Mechanical and electrical properties of single-walled carbon nanotubes synthesized by chemical vapor deposition

Despite the tremendous application potentials of carbon nanotubes (CNTs) proposed by researchers in the last two decades, efficient experimental techniques and methods are still in need for controllable production of CNTs in large scale, and for conclusive characterizations of their properties in order to apply CNTs in high accuracy engineering. In this dissertation, horizontally well-aligned high quality single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have been successfully synthesized on St-cut quartz substrate by chemical vapor deposition (CVD). Effective radial moduli (Eradial) of these straight SWCNTs have been measured by using well-calibrated tapping mode and contact mode atomic force microscopy (AFM). It was found that the measured Eradial decreased from 57 to 9 GPa as the diameter of the SWCNTs increased from 0.92 to 1.91 nm. The experimental results were consistent with the recently reported theoretical simulation data. The method used in this mechanical property test can be easily applied to measure the mechanical properties of other low-dimension nanostructures, such as nanowires and nanodots. The characterized sample is also an ideal platform for electrochemical tests. The electrochemical activities of redox probes Fe(CN)63-/4-, Ru(NH3) 63+, Ru(bpy)32+ and protein cytochrome c have been studied on these pristine thin films by using aligned SWCNTs as working electrodes. A simple and high performance electrochemical sensor was fabricated. Flow sensing capability of the device has been tested for detecting neurotransmitter dopamine at physiological conditions with the presence of Bovine serum albumin. Good sensitivity, fast response, high stability and anti-fouling capability were observed. Therefore, the fabricated sensor showed great potential for sensing applications in complicated solution.^

Planktic foraminiferal and sea surface temperature record during the last 1 Myr across the Subtropical Front, Southwest Pacific

Planktic foraminiferal faunas and modern analogue technique estimates of sea surface temperature (SST) for the last 1 million years (Myr) are compared between core sites to the north (ODP 1125, 178 faunas) and south (DSDP 594, 374 faunas) of the present location of the Subtropical Front (STF), east of New Zealand. Faunas beneath cool subtropical water (STW) north of the STF are dominated by dextral Neogloboquadrina pachyderma, Globorotalia inflata, and Globigerina bulloides, whereas faunas to the south are strongly dominated by sinistral N. pachyderma (80-95% in glacials), with increased G. bulloides (20-50%) and dextral N. pachyderma (15-50%) in interglacials (beneath Subantarctic Water, or SAW). Canonical correspondence analysis indicates that at both sites, SST and related factors were the most important environmental influences on faunal composition. Greater climate-related faunal fluctuations occur in the south. Significant faunal changes occur through time at both sites, particularly towards the end of the mid-Pleistocene climate transition, MIS18-15 (e.g., decline of Globorotalia crassula in STW, disappearance of Globorotalia puncticulata in SAW), and during MIS8-5. Interglacial SST estimates in the north are similar to the present day throughout the last 1 Myr. To the south, interglacial SSTs are more variable with peaks 4-7 °C cooler than present through much of the early and middle Pleistocene, but in MIS11, MIS5.5, and early MIS1, peaks are estimated to have been 2-4 °C warmer than present. These high temperatures are attributed to southward spread of the STF across the submarine Chatham Rise, along which the STF appears to have been dynamically positioned throughout most of the last 1 Myr. For much of the last 1 Myr, glacial SST estimates in the north were only 1-2 °C cooler than the present interglacial, except in MIS16, MIS8, MIS6, and MIS4-2 when estimates are 4-7 °C cooler. These cooler temperatures are attributed to jetting of SAW through the Mernoo Saddle (across the Chatham Rise) and/or waning of the STW current. To the south, glacial SST estimates were consistently 10-11 °C cooler than present, similar to temperatures and faunas currently found in the vicinity of the Polar Front. One interpretation is that these cold temperatures reflect thermocline changes and increased Circumpolar Surface Water spinning off the Subantarctic Front as an enhanced Bounty Gyre along the south side of the Chatham Rise. For most of the last 1 Myr, the temperature gradient across the STF has been considerably greater than the present 4 °C. During glacial episodes, the STF in this region did not migrate northwards, but instead there was an intensification of the temperature gradient across it (interglacials 4-11 °C; glacials 8-14 °C).

