. The acinar cells are potentially dangerous because of the high intra-granular concentration of proteases, which become inappropriately activated in the human disease acute pancreatitis. This disease is due to toxic Ca2+ signals generated by excessive liberation of Ca2+ from both the endoplasmic reticulum and the secretory granules.

New perspective on the pathophysiology of panic: merging serotonin and opioids in the periaqueductal gray

Panic disorder patients are vulnerable to recurrent panic attacks. Two neurochemical hypotheses have been proposed to explain this susceptibility. The first assumes that panic patients have deficient serotonergic inhibition of neurons localized in the dorsal periaqueductal gray matter of the midbrain that organize defensive reactions to cope with proximal threats and of sympathomotor control areas of the rostral ventrolateral medulla that generate most of the neurovegetative symptoms of the panic attack. The second suggests that endogenous opioids buffer normal subjects from the behavioral and physiological manifestations of the panic attack, and their deficit brings about heightened suffocation sensitivity and separation anxiety in panic patients, making them more vulnerable to panic attacks. Experimental results obtained in rats performing one-way escape in the elevated T-maze, an animal model of panic, indicate that the inhibitory action of serotonin on defense is connected with activation of endogenous opioids in the periaqueductal gray. This allows reconciliation of the serotonergic and opioidergic hypotheses of panic pathophysiology, the periaqueductal gray being the fulcrum of serotonin-opioid interaction.

