Synthesis and characterization of BODIPY-α-tocopherol : a new ligand to explore the intracellular transfer of Vitamin E

Since its discovery nearly a century ago, a-tocopherol (vitamin E) research has been mainly focused on its ability to terminate the cycle of lipid peroxidation in membranes. Nitrobenzoxadiazole fluorescent analogues were made previously to study the intracellular transfer of vitamin E in cells. However, these molecules were reportedly susceptible to photobleaching while under illumination for transfer assays and microscopy. Here is reported the synthesis of a series of fluorescent analogues of vitamin E incorporating the more robust dipyrrometheneboron difluoride fluorophore (BDP-a-Tocs; Aex = 507 nm, Aem = 511 nm). C8-BDP-a-Toc 42c, having an eight-carbon chain between the chromanol and fluorophore, wa<; shown to bind specifically to a-tocopherol transfer protein with a dissociation constant of approximately 100 nM. Another fluorescent analogue of vitamin E with a thienyl derivative of BODIPY that is excited and fluoresces at longer wavelengths (Aex = 561 nm, Aem = 570 nm) is in development.

Développement et caractérisation d’une méthode photonique pour créer des distributions spatiales de protéines

Les cellules sont capables de détecter les distributions spatiales de protéines et ainsi de migrer ou s’étendre dans la direction appropriée. Une compréhension de la réponse cellulaire aux modifications de ces distributions spatiales de protéines est essentielle pour l’avancement des connaissances dans plusieurs domaines de recherches tels que le développement, l’immunologie ou l’oncologie. Un exemple particulièrement complexe est le guidage d’axones se déroulant pendant le développement du système nerveux. Ce dernier nécessite la présence de plusieurs distributions de molécules de guidages étant attractives ou répulsives pour connecter correctement ce réseau complexe qu’est le système nerveux. Puisque plusieurs indices de guidage collaborent, il est particulièrement difficile d’identifier la contribution individuelle ou la voie de signalisation qui est déclenchée in vivo, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes pour reproduire ces distributions de protéines in vitro. Plusieurs méthodes existent pour produire des gradients de protéines solubles ou liées aux substrats. Quelques méthodes pour produire des gradients solubles sont déjà couramment utilisées dans plusieurs laboratoires, mais elles limitent l’étude aux distributions de protéines qui sont normalement sécrétées in vivo. Les méthodes permettant de produire des distributions liées au substrat sont particulièrement complexes, ce qui restreint leur utilisation à quelques laboratoires. Premièrement, nous présentons une méthode simple qui exploite le photoblanchiment de molécules fluorescentes pour créer des motifs de protéines liées au substrat : Laser-assisted protein adsorption by photobleaching (LAPAP). Cette méthode permet de produire des motifs de protéines complexes d’une résolution micrométrique et d’une grande portée dynamique. Une caractérisation de la technique a été faite et en tant que preuve de fonctionnalité, des axones de neurones du ganglion spinal ont été guidés sur des gradients d’un peptide provenant de la laminine. Deuxièmement, LAPAP a été amélioré de manière à pouvoir fabriquer des motifs avec plusieurs composantes grâce à l’utilisation de lasers à différentes longueurs d’onde et d’anticorps conjugués à des fluorophores correspondants à ces longueurs d’onde. De plus, pour accélérer et simplifier le processus de fabrication, nous avons développé LAPAP à illumination à champ large qui utilise un modulateur spatial de lumière, une diode électroluminescente et un microscope standard pour imprimer directement un motif de protéines. Cette méthode est particulièrement simple comparativement à la version originale de LAPAP puisqu’elle n’implique pas le contrôle de la puissance laser et de platines motorisées, mais seulement d’envoyer l’image du motif désiré au modulateur spatial. Finalement, nous avons utilisé LAPAP pour démontrer que notre technique peut être utilisée dans des analyses de haut contenu pour quantifier les changements morphologiques résultant de la croissance neuronale sur des gradients de protéines de guidage. Nous avons produit des milliers de gradients de laminin-1 ayant différentes pentes et analysé les variations au niveau du guidage de neurites provenant d’une lignée cellulaire neuronale (RGC-5). Un algorithme pour analyser les images des cellules sur les gradients a été développé pour détecter chaque cellule et quantifier la position du centroïde du soma ainsi que les angles d’initiation, final et de braquage de chaque neurite. Ces données ont démontré que les gradients de laminine influencent l’angle d’initiation des neurites des RGC-5, mais n’influencent pas leur braquage. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse faciliteront l’utilisation de motifs de protéines liées au substrat dans les laboratoires des sciences de la vie, puisque LAPAP peut être effectué à l’aide d’un microscope confocal ou d’un microscope standard légèrement modifié. Cela pourrait contribuer à l’augmentation du nombre de laboratoires travaillant sur le guidage avec des gradients liés au substrat afin d’atteindre la masse critique nécessaire à des percées majeures en neuroscience.