Experiment: Elevated temperature and PCO2 affect enzyme activities in differentially oxidative tissues of Notothenia rossii

Mitochondrial plasticity plays a central role in setting the capacity for acclimation of aerobic metabolism in ectotherms in response to environmental changes. We still lack a clear picture if and to what extent the energy metabolism and mitochondrial enzymes of Antarctic fish can compensate for changing temperatures or PCO2 and whether capacities for compensation differ between tissues. We therefore measured activities of key mitochondrial enzymes (citrate synthase (CS), cytochrome c oxidase (COX)) from heart, red muscle, white muscle and liver in the Antarctic fish Notothenia rossii after warm- (7 °C) and hypercapnia- (0.2 kPa CO2) acclimation vs. control conditions (1 °C, 0.04 kPa CO2). In heart, enzymes showed elevated activities after cold-hypercapnia acclimation, and a warm-acclimation-induced upward shift in thermal optima. The strongest increase in enzyme activities in response to hypercapnia occurred in red muscle. In white muscle, enzyme activities were temperature-compensated. CS activity in liver decreased after warm-normocapnia acclimation (temperature-compensation), while COX activities were lower after cold- and warm-hypercapnia exposure, but increased after warm-normocapnia acclimation. In conclusion, warm-acclimated N. rossii display low thermal compensation in response to rising energy demand in highly aerobic tissues, such as heart and red muscle. Chronic environmental hypercapnia elicits increased enzyme activities in these tissues, possibly to compensate for an elevated energy demand for acid-base regulation or a compromised mitochondrial metabolism, that is predicted to occur in response to hypercapnia exposure. This might be supported by enhanced metabolisation of liver energy stores. These patterns reflect a limited capacity of N. rossii to reorganise energy metabolism in response to rising temperature and PCO2.

Surface characteristics and metazoa occurrence at ice station PS67/006-1 during POLARSTERN cruise ANT-XXII/2 (Nov 2004-Jan 2005)

The surface and sub-ice layer habitats and their metazoan fauna were studied on a drifting pack-ice floe in the western Weddell Sea from 29 November 2004 to 1 January 2005 during the "Ice Station POLarstern" (ISPOL). Flooding of the floe occurred at some places, and the establishment of surface layers with a brownish colour due to growing algae was observed at several sampling sites. The average surface-layer temperature, brine salinity and brine volume were -1.4 °C, 25.3 and 54%, respectively. The temperature-salinity relationship in the surface layer was seldom at equilibrium conditions. Chlorophyll a (Chl a) concentrations in the brine varied between 1.0 and 53.5 µg /L. Surface-layer thickness, salinity, Chl a concentration and copepod abundances were generally higher at the edge of the floe than in the inner part. The sympagic copepod species Drescheriella glacialis/racovitzai and Stephos longipes, with abundances ranging between 0 and 3830 ind/L (median: 2 ind/L) and 0 and 1293 ind/L (median: 4 ind/L), respectively, were the dominant members of the surface-layer meiofauna. Their populations consisted mainly of adults and early naupliar stages, which points to an active reproduction of these species within the surface layer. Other taxa found in the surface layer were undetermined turbellarians, the gastropod Tergipes antarcticus, and, for the first time, the ctenophore Callianira antarctica, and the amphipods Eusirus antarcticus and Eusirus tridentatus. During the course of our study, slight melting at the ice underside took place, releasing sympagic organisms to the water column. Chl a concentrations in the sub-ice water layer were very low (0.1-0.5 µg /L), except for 25 December when the Chl a concentration at 0 m depth increased to 2.3 µg /L. The most dominant sympagic copepod species found in the sub-ice layer was Ectinosoma sp., with abundances ranging between 1 and 599 ind/m**3 (median: 25 ind/m**3). Other sympagic copepod species occurring regularly in this habitat were D. glacialis/racovitzai, Diarthrodes cf. lilacinus, Idomene antarctica and S. longipes. All of these sympagic species were generally found in higher abundances at 0 m depth underneath the ice than at 5 m depth, in contrast to pelagic copepod species that occurred more frequently at 5 m depth. Niche separation and probable life-cycle strategies of dominant sympagic metazoans are discussed.