The specific in vivo role of PPARgamma and its downstream signaling pathway in the pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est une maladie articulaire dégénérative, avec une pathogenèse inconnue. Des études récentes suggèrent que l'activation du facteur de transcription du récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est une cible thérapeutique pour ce maladie. Les agonistes du PPARγ inhibent l'inflammation et réduisent la synthèse des produits de dégradation du cartilage in vitro et in vivo. Cependant, des études utilisant des agonistes du PPARγ n’élucident pas les effets exacts médiés par ce gène complexe. En effet, certains de ces agonistes ont la capacité de régulariser d'autres voies de signalisation indépendantes de PPARγ, ainsi entraînant des effets secondaires graves. Afin d'obtenir une efficacité thérapeutique avec potentiellement moins de problèmes de sécurité, il est donc essentiel d'élucider, in vivo, le rôle exact de PPARγ dans la physiopathologie OA. Mon projet de thèse permettra de déterminer, pour la première fois, le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la physiopathologie OA. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle du gène PPARγ dans le cartilage. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Pour tester cette hypothèse, j'ai généré deux types de souris avec une délétion au PPARγ, (a) une suppression du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage germinale pour l'étude de l'arthrose liée au développement et à l'âge et (b) la suppression inductible du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage chez la souris adulte pour les études OA. L’étude précédente dans notre laboratoire, utilisant ces souris ayant une délétion au gène PPARγ germinales, montre que ces souris présentent des anomalies du développement du cartilage. J'ai également exploré si ces souris qui présentent des défauts précoces du développement ont toutes les modifications phénotypiques dans le cartilage au cours du vieillissement. Mes résultats ont montré que les souris adultes, ayant une délétion au gène PPARγ, ont présenter un phénotype de l'arthrose spontanée associée à une dégradation du cartilage, l’hypocellularité, la fibrose synoviale. Cette étude a montré que PPARγ est un régulateur essentiel pour le cartilage, et c’est le manque (l’absence) de ce dernier qui conduit à un phénotype de l'arthrose spontanée accélérée (American Journal of Pathologie). A partir de ce but de l'étude, on n’a pas pu vérifier si ces souris présentaient l’OA spontanée en raison des défauts de développement ou à la suite de la délétion du gène PPARγ. Pour contourner les défauts de développement, j'ai généré des souris ayant une délétion du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage inductible avec le système Col2rTACre. Ces souris ont été soumises à modèle de la chirurgie OA (DMM: déstabilisation du ménisque médial) et les résultats révèlent que les souris PPARγ KO ont une dégradation accélérée du cartilage, une hypocellularité, une fibrose synoviale et une augmentation de l'expression des marqueurs cataboliques et des marqueurs inflammatoire. La perte de PPAR dans le cartilage articulaire est un évènement critique qui initie la dégradation de cartilage dans OA. Les études récentes suggèrent que le procès d’autophagie, une forme de survie cellulaire programmée, est altéré pendant l’OA et peut contribuer vers une protection diminuée des cellules, résultant la dégradation du cartilage. J’ai donc exploré le rôle de PPARγ dans la protection des cellules en déterminant l’effet de manque de PPARγ dans le cartilage par l’expression de mTOR (régulateur négatif principal d’autophagie) et les gènes d’autophagie durant OA. Mes résultats ont montré que les souris KO PPARγ présentent également une augmentation sur l'expression de mTOR et une diminution sur l’expression des marqueurs autophagiques en comparaison avec les chondrocytes articulaires isolés des souris contrôles OA. J'ai suggéré l'hypothèse que PPARγ contrôle la régulation de la signalisation de mTOR/autophagie, et finalement la mort des chondrocytes et l’expression des facteurs cataboliques et les facteurs inflammatoire. Pour tester cette hypothèse, j’ai fait la transfection des chondrocytes arthrosiques PPARγ-KO avec le vecteur d’expression de PPARγ pour déterminer si la restauration de l'expression de PPARγ peut sauver le phénotype des cellules PPARγ-KO OA. J'ai observé que la restauration de l'expression de PPARγ dans les cellules PPARγ-KO en présence du vecteur d'expression PPARγ, a pu considérablement régulariser négativement l'expression de mTOR et mettre en règle positivement l'expression des gènes autophagiques ainsi que le sauvetage significative de l'expression du collagène de type II et l’aggrecan et de baisser de manière significative l'expression de marqueurs cataboliques critiques et des marqueurs inflammatoires. Pour prouver que l’augmentation de la signalisation de mTOR et la diminution de l'autophagie est responsable du phénotype OA accélérée observée dans les souris PPARγ KO in vivo, j'ai généré les souris doubles KO PPARγ- mTOR inductible spécifique du cartilage en utilisant le système Col2 - rtTA -Cre et soumis ces souris à DMM modèle de l'arthrose. Mes résultants démontrent que les souris avec PPARγ- mTOR doubles KO ont été significativement protégés contre les OA DMM induites associées à une protection significative contre la destruction du cartilage, la perte de protéoglycanes et la perte de chondro-cellularité par rapport aux souris témoins. Considérant que mTOR est un répresseur majeur de l'autophagie, j'ai trouvé que l'expression de deux marqueurs de l'autophagie critiques (ULK1 et LC3B) a été significativement plus élevée dans les chondrocytes extraits les souris doubles KO PPARγ-mTOR par rapport aux souris témoins. En plus, les études de sauvetage in vitro en utilisant le vecteur d'expression PPAR et les études in vivo utilisant les souris doubles KO PPARγ- mTOR montrent que PPARγ est impliqué dans la régulation de la protéine signalant de mTOR/autophagie dans le cartilage articulaire. Ces résultats contournent PPARγ et sa signalisation en aval de mTOR/autophagie en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement de l'arthrose.

