Axe et rotaxane parapluie : vers de nouveaux transporteurs transmembranaires de chlorures et de médicaments cycliques

La membrane cellulaire est principalement une bicouche phospholipidique constituant une barrière qui régule les échanges entre la cellule et son environnement. Son intérieur hydrophobe empêche le passage d’espèces hydrophiles, chargées, de grande masse moléculaire et polaires, qui sont généralement transportées par des protéines à travers la bicouche. Dans certains cas de systèmes défectueux (e.g. les canalopathies), l’équilibre des concentrations en ions à l’intérieur et à l’extérieur des cellules est perturbé et les cellules sont compromises. C’est pourquoi le développement de transporteurs transmembranaires synthétiques est nécessaire. De nombreux travaux ont été faits dans le développement de transporteurs synthétiques d’anions (particulièrement du chlorure). Dans cette thèse, nous présentons nos travaux sur un nouveau transporteur d’anion appelé axe parapluie, capable de changer de conformation dépendamment de la polarité de son environnement. Dans un premier temps, nous avons conçu le design, puis synthétisé ces axes parapluie qui montrent une importante activité en tant que transporteur de chlorures. Ces composés réunissent deux concepts : - Le parapluie, constitué d’acides biliaires amphiphiles (une face hydrophile, une face hydrophobe). La flexibilité des articulations combinée à la grande surface des acides choliques permettent d’empêcher les interactions défavorables entre les parties hydrophiles et hydrophobes, ce qui facilite l’insertion dans la bicouche. - Un site ammonium secondaire en tant que site de reconnaissance, capable de former des ponts hydrogène avec des ions chlorure. De plus, l’axe peut complexer une roue de type éther couronne pour former un pseudo-rotaxane ou rotaxane parapluie ce qui résulte en l’inhibition partielle de leurs propriétés de transport. Ceci nous mène au second objectif de cette thèse, le développement d’un nouveau moyen de transport pour les médicaments cycliques. Certains macrocycles polaires et biologiquement actifs tels que les nactines ont besoin d’atteindre leur objectif à l’intérieur de la cellule pour jouer leur rôle. La membrane cellulaire est alors un obstacle. Nous avons imaginé tirer profit de notre axe parapluie pour transporter un médicament cyclique (en tant que roue d’un rotaxane parapluie). Les assemblages des rotaxanes parapluie furent accomplis par la méthode de clipage. Le comportement de l’axe et du rotaxane parapluie fut étudié par RMN et fluorimétrie. Le mouvement du parapluie passant d’une conformation fermée à exposée dépendamment du milieu fut observé pour le rotaxane parapluie. Il en fut de même pour les interactions entre le rotaxane parapluie et des vésicules constituées de phospholipides. Finalement, la capacité du rotaxane parapluie à franchir la bicouche lipidique pour transporter la roue à l’intérieur de la vésicule fut démontrée à l’aide de liposomes contenant de la α-chymotrypsine. Cette dernière pu cliver certains liens amide de l’axe parapluie afin de relarguer la roue.

Développement de tensioactifs à base d’acides biliaires pegylés pour des applications pharmaceutiques