Safety and efficacy of ledipasvir-sofosbuvir in black patients with hepatitis C virus infection: A retrospective analysis of phase 3 data.

UNLABELLED: Black patients chronically infected with genotype 1 hepatitis C virus (HCV) have historically had lower rates of response to interferon-based treatment than patients of other races. In the phase 3 ION program, the single-tablet regimen of the NS5A inhibitor ledipasvir and NS5B nucleotide polymerase inhibitor sofosbuvir was shown to be safe and highly effective in the general population. The aim of this study was to evaluate the safety and efficacy of ledipasvir/sofosbuvir in black patients using data from the three open-label ION clinical trials, which evaluated the safety and efficacy of 8, 12, and 24 weeks of ledipasvir/sofosbuvir with or without ribavirin for the treatment of treatment-naïve and treatment-experienced patients with genotype 1 HCV, including those with compensated cirrhosis. The primary endpoint was sustained virologic response at 12 weeks after the end of therapy (SVR12). For our analysis, rates of SVR12, treatment-emergent adverse events, and graded laboratory abnormalities were analyzed in black versus non-black patients. Of the 1949 patients evaluated, 308 (16%) were black. On average, black patients were older, had higher body mass index, were more likely to be IL28B non-CC, and had a lower serum alanine aminotransferase at baseline than non-black patients. Overall, 95% of black and 97% of non-black patients achieved SVR12. The rate of relapse was 3% in black patients as compared with 2% in non-black patients. The most common adverse events included fatigue, headache, nausea, and insomnia. The majority of adverse events occurred more frequently in the ribavirin-containing arms of the studies. No differences were observed in overall safety by race. CONCLUSION: A once-daily dosage of ledipasvir/sofosbuvir was similarly effective in black and non-black patients with genotype 1 HCV infection. The addition of ribavirin did not appear to increase SVR12 but was associated with higher rates of adverse events.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Modélisation en bandes C et X de la rétrodiffusion de couverts de neige sèche : évaluation de l’apport de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses.