The Role of ULK1 in the Pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est la maladie musculo-squelettique la plus commune dans le monde. Elle est l'une des principales causes de douleur et d’incapacité chez les adultes, et elle représente un fardeau considérable sur le système de soins de santé. L'arthrose est une maladie de l’articulation entière, impliquant non seulement le cartilage articulaire, mais aussi la synoviale, les ligaments et l’os sous-chondral. L’arthrose est caractérisée par la dégénérescence progressive du cartilage articulaire, la formation d’ostéophytes, le remodelage de l'os sous-chondral, la détérioration des tendons et des ligaments et l'inflammation de la membrane synoviale. Les traitements actuels aident seulement à soulager les symptômes précoces de la maladie, c’est pour cette raison que l'arthrose est caractérisée par une progression presque inévitable vers la phase terminale de la maladie. La pathogénie exacte de l'arthrose est encore inconnue, mais on sait que l'événement clé est la dégradation du cartilage articulaire. Le cartilage articulaire est composé uniquement des chondrocytes; les cellules responsables de la synthèse de la matrice extracellulaire et du maintien de l'homéostasie du cartilage articulaire. Les chondrocytes maintiennent la matrice du cartilage en remplaçant les macromolécules dégradées et en répondant aux lésions du cartilage et aux dégénérescences focales en augmentant l'activité de synthèse locale. Les chondrocytes ont un taux faible de renouvellement, c’est pour cette raison qu’ils utilisent des mécanismes endogènes tels que l'autophagie (un processus de survie cellulaire et d’adaptation) pour enlever les organelles et les macromolécules endommagés et pour maintenir l'homéostasie du cartilage articulaire. i L'autophagie est une voie de dégradation lysosomale qui est essentielle pour la survie, la différenciation, le développement et l’homéostasie. Elle régule la maturation et favorise la survie des chondrocytes matures sous le stress et des conditions hypoxiques. Des études effectuées par nous et d'autres ont montré qu’un dérèglement de l’autophagie est associé à une diminution de la chondroprotection, à l'augmentation de la mort cellulaire et à la dégénérescence du cartilage articulaire. Carames et al ont montré que l'autophagie est constitutivement exprimée dans le cartilage articulaire humain normal. Toutefois, l'expression des inducteurs principaux de l'autophagie est réduite dans le vieux cartilage. Nos études précédentes ont également identifié des principaux gènes de l’autophagie qui sont exprimés à des niveaux plus faibles dans le cartilage humain atteint de l'arthrose. Les mêmes résultats ont été montrés dans le cartilage articulaire provenant des modèles de l’arthrose expérimentaux chez la souris et le chien. Plus précisément, nous avons remarqué que l'expression d’Unc-51 like kinase-1 (ULK1) est faible dans cartilage humain atteint de l'arthrose et des modèles expérimentaux de l’arthrose. ULK1 est la sérine / thréonine protéine kinase et elle est l’inducteur principal de l’autophagie. La perte de l’expression de ULK1 se traduit par un niveau d’autophagie faible. Etant donné qu’une signalisation adéquate de l'autophagie est nécessaire pour maintenir la chondroprotection ainsi que l'homéostasie du cartilage articulaire, nous avons proposé l’hypothèse suivante : une expression adéquate de ULK1 est requise pour l’induction de l’autophagie dans le cartilage articulaire et une perte de cette expression se traduira par une diminution de la chondroprotection, et une augmentation de la mort des chondrocytes ce qui conduit à la dégénérescence du cartilage articulaire. Le rôle exact de ULK1 dans la pathogénie de l'arthrose est inconnue, j’ai alors créé pour la première fois, des souris KO ULK1spécifiquement dans le cartilage en utilisant la technologie Cre-Lox et j’ai ensuite soumis ces souris à la déstabilisation du ménisque médial (DMM), un modèle de l'arthrose de la souris pour élucider le rôle spécifique in vivo de ULK1 dans pathogenèse de l'arthrose. Mes résultats montrent que ULK1 est essentielle pour le maintien de l'homéostasie du cartilage articulaire. Plus précisément, je montre que la perte de ULK1 dans le cartilage articulaire a causé un phénotype de l’arthrose accéléré, associé à la dégénérescence accélérée du cartilage, l’augmentation de la mort cellulaire des chondrocytes, et l’augmentation de l'expression des facteurs cataboliques. En utilisant des chondrocytes provenant des patients atteints de l’arthrose et qui ont été transfectées avec le plasmide d'expression ULK1, je montre qu’ULK1 est capable de réduire l’expression de la protéine mTOR (principal régulateur négatif de l’autophagie) et de diminuer l’expression des facteurs cataboliques comme MMP-13 et ADAMTS-5 et COX-2. Mes résultats jusqu'à présent indiquent que ULK1 est une cible thérapeutique potentielle pour maintenir l'homéostasie du cartilage articulaire.