Les acides biliaires sont reconnus comme des tensioactifs d’origine biologique potentiellement applicables dans le domaine pharmaceutique. Leurs structures en font une plateforme idéale pour l’obtention de nouvelles architectures polymères. Des composés synthétisés par polymérisation anionique de dérivés d’oxirane comme l’oxyde d’éthylène, offre des dérivés amphiphiles pegylés démontrant des propriétés d’agrégation intéressantes en vue d’une amélioration de la biocompatibilité et de la capacité d’encapsulation médicamenteuse. Une large gamme d’acides biliaires pegylés (BA(EGn)x) a été préparée avec comme objectif premier leurs applications dans la formulation de principes actifs problématiques. Pour cela, une caractérisation rigoureuse du comportement de ces dérivés (modulation de la longueur (2 < n < 19) et du nombre de bras (2 < x < 4) de PEG) en solution a été réalisée. Dans le but d’améliorer la biodisponibilité de principes actifs lipophiles (cas de l’itraconazole), des nanoémulsions spontanées, composées de BA(EGn)x et d’acide oléique, ont été développées. L’évaluation in vitro, de la toxicité (cellulaire), et de la capacité de solubilisation des systèmes BA(EGn)x, ainsi que les paramètres pharmacocinétiques in vivo (chez le rat), suggèrent une livraison contrôlée par nos systèmes auto-assemblés lors de l’administration orale et intraveineuse. Aussi, la synthèse de copolymères en blocs en étoile à base d’acide cholique pegylés a été effectuée par polymérisation anionique par addition d’un second bloc au caractère hydrophobe de poly(éther d’allyle et de glycidyle) (CA(EGn-b-AGEm)4). Selon le ratio de blocs hydrophiles-hydrophobes CA(EGn-b-AGEm)4, des réponses thermiques en solution (LCST) ont été observées par un point de trouble (Cp) entre 8 oC et 37 oC. Un mécanisme de formation d’agrégats en plusieurs étapes est suggéré. La thiolation des allyles des PAGE permet une fonctionnalisation terminale à haute densité, comparable aux dendrimères. Les caractérisations physico-chimiques des CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 et CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 indiquent la formation de structures auto-assemblées en solution, sensibles à la température ou au pH. Cette fonctionnalisation élargie le domaine d’application des dérivés d’acides biliaires pegylés en étoile vers la transfection d’ADN, la livraison de siRNA thérapeutiques ou encore à une sélectivité de livraison médicamenteux (ex. sensibilité au pH, greffage ligands).

Le rôle de la dysrégulation du métabolisme du cholestérol par le retrait des estrogènes sur la stéatose hépatique

Les estrogènes confèrent aux femmes une protection cardiovasculaire jusqu’à la ménopause. En effet, la perte des fonctions ovariennes engendre plusieurs désordres du profil lipidique qui s’accompagnent d’une accumulation de triglycérides au foie appelée stéatose hépatique. Le retrait des estrogènes perturbe de nombreuses voies de contrôle de la cholestérolémie, provoquant simultanément une hypercholestérolémie et une stéatose hépatiques. Toutefois, à ce jour, les mécanismes d’action du retrait des estrogènes sur le métabolisme du cholestérol favorisant le stockage de triglycérides au foie demeurent imprécis. À cet égard, les travaux de cette thèse visaient à clarifier l’ensemble des effets du retrait des estrogènes sur le métabolisme du cholestérol pouvant mener à la pathogenèse de la stéatose hépatique. Lors de la première étude, l’ovariectomie (Ovx) chez la rate, un modèle bien établi de la stéatose, avait permis d’identifier la voie d’assemblage des lipoprotéines à très faible densité (VLDL) comme élément contributif à la stéatose. La voie des VLDL reliant étant également une voie de transport du cholestérol, l’étude suivante a été réalisée afin de comprendre le rôle du cholestérol alimentaire sur les lipides hépatiques. Dans cette deuxième étude, le modèle de la diète riche en lipides et en cholestérol (HFHC), aussi reconnu pour induire une stéatose hépatique, a permis d’établir des liens étroits entre le métabolisme du cholestérol et celui des lipides hépatiques. Étonnamment, de manière similaire à l’Ovx, la diète HFHC perturbait la voie d’assemblage des VLDL. En outre, les données recueillies au cours de ces travaux indiquaient qu’une dysrégulation du métabolisme des acides biliaires avait contribué à la sévérité de la stéatose hépatique induite par cette diète HFHC. Dans la continuité de ces deux premiers projets, nous nous sommes intéressés aux effets concomitants du retrait des estrogènes et d’une diète HFHC sur la stéatose hépatique. De manière intéressante, lorsque combinés, l’Ovx et la diète HFHC potentialisaient non seulement l’accumulation de lipides hépatiques, mais également les perturbations moléculaires des voies sous-jacentes à la stéatose, dont l’assemblage des VLDL et de la sécrétion d’acides biliaires. Dans l’ensemble, les données présentées dans la revue de littérature et dans les trois études reliées à cette thèse indiquent qu’une dysrégulation du métabolisme du cholestérol en réponse au retrait des estrogènes entraîne des complications favorisant l’accumulation de lipides dans le foie.