Étude du trafic cellulaire de la convertase de proprotéine PCSK9 responsable de la dégradation du récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR)

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de mortalité dans les pays industrialisés. L'hypercholestérolémie constitue un facteur de risque majeur pour les MCV. Elle est caractérisée par des niveaux élevés de lipoprotéines de faible densité (LDL, aussi appelé “mauvais cholestérol”). La présence prolongée de haut niveaux de LDL dans la circulation augmente le risque de formation de plaques athérosclérotiques, ce qui peut conduire à l'obstruction des artères et l'infarctus du myocarde. Le LDL est normalement extrait du sang par sa liaison au récepteur du LDL (LDLR) qui est responsable de son endocytose dans les hépatocytes. Des études génétiques humaines ont identifié PCSK9 (proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) comme le troisième locus responsable de l'hypercholestérolémie autosomique dominante après le LDLR et son ligand l’apolipoprotéine B-100. PCSK9 interagit avec le LDLR et induit sa dégradation, augmentant ainsi les niveaux plasmatiques de LDL. Les mutations gain de fonction (GF) de PCSK9 sont associées à des niveaux plasmatiques élevés de LDL et à l'apparition précoce des MCV, alors que les mutations perte de fonction (PF) de PCSK9 diminuent le risque de MCV jusqu’à ~ 88% grâce à une réduction du LDL circulant. De ce fait, PCSK9 constitue une cible pharmacologique importante pour réduire le risque de MCV. PCSK9 lie le LDLR à la surface cellulaire et/ou dans l'appareil de Golgi des hépatocytes et provoque sa dégradation dans les lysosomes par un mécanisme encore mal compris. Le but de cette étude est de déterminer pourquoi certaines mutations humaines de PCSK9 sont incapables de dégrader le LDLR tandis que d'autres augmentent sa dégradation dans les lysosomes. Plusieurs mutations GF et PF de PCSK9 ont été fusionnées à la protéine fluorecente mCherry dans le but d'étudier leur mobilité moléculaire dans les cellules hépatiques vivantes. Nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ont montré que les mutations GF (S127R et D129G) avaient une mobilité protéique plus élevée (> 35% par rapport au WT) dans le réseau trans- Golgien. En outre, nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence inverse après photoblanchiment (iFRAP) ont montré que les mutations PF de PCSK9 (R46L) avaient une mobilité protéique plus lente (<22% par rapport au WT) et une fraction mobile beaucoup plus petite (<40% par rapport au WT). Par ailleurs, nos analyses de microscopie confocale et électronique démontrent pour la toute première fois que PCSK9 est localisée et concentrée dans le TGN des hépatocytes humains via son domaine Cterminal (CHRD) qui est essentiel à la dégradation du LDLR. De plus, nos analyses sur des cellules vivantes démontrent pour la première fois que le CHRD n'est pas nécessaire à l'internalisation de PCSK9. Ces résultats apportent de nouveaux éléments importants sur le mécanisme d'action de PCSK9 et pourront contribuer ultimement au développement d'inhibiteurs de la dégradation du LDLR induite par PCSK9.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Characterization of Selected Photonic Materials and Systems Using Photoacoustic Technique