Study of the evolution of the placenta and fetal pancreas in the pathophysiology of growth retardation intrauterine due to restricted maternal diet

CONTEXTO: O retardo do crescimento intra-uterino (RCIU) continua sendo importante problema em perinatologia neste final de século. A natureza do agente etiológico, o período da gestação em que ocorreu o insulto e a sua duração influenciam o tipo de RCIU. OBJETIVO: Estudar a fisiopatologia do retardo de crescimento intrauterino (RCIU) em ratas, decorrente da restrição protéico-calórica materna, em relação à evolução do pâncreas fetal e placenta entre o 18o e 21o dias de prenhez. TIPO DE ESTUDO: Ensaio clínico randomizado em animal de laboratório. PARTICIPANTES: 41 ratas prenhes, normoglicêmicas, da raça Wistar. INTERVENÇÃO: Constituíram-se seis grupos experimentais: controle, com dieta ad libitum e cesárea, respectivamente, no 18º e 21º dias; grupos dieta restritiva a 25% introduzida no 1o dia da prenhez e cesárea no 18o e 21o dias; grupos com a mesma restrição, porém iniciada no 3o dia, com cesárea no 18o e 21o dias. VARIÁVEIS ESTUDADAS: Os recém-nascidos foram classificados, em relação à média mais ou menos um desvio padrão do grupo controle, em peso pequeno (PIP), adequado (AIP) e grande (GIP) para a idade de prenhez; as placentas foram pesadas e processadas para estudo histopatológico, incluindo morfologia e histoquímica, e os pâncreas fetais, para estudo morfológico. RESULTADOS: A desnutrição protéico-calórica materna causou RCIU após o 18o dia da prenhez. Antes desse período não ocorreu RCIU, porque a desnutrição materna diminuiu o número da prole e a placenta tornou-se vicariante. A restrição alimentar não interferiu com a morfologia do pâncreas fetal, e o estudo imunohistoquímico da placenta mostrou que, quando a restrição é introduzida no 1o dia de prenhez, os estoques de glicogênio também não sofrem alterações, diminuindo entre o 18o e 21o dias, como na prenhez normal. A restrição no 3o dia cursou com baixas concentrações de glicogênio placentário no 18o dia e desaparecimento no 21o dia. CONCLUSÃO: A fisiopatologia do RCIU, decorrente da restrição protéico-calórica materna em ratas, está relacionada com menor peso placentário e baixos estoques de glicogênio placentário.

Pathophysiology of mesenteric ischemia/reperfusion: a review.

During ischemia, the cell structures are progressively damaged, but restoration of the blood flow, paradoxically, intensifies the lesions caused by the ischemia. The mechanisms of ischemia injury and reperfusion (I/R) have not been completely defined and many studies have been realized in an attempt to find an ideal therapy for mesenteric I/R. The occlusion and reperfusion of the splanchnic arteries provokes local and systemic alterations principally derived from the release of cytotoxic substances and the interaction between neutrophils and endothelial cells. Substances involved in the process are discussed in the present review, like oxygen-derived free radicals, nitric oxide, transcription factors, complement system, serotonin and pancreatic proteases. The mechanisms of apoptosis, alterations in other organs, therapeutic and evaluation methods are also discussed.