Carence en œstrogènes et bases moléculaires du métabolisme des triglycérides et du cholestérol dans le foie et l'intestin : effet de l'exercice physique

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées.

Régulation de la fonction vasculaire pendant le vieillissement : rôles de l’environnement post-natal et du gène suppresseur de tumeurs p53

La dysfonction endothéliale vasculaire constitue un marqueur précoce des maladies cardiovasculaires car l’endothélium est l’une des premières cibles des facteurs de risque cardiovasculaire. La présence d'un stress chronique engendré par les facteurs de risque cardiovasculaire sollicite les mécanismes de défense endogènes, tels que les enzymes antioxydantes, qui servent au maintien de la fonction endothéliale. L’environnement vasculaire auquel l’endothélium est exposé a un effet direct sur son fonctionnement à long terme. Certaines habitudes de vie sont ainsi associées à une bonne santé cardiovasculaire. Par exemple, la diète méditerranéenne et/ou la pratique régulière de l’exercice physique aident à maintenir une fonction endothéliale adéquate et à réduire l’incidence des maladies cardiovasculaires. D'autre part, certains gènes clés, comme le gène suppresseur de tumeurs p53, régulent plusieurs voies métaboliques importantes pour préserver l’intégrité des cellules endothéliales. Nous posons l’hypothèse que l’environnement vasculaire post-natal influence la mise en place de mécanismes de défenses endogènes tels que les enzymes antioxydantes afin de faire face à des stress plus tard dans la vie. Notre objectif global était d’évaluer les impacts d’interventions post-natales bénéfiques et d’une diminution endogène du gène suppresseur de tumeurs p53, sur la fonction endothéliale vasculaire et sur sa capacité à faire face à un stress métabolique. Dans une première étude, nous avons soumis des souris saines C57Bl/6 dès leur sevrage et jusqu’à l’âge de 9 mois, à un programme d’exercice physique volontaire (course dans une roue) ou à un antioxydant (catéchine), comparé à un groupe de souris sédentaires et sans antioxydant. Puis les interventions ont été stoppées et une diète riche en gras a été introduite, ou non, pour une période de 3 mois; les souris ont été sacrifiées à l'âge de 9 ou 12 mois. Nous avons observé que l’exercice a protégé les cellules endothéliales des effets délétères induits par la diète riche en gras en préservant la fonction endothéliale par le maintien d’un profil rédox sain et en évitant la hausse de l’inflammation. La catéchine a maintenu la fonction endothéliale aortique, mais n’a pas prévenu le profil inflammatoire en présence de la diète riche en gras. Finalement, chez les souris sédentaires, la fonction endothéliale a été détériorée en présence de la diète riche en gras, sans indice d’inflammation vasculaire. Dans une seconde étude, des souris partiellement déficientes en p53 (p53+/-) et contrôles C57Bl/6 ont été exposées à la même diète riche en gras à partir de 3 mois et ce jusqu’à l’âge de 6 mois. Notre raisonnement était basé sur la démonstration que p53 est un régulateur de l’expression des enzymes antioxydantes in vitro. Chez les souris p53+/-, les cellules endothéliales ont été protégées du stress induit par l’hypercholestérolémie engendrée par la diète riche en gras. Cependant, chez les souris p53+/- cette protection pourrait être secondaire à un métabolisme accru des acides biliaires, qui en prévenant la hausse de cholestérol, protègerait indirectement l'endothélium. Nous avons donc pu démontrer l’importance de l’environnement vasculaire sur la fonction endothéliale. La diète riche en gras a stimulé certains mécanismes de défense vasculaires tels que la voie des EDHF et la superoxyde dismutase afin de maintenir la fonction endothéliale malgré les conditions pro-athérosclérotiques. Nous avons observé que l’exercice et la catéchine influencent différemment l’endothélium malgré leurs capacités antioxydantes. Ces études soulignent la sensibilité de l’endothélium aux changements dans l’environnement vasculaire. En accord avec le vieillissement de la population et la progression des maladies cardiovasculaires, la proportion de personnes ayant une dysfonction endothéliale augmente. Ainsi, une meilleure compréhension des mécanismes ou d’interventions qui permettent le maintien de la fonction endothéliale à long terme s’avère utile.