The photoacoustic investigations carried out on different photonic materials are presented in this thesis. Photonic materials selected for the investigation are tape cast ceramics, muItilayer dielectric coatings, organic dye doped PVA films and PMMA matrix doped with dye mixtures. The studies are performed by the measurement of photoacoustic signal generated as a result of modulated cw laser irradiation of samples. The gas-microphone scheme is employed for the detection of photoacoustic signal. The different measurements reported here reveal the adaptability and utility of the PA technique for the characterization of photonic materials.Ceramics find applications in the field of microelectronics industry. Tape cast ceramics are the building blocks of many electronic components and certain ceramic tapes are used as thermal barriers. The thermal parameters of these tapes will not be the same as that of thin films of the same materials. Parameters are influenced by the presence of foreign bodies in the matrix and the sample preparation technique. Measurements are done on ceramic tapes of Zirconia, Zirconia-Alumina combination, barium titanate, barium tin titanate, silicon carbide, lead zirconate titanateil'Z'T) and lead magnesium niobate titanate(PMNPT). Various configurations viz. heat reflection geometry and heat transmission geometry of the photoacoustic technique have been used for the evaluation of different thermal parameters of the sample. Heat reflection geometry of the PA cell has been used for the evaluation of thermal effusivity and heat transmission geometry has been made use of in the evaluation of thermal diffusivity. From the thermal diffusivity and thermal effusivity values, thermal conductivity is also calculated. The calculated values are nearly the same as the values reported for pure materials. This shows the feasibility of photoacoustic technique for the thermal characterization of ceramic tapes.Organic dyes find applications as holographic recording medium and as active media for laser operations. Knowledge of the photochemical stability of the material is essential if it has to be used tor any of these applications. Mixing one dye with another can change the properties of the resulting system. Through careful mixing of the dyes in appropriate proportions and incorporating them in polymer matrices, media of required stability can be prepared. Investigations are carried out on Rhodamine 6GRhodamine B mixture doped PMMA samples. Addition of RhB in small amounts is found to stabilize Rh6G against photodegradation and addition of Rh6G into RhB increases the photosensitivity of the latter. The PA technique has been successfully employed for the monitoring of dye mixture doped PMMA sample. The same technique has been used for the monitoring of photodegradation ofa laser dye, cresyl violet doped polyvinyl alcohol also.Another important application of photoacoustic technique is in nondestructive evaluation of layered samples. Depth profiling capability of PA technique has been used for the non-destructive testing of multilayer dielectric films, which are highly reflecting in the wavelength range selected for investigations. Eventhough calculation of thickness of the film is not possible, number of layers present in the system can be found out using PA technique. The phase plot has clear step like discontinuities, the number of which coincides with the number of layers present in the multilayer stack. This shows the sensitivity of PA signal phase to boundaries in a layered structure. This aspect of PA signal can be utilized in non-destructive depth profiling of reflecting samples and for the identification of defects in layered structures.

Investigations on novel polymer nano composites and bio-compatible manganese doped ZnS nanocrystals for photonic and bio-imaging applications

Fluorescence is a powerful tool in biological research, the relevance of which relies greatly on the availability of sensitive and selective fluorescent probes. Nanometer sized fluorescent semiconductor materials have attracted considerable attention in recent years due to the high luminescence intensity, low photobleaching, large Stokes’ shift and high photochemical stability. The optical and spectroscopic features of nanoparticles make them very convincing alternatives to traditional fluorophores in a range of applications. Efficient surface capping agents make these nanocrystals bio-compatible. They can provide a novel platform on which many biomolecules such as DNA, RNA and proteins can be covalently linked. In the second phase of the present work, bio-compatible, fluorescent, manganese doped ZnS (ZnS:Mn) nanocrystals suitable for bioimaging applications have been developed and their cytocompatibility has been assessed. Functionalization of ZnS:Mn nanocrystals by safe materials results in considerable reduction of toxicity and allows conjugation with specific biomolecules. The highly fluorescent, bio-compatible and water- dispersible ZnS:Mn nanocrystals are found to be ideal fluorescent probes for biological labeling