La compréhension et la modélisation de l’interaction de l’onde électromagnétique avec la neige sont très importantes pour l’application des technologies radars à des domaines tels que l’hydrologie et la climatologie. En plus de dépendre des propriétés de la neige, le signal radar mesuré dépendra aussi des caractéristiques du capteur et du sol. La compréhension et la quantification des différents processus de diffusion du signal dans un couvert nival s’effectuent à travers les théories de diffusions de l’onde électromagnétique. La neige, dans certaines conditions, peut être considérée comme un milieu dense lorsque les particules de glace qui la composent y occupent une fraction volumique considérable. Dans un tel milieu, les processus de diffusion par les particules ne se font plus de façon indépendante, mais de façon cohérente. L’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses est une des théories élaborées afin de prendre en compte ces processus de diffusions cohérents. Son apport a été démontré dans de nombreuses études pour des fréquences > 10 GHz où l’épaisseur optique de la neige est importante et où la diffusion de volume est prédominante. Par contre, les capteurs satellitaires radar présentement disponibles utilisent les bandes L (1-2GHz), C (4-8GHz) et X (8-12GHz), à des fréquences principalement en deçà des 10 GHz. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’apport du modèle de diffusion issu de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses (QCA/DMRT) dans la modélisation de couverts de neige sèches en bandes C et X. L’approche utilisée consiste à comparer la modélisation de couverts de neige sèches sous QCA/DMRT à la modélisation indépendante sous l’approximation de Rayleigh. La zone d’étude consiste en deux sites localisés sur des milieux agricoles, près de Lévis au Québec. Au total 9 champs sont échantillonnés sur les deux sites afin d’effectuer la modélisation. Dans un premier temps, une analyse comparative des paramètres du transfert radiatif entre les deux modèles de diffusion a été effectuée. Pour des paramètres de cohésion inférieurs à 0,15 à des fractions volumiques entre 0,1 et 0,3, le modèle QCA/DMRT présentait des différences par rapport à Rayleigh. Un coefficient de cohésion optimal a ensuite été déterminé pour la modélisation d’un couvert nival en bandes C et X. L’optimisation de ce paramètre a permis de conclure qu’un paramètre de cohésion de 0,1 était optimal pour notre jeu de données. Cette très faible valeur de paramètre de cohésion entraîne une augmentation des coefficients de diffusion et d’extinction pour QCA/DMRT ainsi que des différences avec les paramètres de Rayleigh. Puis, une analyse de l’influence des caractéristiques du couvert nival sur les différentes contributions du signal est réalisée pour les 2 bandes C et X. En bande C, le modèle de Rayleigh permettait de considérer la neige comme étant transparente au signal à des angles d’incidence inférieurs à 35°. Vu l’augmentation de l’extinction du signal sous QCA/DMRT, le signal en provenance du sol est atténué d’au moins 5% sur l’ensemble des angles d’incidence, à de faibles fractions volumiques et fortes tailles de grains de neige, nous empêchant ainsi de considérer la transparence de la neige au signal micro-onde sous QCA/DMRT en bande C. En bande X, l’augmentation significative des coefficients de diffusion par rapport à la bande C, ne nous permet plus d’ignorer l’extinction du signal. La part occupée par la rétrodiffusion de volume peut dans certaines conditions, devenir la part prépondérante dans la rétrodiffusion totale. Pour terminer, les résultats de la modélisation de couverts de neige sous QCA/DMRT sont validés à l’aide de données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Les deux modèles présentaient des rétrodiffusions totales semblables qui concordaient bien avec les données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Pour RADARSAT-2, le RMSE du modèle QCA/DMRT est de 2,52 dB en HH et 2,92 dB en VV et pour Rayleigh il est de 2,64 dB en HH et 3,01 dB en VV. Pour ce qui est de TerraSAR-X, le RMSE du modèle QCA/DMRT allait de 1,88 dB en HH à 2,32 dB en VV et de 2,20 dB en HH à 2,71 dB en VV pour Rayleigh. Les valeurs de rétrodiffusion totales des deux modèles sont assez similaires. Par contre, les principales différences entre les deux modèles sont bien évidentes dans la répartition des différentes contributions de cette rétrodiffusion totale.

High glucose mediates prooxidant and antioxidant enzyme activities in coronary endothelial cells

Objective: Excess levels of free radicals such as nitric oxide (NO) and superoxide anion (O2-)are associated with the pathogenesis of endothelial cell dysfunction in diabetes mellitus. This study was designed to investigate the underlying causes of oxidative stress in coronary microvascular endothelial cells (CMEC) exposed to hyperglycaemia. Methods: CMEC were cultured under normal (5.5 mmol/L) or high glucose (22 mmol/L)concentrations for 7 days. The activity and expression (protein level) of eNOS, iNOS, NAD(P)H oxidase and antioxidant enzymes, namely, superoxide dismutase (SOD), catalase and glutahione peroxidase (GPx) were investigated by specific activity assays and Western analyses,respectively while the effects of hyperglycaemia on nitrite and O2 - generation were investigated by Griess reaction and cytochrome C reduction assay, respectively. Results: Hyperglycaemia did not alter eNOS or iNOS protein expressions and overall nitrite generation, an index of NO production. However, it significantly reduced the levels of intracellular antioxidant glutathione by 50% (p<0.05) and increased the protein expressions and/or activities of p22-phox, a membrane-bound component of pro-oxidant NAD(P)H oxidase and antioxidant enzymes (p<0.05). Free radical-scavengers, namely, Tiron and MPG (0.1-1 mol/L) reduced hyperglycaemia-induced antioxidant enzyme activity and increased glutathione and nitrite generation to the levels observed in CMEC cultured in normoglycaemic medium (p<0.01). The differences in enzyme activity and expressions were independent of the increased osmolarity generated by high glucose levels as investigated by using equimolar concentrations of mannitol in parallel experiments. Conclusions: These results suggest that hyperglycaemia-induced oxidative stress may arise in CMEC as a result of enhanced prooxidant enzyme activity and diminished generation of 3 antioxidant glutathione. By increasing the antioxidant enzyme capacity CMEC may protect themselves against free radical-induced cell damage in diabetic conditions. The definitive version is available at http://www.blackwell-synergy.com