Metabolomics analysis in rats with thiamine deficiency identifies key metabolites in vulnerable brain regions and suggests neural stem progenitor cells play a role in ameliorating metabolic dysfunction

La documentation scientifique fait état de la présence, chez l’adulte, de cellules souches et progénitrices neurales (CSPN) endogènes dans les zones sous-ventriculaire et sous-granulaire du cerveau ainsi que dans le gyrus denté de l’hippocampe. De plus, un postulat selon lequel il serait également possible de retrouver ce type de cellules dans la moelle épinière et le néocortex des mammifères adultes a été énoncé. L’encéphalopathie de Wernicke, un trouble neurologique grave toutefois réversible qui entraîne un dysfonctionnement, voire une défaillance du cerveau, est causée principalement par une carence importante en thiamine (CT). Des observations récentes laissent envisager que les facteurs en cause dans la prolifération et la différenciation des CSPN pourraient également jouer un rôle important lors d’un épisode de CT. L’hypothèse, selon laquelle l’identification de nouveaux métabolites entrant dans le mécanisme ou la séquence de réactions se soldant en une CT pourraient en faciliter la compréhension, a été émise au moyen d'une démarche en cours permettant d’établir le profil des modifications métaboliques qui surviennent en de telles situations. Cette approche a été utilisée pour constater les changements métaboliques survenus au niveau du foyer cérébral dans un modèle de rats déficients en thiamine (rats DT), particulièrement au niveau du thalamus et du colliculus inférieur (CI). La greffe de CSPN a quant à elle été envisagée afin d’apporter de nouvelles informations sur la participation des CSPN lors d’un épisode de CT et de déterminer les bénéfices thérapeutiques potentiels offerts par cette intervention. Les sujets de l’étude étaient répartis en quatre groupes expérimentaux : un premier groupe constitué de rats dont la CT était induite par la pyrithiamine (rats DTiP), un deuxième groupe constitué de rats-contrôles nourris ensemble (« pair-fed control rats » ou rats PFC) ainsi que deux groupes de rats ayant subi une greffe de CSPN, soit un groupe de rats DTiP greffés et un dernier groupe constitué de rats-contrôles (rats PFC) greffés. Les échantillons de foyers cérébraux (thalamus et CI) des quatre groupes de rats ont été prélevés et soumis à des analyses métabolomiques non ciblées ainsi qu’à une analyse visuelle par microscopie à balayage électronique (SEM). Une variété de métabolites-clés a été observée chez les groupes de rats déficients en thiamine (rats DTiP) en plus de plusieurs métabolites dont la documentation ne faisait pas mention. On a notamment constaté la présence d’acides biliaires, d’acide cynurénique et d’acide 1,9— diméthylurique dans le thalamus, alors que la présence de taurine et de carnosine a été observée dans le colliculus inférieur. L’étude a de plus démontré une possible implication des CSPN endogènes dans les foyers cérébraux du thalamus et du colliculus inférieur en identifiant les métabolites-clés ciblant les CSPN. Enfin, les analyses par SEM ont montré une amélioration notable des tissus à la suite de la greffe de CSPN. Ces constatations suggèrent que l’utilisation de CSPN pourrait s’avérer une avenue thérapeutique intéressante pour soulager la dégénérescence symptomatique liée à une grave carence en thiamine chez l’humain.

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.