Dynamic behavior of Arabidopsis eif4a-iii, putative core protein of exon junction complex: fast relocation to nucleolus and splicing speckles under hypoxia

Here, we identify the Arabidopsis thaliana ortholog of the mammalian DEAD box helicase, eIF4A-III, the putative anchor protein of exon junction complex (EJC) on mRNA. Arabidopsis eIF4A-III interacts with an ortholog of the core EJC component, ALY/Ref, and colocalizes with other EJC components, such as Mago, Y14, and RNPS1, suggesting a similar function in EJC assembly to animal eIF4A-III. A green fluorescent protein (GFP)-eIF4A-III fusion protein showed localization to several subnuclear domains: to the nucleoplasm during normal growth and to the nucleolus and splicing speckles in response to hypoxia. Treatment with the respiratory inhibitor sodium azide produced an identical response to the hypoxia stress. Treatment with the proteasome inhibitor MG132 led to accumulation of GFP-eIF4A-III mainly in the nucleolus, suggesting that transition of eIF4A-III between subnuclear domains and/or accumulation in nuclear speckles is controlled by proteolysis-labile factors. As revealed by fluorescence recovery after photobleaching analysis, the nucleoplasmic fraction was highly mobile, while the speckles were the least mobile fractions, and the nucleolar fraction had an intermediate mobility. Sequestration of eIF4A-III into nuclear pools with different mobility is likely to reflect the transcriptional and mRNA processing state of the cell.

AtTRB1, a telomeric DNA-binding protein from Arabidopsis, is concentrated in the nucleolus and shows highly dynamic association with chromatin

AtTRB1, 2 and 3 are members of the SMH (single Myb histone) protein family, which comprises double-stranded DNA-binding proteins that are specific to higher plants. They are structurally conserved, containing a Myb domain at the N-terminus, a central H1/H5-like domain and a C-terminally located coiled-coil domain. AtTRB1, 2 and 3 interact through their Myb domain specifically with telomeric double-stranded DNA in vitro, while the central H1/H5-like domain interacts non-specifically with DNA sequences and mediates protein–protein interactions. Here we show that AtTRB1, 2 and 3 preferentially localize to the nucleus and nucleolus during interphase. Both the central H1/H5-like domain and the Myb domain from AtTRB1 can direct a GFP fusion protein to the nucleus and nucleolus. AtTRB1–GFP localization is cell cycle-regulated, as the level of nuclear-associated GFP diminishes during mitotic entry and GFP progressively re-associates with chromatin during anaphase/telophase. Using fluorescence recovery after photobleaching and fluorescence loss in photobleaching, we determined the dynamics of AtTRB1 interactions in vivo. The results reveal that AtTRB1 interaction with chromatin is regulated at two levels at least, one of which is coupled with cell-cycle progression, with the other involving rapid exchange.

Ultrastructural alterations in mesophyll and bundle sheath chloroplasts of two maize cultivars in response to chilling at high irradiance