Involvement of the atrial natriuretic peptide in cardiovascular pathophysiology and its relationship with exercise

In this minireview we describe the involvement of the atrial natriuretic peptide (ANP) in cardiovascular pathophysiology and exercise. The ANP has a broad homeostatic role and exerts complex effects on the cardio-circulatory hemodynamics, it is produced by the left atrium and has a key role in regulating sodium and water balance in mammals and humans. The dominant stimulus for its release is atrial wall tension, commonly caused by exercise. The ANP is involved in the process of lipolysis through a cGMP signaling pathway and, as a consequence, reducing blood pressure by decreasing the sensitivity of vascular smooth muscle to the action of vasoconstrictors and regulate fluid balance. The increase of this hormone is associated with better survival in patients with chronic heart failure (CHF). This minireview provides new evidence based on recent studies related to the beneficial effects of exercise in patients with cardiovascular disease, focusing on the ANP. © 2012 de Almeida et al; licensee BioMed Central Ltd.

Pathophysiology of mood disorders in temporal lobe epilepsy

Objective: There is accumulating evidence that the limbic system is pathologically involved in cases of psychiatric comorbidities in temporal lobe epilepsy (TLE) patients. Our objective was to develop a conceptual framework describing how neuropathological, neurochemical and electrophysiological aspects might contribute to the development of psychiatric symptoms in TLE and the putative neurobiological mechanisms that cause mood disorders in this patient subgroup. Methods: In this review, clinical, experimental and neuropathological findings, as well as neurochemical features of the limbic system were examined together to enhance our understanding of the association between TLE and psychiatric comorbidities. Finally, the value of animal models in epilepsy and mood disorders was discussed. Conclusions: TLE and psychiatric symptoms coexist more frequently than chance would predict. Alterations and neurotransmission disturbance among critical anatomical networks, and impaired or aberrant plastic changes might predispose patients with TLE to mood disorders. Clinical and experimental studies of the effects of seizures on behavior and electrophysiological patterns may offer a model of how limbic seizures increase the vulnerability of TLE patients to precipitants of psychiatric symptoms.

Involvement of the atrial natriuretic peptide in cardiovascular pathophysiology and its relationship with exercise

In this minireview we describe the involvement of the atrial natriuretic peptide (ANP) in cardiovascular pathophysiology and exercise. The ANP has a broad homeostatic role and exerts complex effects on the cardio-circulatory hemodynamics, it is produced by the left atrium and has a key role in regulating sodium and water balance in mammals and humans. The dominant stimulus for its release is atrial wall tension, commonly caused by exercise. The ANP is involved in the process of lipolysis through a cGMP signaling pathway and, as a consequence, reducing blood pressure by decreasing the sensitivity of vascular smooth muscle to the action of vasoconstrictors and regulate fluid balance. The increase of this hormone is associated with better survival in patients with chronic heart failure (CHF). This minireview provides new evidence based on recent studies related to the beneficial effects of exercise in patients with cardiovascular disease, focusing on the ANP.

New perspective on the pathophysiology of panic: merging serotonin and opioids in the periaqueductal gray

Panic disorder patients are vulnerable to recurrent panic attacks. Two neurochemical hypotheses have been proposed to explain this susceptibility. The first assumes that panic patients have deficient serotonergic inhibition of neurons localized in the dorsal periaqueductal gray matter of the midbrain that organize defensive reactions to cope with proximal threats and of sympathomotor control areas of the rostral ventrolateral medulla that generate most of the neurovegetative symptoms of the panic attack. The second suggests that endogenous opioids buffer normal subjects from the behavioral and physiological manifestations of the panic attack, and their deficit brings about heightened suffocation sensitivity and separation anxiety in panic patients, making them more vulnerable to panic attacks. Experimental results obtained in rats performing one-way escape in the elevated T-maze, an animal model of panic, indicate that the inhibitory action of serotonin on defense is connected with activation of endogenous opioids in the periaqueductal gray. This allows reconciliation of the serotonergic and opioidergic hypotheses of panic pathophysiology, the periaqueductal gray being the fulcrum of serotonin-opioid interaction.