The use of FT-IR as a screening technique for organic residue analysis of archaeological samples

A range of archaeological samples have been examined using FT-IR spectroscopy. These include suspected coprolite samples from the Neolithic site of Catalhoyuk in Turkey, pottery samples from the Roman site of Silchester, UK and the Bronze Age site of Gatas, Spain and unidentified black residues on pottery sherds from the Roman sites of Springhead and Cambourne, UK. For coprolite samples the aim of FT-IR analysis is identification. Identification of coprolites in the field is based on their distinct orange colour; however, such visual identifications can often be misleading due to their similarity with deposits such as ochre and clay. For pottery the aim is to screen those samples that might contain high levels of organic residues which would be suitable for GC-MS analysis. The experiments have shown coprolites to have distinctive spectra, containing strong peaks from calcite, phosphate and quartz; the presence of phosphorus may be confirmed by SEM-EDX analysis. Pottery containing organic residues of plant and animal origin has also been shown to generally display strong phosphate peaks. FT-IR has distinguished between organic resin and non-organic compositions for the black residues, with differences also being seen between organic samples that have the same physical appearance. Further analysis by CC-MS has confirmed the identification of the coprolites through the presence of coprostanol and bile acids, and shows that the majority of organic pottery residues are either fatty acids or mono- or di-acylglycerols from foodstuffs, or triterpenoid resin compounds exposed to high temperatures. One suspected resin sample was shown to contain no organic residues. and it is seen that resin samples with similar physical appearances have different chemical compositions. FT-IR is proposed as a quick and cheap method of screening archaeological samples before subjecting them to the more expensive and time-consuming method of GC-MS. This will eliminate inorganic samples such as clays and ochre from CC-MS analysis, and will screen those samples which are most likely to have a high concentration of preserved organic residues. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Diet, fecal water, and colon cancer - development of a biomarker

Colorectal cancer (CRC) is a leading cause of cancer incidence worldwide. Lifestyle factors, especially dietary intake, affect the risk of CRC development. Suitable risk biomarkers are required in order to assess the effect that specific dietary components have on CRC risk. The relationship between dietary intake and indicators of fecal water activity has been assessed using cell and animal models as well as human studies. This review summarizes the literature on fecal water and dietary components with a view to establishing further the potential role of fecal water as a source of CRC risk biomarkers. The literature indicates that fecal water activity markers are affected by specific dietary components linked with CRC risk: red meat, saturated fats, bile acids, and fatty acids are associated with an increase in fecal water toxicity, while the converse appears to be true for calcium, probiotics, and prebiotics. However, it must be acknowledged that the study of fecal water is still in its infancy and a number of issues need to be addressed before its usefulness can be truly gauged.

Effect of colonic bacterial metabolites on Caco-2 cell paracellular permeability in vitro

One common effect of tumor promoters is increased tight junction (TJ) permeability. TJs are responsible for paracellular permeability and integrity of the barrier function. Occludin is one of the main proteins responsible for TJ structure. This study tested the effects of physiological levels of phenol, ammonia, primary bile acids (cholic acid, CA, and chenodeoxycholic acid, CDCA), and secondary bile acids (lithocholic acid, LCA, and deoxycholic acid, DCA) on paracellular permeability using a Caco-2 cell model. Paracellular permeability of Caco-2 monolayers was assessed by transepithelial electrical resistance (TER) and the apical to basolateral flux of [C-14]-mannitol. Secondary, but not primary, bile acids increased permeability as reflected by significantly decreased TER and increased mannitol flux. Both phenol and ammonia also increased permeability. The primary bile acid CA significantly increased occludin expression (P < 0.05), whereas CDCA had no significant effect on occludin expression as compared to the negative control. The secondary bile acids DCA and LCA significantly increased occludin expression (P < 0.05), whereas phenol had no significant effect on the protein expression as compared to the negative control. This suggests that the increased permeability observed with LCA, DCA, phenol, and ammonia was not related to an effect on occludin expression. In conclusion, phenol, ammonia, and secondary bile acids were shown to increase paracellular permeability and reduce epithelial barrier function at doses typical of levels found in fecal samples. The results contribute to the evidence these gut microflora-generated products have tumor-promoting activity.