Maize (Zea mays L.) seedlings of two cultivars (cv. Bastion adapted to W. Europe, and cv. Batan 8686 adapted to the highlands of Mexico), raised in a glasshouse (19-25 degrees C), were transferred to 4.5 or 9 degrees C at photon flux density (PPFD) of 950 mu mol m(-2) s(-1) with 10-h photoperiod for 58 h and then allowed to recover at 22 degrees C for 16 h (14 h dark and 2 h at PPFD of 180 mu mol m(-2) s(-1)). The ultrastructural responses after 4 h or 26 h at 4.5 degrees C were the disappearance of starch grains in the bundle sheath chloroplasts and the contraction of intrathylakoid spaces in stromal thylakoids of the mesophyll chloroplasts. At this time, bundle sheath chloroplasts of cv. Batan 8686 formed peripheral reticulum. Prolonged stress at 4.5 degrees C (50 h) caused plastid swelling and the dilation of intrathylakoid spaces, mainly in mesophyll chloroplasts. Bundle sheath chloroplasts of cv. Batan 8686 seedlings appeared well preserved in shape and structure. Batan 8686 had also higher net photosynthetic rates during chilling and recovery than Bastion. Extended leaf photobleaching developed during the recovery period after chilling at 4.5 degrees C. This was associated with collapsed chloroplast envelopes, disintegrated chloroplasts and very poor staining.

Improved fluorescent proteins for single-molecule research in molecular tracking and co-localization

Three promising variants of autofluorescent proteins have been analyzed photophysically for their proposed use in single-molecule microscopy studies in living cells to compare their superiority to other fluorescent proteins previously reported regarding the number of photons emitted. The first variant under investigation the F46L mutant of eYFP has a 10% greater photon emission rate and > 50% slower photobleaching rate on average than the standard eYFP fluorophore. The monomeric red fluorescent protein (mRFP) has a fivefold lower photon emission rate, likely due to the monomeric content, and also a tenfold faster photobleaching rate than the DsRed fluorescent protein. In contrast, the previously reported eqfp611 has a 50% lower emission rate yet photobleaches more than a factor 2 slowly. We conclude that the F46L YFP and the eqfp611 are superior new options for single molecule imaging and tracking studies in living cells. Studies were also performed on the effects of forced quenching of multiple fluorescent proteins in sub-micrometer regions that would show the effects of dimerization at low concentration levels of fluorescent proteins and also indicate corrections to stoichiometry patterns with fluorescent proteins previously in print. We also introduce properties at the single molecule level of new FRET pairs with combinations of fluorescent proteins and artificial fluorophores.

A universal primer for isolation of fragments of a gene encoding phytoene desaturase for use in virus-induced gene silencing (VIGS) studies

We have been using Virus-Induced Gene Silencing (VIGS) to test the function of genes that are candidates for involvement in floral senescence. Although VIGS is a powerful tool for assaying the effects of gene silencing in plants, relatively few taxa have been studied using this approach, and most that have are in the Solanaceae. We typically use silencing of phytoene desaturase (PDS) in preliminary tests of the feasibility of using VIGS. Silencing this gene, whose product is involved in carotene biosynthesis, results in a characteristic photobleaching phenotype in the leaves. We have found that efficient silencing requires the use of fragments that are more than 90% homologous to the target gene. To simplify testing the effectiveness of VIGS in a range of species, we designed a set of universal primers to a region of the PDS gene that is highly conserved among species, and that therefore allows an investigator to isolate a fragment of the homologous PDS gene from the species of interest. We report the sequences of these primers and the results of VIGS experiments in horticultural species from the Asteraceae, Leguminosae, Balsaminaceae and Solanaceae.

Investigation of the Photodynamic Effects of Curcumin Against Candida albicans

This study describes the association of curcumin with light emitting diode (LED) for the inactivation of Candida albicans. Suspensions of Candida were treated with nine curcumin concentrations and exposed to LED at different fluences. The protocol that showed the best outcomes for Candida inactivation was selected to evaluate the effect of the preirradiation time (PIT) on photodynamic therapy (PDT) effectiveness, the uptake of curcumin by C. albicans cells and the possible involvement of singlet oxygen in the photodynamic action. Curcumin-mediated PDT was also assessed against biofilms. In addition to the microbiological experiments, similar protocols were tested on a macrophage cell line and the effect was evaluated by Methyltetrazolium assay (MTT) and SEM analysis. The optical properties of curcumin were investigated as a function of illumination fluence. When compared with the control group, a statistically significant reduction in C. albicans viability was observed after PDT (P < 0.05), for both planktonic and biofilm cultures. Photodynamic effect was greatly increased with the presence of curcumin in the surrounding media and the PIT of 20 min improved PDT effectiveness against biofilms. Although PDT was phototoxic to macrophages, the therapy was more effective in inactivating the yeast cell than the defense cell. The spectral changes showed a high photobleaching rate of curcumin.