Soybean lunasin mediates colon carcinogenesis by inducing apoptosis and preventing outgrowth of metastasis

Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer worldwide. Various factors such as age, lifestyle and dietary patterns affect the risk of having CRC. Epidemiological studies showed a chemopreventive effect of soy consumption against CRC. However, which component(s) of soybean is associated with this reduced risk is not yet fully delineated. The objective of this research was to evaluate the anti-colon cancer potential of lunasin isolated from defatted soybean flour using in vitro and in vivo models of CRC. Lunasin was isolated from defatted soybean flour by a combination of different chromatographic and ultrafiltration techniques. The anti-colon cancer potential of lunasin was determined using different human colon cancer cell lines in vitro and a CRC liver metastasis model in vivo. Lunasin caused cytotoxicity to different human colon cancer cells with an IC50 value of 13.0, 21.6, 26.3 and 61.7 µM for KM12L4, RKO, HCT-116 and HT-29 human colon cancer cells, respectively. This cytotoxicity correlated with the expression of the α5 integrin on human colon cancer cells with a correlation coefficient of 0.78. The mechanism involved in the cytotoxic effect of lunasin was through cell cycle arrest and induction of the mitochondrial pathway of apoptosis. In KM12L4 human colon cancer cells, lunasin caused a G2/M phase arrest increasing the percentage of cells at G2/M phase from 12% (PBS-treated) to 24% (treated with 10 µM lunasin). This arrest was attributed to the capability of lunasin to increase the expression of cyclin dependent kinase inhibitors p21 and p27. At 10 µM, lunasin increased the expression of p21 and p27 in KM12L4 colon cancer cells by 2.2- and 2.3-fold, respectively. Flow cytometric analysis showed that lunasin at 10 µM increased the percentage of cells undergoing apoptosis from 13.6% to 24.7%. This is further supported by fluorescence microscopic analysis of KM12L4 cells treated with 10 µM lunasin showing chromatin condensation and DNA fragmentation. The mechanism involved is through modification of proteins involved in the mitochondrial pathway of apoptosis in KM12L4 cells as 10 µM lunasin reduced the expression of the anti-apoptotic Bcl-2 protein by 2-fold and increased the expression of the pro-apoptotic proteins Bax, cytochrome c and nuclear clusterin by 2.2-, 2.1- and 2.3- fold, respectively. This led to increased expression and activity of the executioner of apoptosis, caspase-3 by 1.8- and 2.3-fold, respectively. This pro-apoptotic property of lunasin can be attributed to its capability to internalize into the cytoplasm and nucleus of colon cancer cells 24 h and 72 h after treatment, respectively. In addition, lunasin mediated metastasis of colon cancer cells in vitro by inhibiting the focal adhesion kinase activation thereby reducing expression of extracellular regulated kinase and nuclear factor kappa B and finally inhibiting migration of colon cancer cells. In KM12L4 colon cancer cells, 10 µM lunasin resulted in the reduction of phosphorylation of focal adhesion kinase and extracellular regulated kinase by 2.5-fold, resulting in the reduced nuclear translocation of p50 and p65 NF-κB subunits by 3.8- and 1.4-fold, respectively. In an in vivo model of CRC liver metastasis, daily intraperitoneal administration of lunasin at 4 mg/kg body weight resulted in the inhibition of KM12L4 liver metastasis as shown by the reduction of the number of liver metastases from 28 (PBS-treated) to 14 (lunasin-treated, P = 0.047) and reduction in tumor burden as measured by liver weight/body weight from 0.13 (PBS-treated) to 0.10 (lunasin-treated, P = 0.039). Moreover, lunasin potentiated the anti-metastatic effect of the chemotherapeutic drug oxaliplatin given at 5 mg/kg body weight twice per week. Lunasin and oxaliplatin combination resulted in a more potent inhibition of outgrowth of KM12L4 cell metastases to the liver reducing the number of liver metastases by 6-fold and reducing the tumor burden in the liver by 3-fold when compared to PBS-treated group. This can be attributed by the capability of lunasin and oxaliplatin to reduce expression of proliferating cell nuclear antigen in liver-tumor tissue as measured by immunohistochemical staining. The results of this research for the first time demonstrated the anti-colon cancer potential of lunasin isolated from defatted soybean flour which might contribute to the chemopreventive effect of soybean in CRC as seen in different epidemiological studies. In conclusion, lunasin isolated from defatted soybean flour mediated colon carcinogenesis by inducing apoptosis and preventing outgrowth of metastasis. We suggest that the results of this research serve as a basis for further study on the chemopreventive effect of lunasin against CRC and a possible adjuvant role for lunasin in therapy of patients with metastatic CRC.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Ontogeny and nutritional programming of mitochondrial proteins in the ovine kidney, liver and lung