Pathophysiology and molecular aspects of diffuse large B-cell lymphoma

Diffuse large B-Cell lymphoma is the most common subtype of non-Hodgkin lymphoma in the West. In Brazil, it is the fifth cause of cancer, with more than 55,000 cases and 26,000 deaths per year. At Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo - HCFMUSP, diffuse large B-Cell lymphoma represents 49.7% of all non-Hodgkin lymphoma cases. Initially, the classification of non-Hodgkin lymphoma was based on morphology, but advances in immunology and molecular medicine allowed the introduction of a biological classification for these diseases. As for other cancers, non-Hodgkin lymphoma involves patterns of multi factorial pathogenesis with environmental factors, as well as genetic, occupational and dietary factors, contributing to its development. Multiple lesions involving molecular pathways of B-cell proliferation and differentiation may result in the activation of oncogenes such as the BCL2, BCL6,and MYC genes and the inactivation of tumor suppressor genes such as p53 and INK4, as well as other important transcription factors such as OCT-1 and OCT-2. A dramatic improvement in survival was seen after the recent introduction of the anti-CD20 monoclonal antibody. The association of this antibody to the cyclophosphamide, hydroxydaunorubicin, oncovin and prednisolone (CHOP) regimen has increased overall survival of diffuse large B-Cell lymphoma and follicular lymphoma patients by 20%. However, 50% of all diffuse large B-Cell lymphoma patients remain incurable, creating a demand for more research with new advances in treatment. Thus, it is important to know and understand the key factors and molecular pathways involved in the pathogenesis of diffuse large B-Cell lymphoma.

Cardiac sodium channel Na(v)1.5 and interacting proteins: Physiology and pathophysiology

The cardiac voltage-gated Na(+) channel Na(v)1.5 generates the cardiac Na(+) current (INa). Mutations in SCN5A, the gene encoding Na(v)1.5, have been linked to many cardiac phenotypes, including the congenital and acquired long QT syndrome, Brugada syndrome, conduction slowing, sick sinus syndrome, atrial fibrillation, and dilated cardiomyopathy. The mutations in SCN5A define a sub-group of Na(v)1.5/SCN5A-related phenotypes among cardiac genetic channelopathies. Several research groups have proposed that Na(v)1.5 may be part of multi-protein complexes composed of Na(v)1.5-interacting proteins which regulate channel expression and function. The genes encoding these regulatory proteins have also been found to be mutated in patients with inherited forms of cardiac arrhythmias. The proteins that associate with Na(v)1.5 may be classified as (1) anchoring/adaptor proteins, (2) enzymes interacting with and modifying the channel, and (3) proteins modulating the biophysical properties of Na(v)1.5 upon binding. The aim of this article is to review these Na(v)1.5 partner proteins and to discuss how they may regulate the channel's biology and function. These recent investigations have revealed that the expression level, cellular localization, and activity of Na(v)1.5 are finely regulated by complex molecular and cellular mechanisms that we are only beginning to understand.

High altitude, a natural research laboratory for the study of cardiovascular physiology and pathophysiology

High altitude constitutes an exciting natural laboratory for medical research. Although initially, the aim of high-altitude research was to understand the adaption of the organism to hypoxia and find treatments for altitude-related diseases, during the past decade or so, the scope of this research has broadened considerably. Two important observations led the foundation for the broadening of the scientific scope of high-altitude research. First, high-altitude pulmonary edema represents a unique model that allows studying fundamental mechanisms of pulmonary hypertension and lung edema in humans. Second, the ambient hypoxia associated with high-altitude exposure facilitates the detection of pulmonary and systemic vascular dysfunction at an early stage. Here, we will review studies that, by capitalizing on these observations, have led to the description of novel mechanisms underpinning lung edema and pulmonary hypertension and to the first direct demonstration of fetal programming of vascular dysfunction in humans.