Influence of pH on the phototransformation process of PhotogemA (R)

PhotogemA (R) is a hematoporphyrin derivative that has been used as a photosensitizer in experimental and clinical Photodynamic Therapy (PDT) in Brazil. Photosensitizers are degraded under illumination. This process, usually called photobleaching, can be monitored by decreasing in fluorescence intensities and includes the following photoprocesses: photodegradation, phototransformation, and photorelocalization. Photobleaching of hematoporphyrin-type sensitizers during illumination in aqueous solution is related not only to photodegradation but is also followed by the formation of photoproducts with a new fluorescence band at around 640-650 nm and with increased light absorption in the red spectral region at 640 nm. In this study, the influence of pH on the phototransformation process was investigated. PhotogemA (R) solutions, 40 mu g/ml, were irradiated at 514 nm with intensity of 100 mW/cm(2) for 20 min with different pH environments. The controls were performed with the samples in the absence of light. The PhotogemA (R) photodegradation is dependent on the pH. The behavior of photodegradation and photoproducts formation (monitored at 640 nm) is distinct and depends on the photosensitizer concentration. The processes of degradation and photoproducts formation were monitored with Photogemin the concentration of 40 mu g/mL since that demonstrated the best visualization of both processes. While below pH 5 the photodegradation occurred, there was no detectable presence of photoproducts. The increase of pH led to increase of photoproducts formation rate with photodegradation reaching the highest value at pH 10. The increase of photoproducts formation and instability of PhotogemA (R) from pH 6 to pH 10 are in agreement with the desired properties of an ideal photosensitizer since there are significant differences in pH between normal (7.0 < pH < 8.6) and tumor (5.8 < pH < 7.9) tissues. It is important to know the effect of pH in the process of phototransformation (degradation and photoproduct formation) of the molecule since low pH values promotes increase in the proportion of aggregates species in solution and high pH values promotes increase in the proportion of monomeric species. There must be an ideal pH interval which favors the phototransformation process that is correlated with the singlet oxygen formation responsible by the photodynamic effect. These differences in pH between normal and tumor cells can explain the presence of photosensitizers in target tumor cells, making PDT a selective therapy.

Phototransformation of hematoporphyrin in aqueous solution: Anomalous behavior at low oxygen concentration

The photoactivation of a photosensitizer is the initial step in photodynamic therapy (PDT) where photochemical reactions result in the production of reactive oxygen species and eventually cell death. In addition to oxidizing biomolecules, some of these photochemical reactions lead to photosensitizer degradation at a rate dependent on the oxygen concentration among other factors. We investigated photodegradation of Photogem A (R) (28 mu M), a hematoporphyrin derivative, at different oxygen concentrations (9.4 to 625.0 mu M) in aqueous solution. The degradation was monitored by fluorescence spectroscopy. The degradation rate (M/s) increases as the oxygen concentration increases when the molar ratio of oxygen to PhotogemA (R) is greater than 1. At lower oxygen concentrations (< 25 mu M) an inversion of this behavior was observed. The data do not fit a simple kinetic model of first-order dependence on oxygen concentration. This inversion of the degradation rate at low oxygen concentration has not previously been demonstrated and highlights the relationship between photosensitizer and oxygen concentrations in determining the photobleaching mechanism(s). The findings demonstrate that current models for photobleaching are insufficient to explain completely the effects at low oxygen concentration.