Systemic multicompartmental effects of the gut microbiome on mouse metabolic phenotypes

To characterize the impact of gut microbiota on host metabolism, we investigated the multicompartmental metabolic profiles of a conventional mouse strain (C3H/HeJ) (n=5) and its germ-free (GF) equivalent (n=5). We confirm that the microbiome strongly impacts on the metabolism of bile acids through the enterohepatic cycle and gut metabolism (higher levels of phosphocholine and glycine in GF liver and marked higher levels of bile acids in three gut compartments). Furthermore we demonstrate that (1) well-defined metabolic differences exist in all examined compartments between the metabotypes of GF and conventional mice: bacterial co-metabolic products such as hippurate (urine) and 5-aminovalerate (colon epithelium) were found at reduced concentrations, whereas raffinose was only detected in GF colonic profiles. (2) The microbiome also influences kidney homeostasis with elevated levels of key cell volume regulators (betaine, choline, myo-inositol and so on) observed in GF kidneys. (3) Gut microbiota modulate metabotype expression at both local (gut) and global (biofluids, kidney, liver) system levels and hence influence the responses to a variety of dietary modulation and drug exposures relevant to personalized health-care investigations.

Human microbiota in health and disease

Each human body plays host to a microbial population which is both numerically vast (at around 1014 microbial cells) and phenomenally diverse (over 1,000 species). The majority of the microbial species in the gut have not been cultured but the application of culture-independent approaches for high throughput diversity and functionality analysis has allowed characterisation of the diverse microbial phylotypes present in health and disease. Studies in monozygotic twins, showing that these retain highly similar microbiota decades after birth and initial colonisation, are strongly indicative that diversity of the microbiome is host-specific and affected by the genotype. Microbial diversity in the human body is reflected in both richness and evenness. Diversity increases steeply from birth reaching its highest point in early adulthood, before declining in older age. However, in healthy subjects there appears to be a core of microbial phylotypes which remains relatively stable over time. Studies of individuals from diverse geopraphies suggest that clusters of intestinal bacterial groups tend to occur together, constituting ‘enterotypes’. So variation in intestinal microbiota is stratified rather than continuous and there may be a limited number of host/microbial states which respond differently to environmental influences. Exploration of enterotypes and functional groups may provide biomarkers for disease and insights into the potential for new treatments based on manipulation of the microbiome. In health, the microbiota interact with host defences and exist in harmonious homeostasis which can then be disturbed by invading organisms or when ‘carpet bombing’ by antibiotics occurs. In a portion of individuals with infections, the disease will resolve itself without the need for antibiotics and microbial homeostasis with the host’s defences is restored. The administration of probiotics (live microorganisms which when administered in adequate amounts confer a health benefit on the host) represents an artificial way to enhance or stimulate these natural processes. The study of innate mechanisms of antimicrobial defence on the skin, including the production of numerous antimicrobial peptides (AMPs), has shown an important role for skin commensal organisms. These organisms may produce AMPs, and also amplify the innate immune responses to pathogens by activating signalling pathways and processing host produced AMPs. Research continues into how to enhance and manipulate the role of commensal organisms on the skin. The challenges of skin infection (including diseases caused by multiply resistant organisms) and infestations remain considerable. The potential to re-colonise the skin to replace or reduce pathogens, and exploring the relationship between microbiota elsewhere and skin diseases are among a growing list of research targets. Lactobacillus species are among the best known ‘beneficial’ bacterial members of the human microbiota. Of the approximately 120 species known, about 15 are known to occur in the human vagina. These organisms have multiple properties, including the production of lactic acid, hydrogen peroxide and bacteriocins, which render the vagina inhospitable to potential pathogens. Depletion of the of the normal Lactobacillus population and overgrowth of vaginal anaerobes, accompanied by the loss of normal vaginal acidity can lead to bacterial vaginosis – the commonest cause of abnormal vaginal discharge in women. Some vaginal anaerobes are associated with the formation of vaginal biofilms which serve to act as a reservoir of organisms which persists after standard antibiotic therapy of bacterial vaginosis and may help to account for the characteristically high relapse rate in the condition. Administration of Lactobacillus species both vaginally and orally have shown beneficial effects in the treatment of bacterial vaginosis and such treatments have an excellent overall safety record. Candida albicans is a frequent coloniser of human skin and mucosal membranes, and is a normal part of the microbiota in the mouth, gut and vagina. Nevertheless Candida albicans is the most common fungal pathogen worldwide and is a leading cause of serious and often fatal nosocomial infections. What turns this organism from a commensal to a pathogen is a combination of increasing virulence in the organism and predisposing host factors that compromise immunity. There has been considerable research into the use of probiotic Lactobacillus spp. in vaginal candidiasis. Studies in reconstituted human epithelium and monolayer cell cultures have shown that L. rhamnosus GG can protect mucosa from damage caused by Candida albicans, and enhance the immune responses of mucosal surfaces. Such findings offer the promise that the use of such probiotic bacteria could provide new options for antifungal therapy. Studies of changes of the human intestinal microbiota in health and disease are complicated by its size and diversity. The Alimentary Pharmabiotic Centre in Cork (Republic of Ireland) has the mission to ‘mine microbes for mankind’ and its work illustrates the potential benefits of understanding the gut microbiota. Work undertaken at the centre includes: mapping changes in the microbiota with age; studies of the interaction between the microbiota and the gut; potential interactions between the gut microbiota and the central nervous system; the potential for probiotics to act as anti-infectives including through the production of bacteriocins; and the characterisation of interactions between gut microbiota and bile acids which have important roles as signalling molecules and in immunity. The important disease entity where the role of the gut microbiota appears to be central is the Irritable Bowel Syndrome (IBS). IBS patients show evidence of immune activation, impaired gut barrier function and abnormal gut microbiota. Studies with probiotics have shown that these organisms can exert anti-inflammatory effects in inflammatory bowel disease and may strengthen the gut barrier in IBS of the diarrhoea-predominant type. Formal randomised trials of probiotics in IBS show mixed results with limited benefit for some but not all. Studies confirm that administered probiotics can survive and temporarily colonise the gut. They can also stimulate the numbers of other lactic acid bacilli in the gut, and reduce the numbers of pathogens. However consuming live organisms is not the only way to influence gut microbiota. Dietary prebiotics are selectively fermented ingredients that can change the composition and/or activity of the gastrointestinal microbiota in beneficial ways. Dietary components that reach the colon, and are available to influence the microbiota include poorly digestible carbohydrates, such as non-starch polysaccharides, resistant starch, non-digestible oligosaccharides (NDOs) and polyphenols. Mixtures of probiotic and prebiotic ingredients that can selectively stimulate growth or activity of health promoting bacteria have been termed ‘synbiotics’. All of these approaches can influence gut microbial ecology, mainly to increase bifidobacteria and lactobacilli, but metagenomic approaches may reveal wider effects. Characterising how these changes produce physiological benefits may enable broader use of these tactics in health and disease in the future. The current status of probiotic products commercially available worldwide is less than ideal. Prevalent problems include misidentification of ingredient organisms and poor viability of probiotic microorganisms leading to inadequate shelf life. On occasions these problems mean that some commercially available products cannot be considered to meet the definition of a probiotic product. Given the potential benefits of manipulating the human microbiota for beneficial effects, there is a clear need for improved regulation of probiotics. The potential importance of the human microbiota cannot be overstated. ‘We feed our microbes, they talk to us and we benefit. We just have to understand and then exploit this.’ (Willem de Vos).

Cholesterol-Lowering Properties of Whole Cowpea Seed and Its Protein Isolate in Hamsters

Hypercholesterolemic hamsters were fed for 4 wk on diets rich in saturated fatty acids and cholesterol, differing only in protein source (20%): casein (control group, HC), whole cowpea seed (HWS), and cowpea protein isolate (HPI). Hamsters fed on HWS and HPI presented significant reductions in plasma total cholesterol and non-HDL cholesterol. HPI and HC presented similar protein digestibility, which were significantly higher than that of HWS. Animals fed on HWS presented significantly higher levels of bile acids and cholesterol in feces than did the animals fed on casein or HPI diets. Histological analyses of the liver showed that HC diet resulted in steatosis widely distributed throughout the hepatic lobule, while HWS and HPI diets promoted reductions in liver steatosis. The effectiveness of HWS for modulating lipid metabolism was greater than that of HPI, as measured by plasma cholesterol reduction and liver steatosis.

Faeces deposition on Amazonian Anthrosols as assessed from 5 beta-stanols

In the Amazon Basin, within a landscape of infertile soils, fertile Anthrosols of pre-Columbian origin occur (Amazonian Dark Earths or terra preta de Indio). These soils are characterized by high amounts of charred organic matter (black carbon, biochar) and high nutrient stocks. Frequently, they were considered as sign for intensive landscape domestication by way of sedentary agriculture and as sign for large settlements in pre-Columbian Amazonia. Beyond the archaeological interest in Amazonian Dark Earths, they increasingly receive attention because it is assumed that they could serve as a model for sustainable agriculture in the humid tropics (terra preta nova). Both questions lack information about the pre-Columbian practices which were responsible for the genesis of Amazonian Dark Earths. It has often been hypothesized that deposition of faeces could have contributed to the high nutrient stocks in these soils, but no study has focussed on this question yet. We analyzed the biomarkers for faeces 5 beta-stanols as well as their precursors and their 5 alpha-isomers in Amazonian Dark Earths and reference soils to investigate the input of faeces into Amazonian Dark Earths. Using Amazonian Dark Earths as example, we discuss the application of threshold values for specific stanols to evaluate faeces deposition in archaeological soils and demonstrate an alternative approach which is based on a comparison of the concentration patterns of 5 beta-stanols with the concentration patterns of their precursors and their 5 alpha-isomers as well as with local backgrounds. The concentration patterns of sterols show that faeces were deposited on Amazonian Dark Earths. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Aberrant lipid metabolism in hepatocellular carcinoma revealed by plasma metabolomics and lipid profiling

There has been limited analysis of the effects of hepatocellular carcinoma (HCC) on liver metabolism and circulating endogenous metabolites. Here, we report the findings of a plasma metabolomic investigation of HCC patients by ultraperformance liquid chromatography-electrospray ionization-quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-ESI-QTOFMS), random forests machine learning algorithm, and multivariate data analysis. Control subjects included healthy individuals as well as patients with liver cirrhosis or acute myeloid leukemia. We found that HCC was associated with increased plasma levels of glycodeoxycholate, deoxycholate 3-sulfate, and bilirubin. Accurate mass measurement also indicated upregulation of biliverdin and the fetal bile acids 7α-hydroxy-3-oxochol-4-en-24-oic acid and 3-oxochol-4,6-dien-24-oic acid in HCC patients. A quantitative lipid profiling of patient plasma was also conducted by ultraperformance liquid chromatography-electrospray ionization-triple quadrupole mass spectrometry (UPLC-ESI-TQMS). By this method, we found that HCC was also associated with reduced levels of lysophosphocholines and in 4 of 20 patients with increased levels of lysophosphatidic acid [LPA(16:0)], where it correlated with plasma α-fetoprotein levels. Interestingly, when fatty acids were quantitatively profiled by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), we found that lignoceric acid (24:0) and nervonic acid (24:1) were virtually absent from HCC plasma. Overall, this investigation illustrates the power of the new discovery technologies represented in the UPLC-ESI-QTOFMS platform combined with the targeted, quantitative platforms of UPLC-ESI-TQMS and GC-MS for conducting metabolomic investigations that can engender new insights into cancer pathobiology.