This study investigated the developmental and nutritional programming of two important mitochondrial proteins, namely voltage dependent anion channel (VDAC) and cytochrome c in the sheep kidney, liver and lung. The effect of maternal nutrient restriction between early to mid gestation (i.e. 28 to 80 days gestation, the period of maximal placental growth) on the abundance of these proteins was also examined in fetal and juvenile offspring. Fetuses were sampled at 80 and 140 days gestation (term ~147 days), and postnatal animals at 1 and 30 days and 6 months of age. The abundance of VDAC peaked at 140 days gestation in the lung, compared with 1 day after birth in the kidney and liver, whereas cytochrome c abundance was greatest at 140 days gestation in the liver, 1 day after birth in the kidney and 6 months of age in lungs. This differential ontogeny in mitochondrial protein abundance between tissues was accompanied with very different tissue specific responses to changes in maternal food intake. In the liver, maternal nutrient restriction only increased mitochondrial protein abundance at 80 days gestation, compared with no effect in the kidney. In contrast, in the lung mitochondrial protein abundance was raised near to term, whereas VDAC abundance was decreased by 6 months of age. These findings demonstrate the tissue specific nature of mitochondrial protein development that reflects differences in functional adaptation after birth. The divergence in mitochondrial response between tissues to maternal nutrient restriction early in pregnancy further reflects these differential ontogeny’s.

Construction of effective disposable biosensors for point of care testing of nitrite

© 2015. This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Mechanical and Electrical Properties of Single-walled Carbon Nanotubes Synthesized by Chemical Vapor Deposition

Despite the tremendous application potentials of carbon nanotubes (CNTs) proposed by researchers in the last two decades, efficient experimental techniques and methods are still in need for controllable production of CNTs in large scale, and for conclusive characterizations of their properties in order to apply CNTs in high accuracy engineering. In this dissertation, horizontally well-aligned high quality single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have been successfully synthesized on St-cut quartz substrate by chemical vapor deposition (CVD). Effective radial moduli (Eradial) of these straight SWCNTs have been measured by using well-calibrated tapping mode and contact mode atomic force microscopy (AFM). It was found that the measured Eradial decreased from 57 to 9 GPa as the diameter of the SWCNTs increased from 0.92 to 1.91 nm. The experimental results were consistent with the recently reported theoretical simulation data. The method used in this mechanical property test can be easily applied to measure the mechanical properties of other low-dimension nanostructures, such as nanowires and nanodots. The characterized sample is also an ideal platform for electrochemical tests. The electrochemical activities of redox probes Fe(CN)63-/4-, Ru(NH3)63+, Ru(bpy)32+ and protein cytochrome c have been studied on these pristine thin films by using aligned SWCNTs as working electrodes. A simple and high performance electrochemical sensor was fabricated. Flow sensing capability of the device has been tested for detecting neurotransmitter dopamine at physiological conditions with the presence of Bovine serum albumin. Good sensitivity, fast response, high stability and anti-fouling capability were observed. Therefore, the fabricated sensor showed great potential for sensing applications in complicated solution.

Dopamine and visually regulated eye growth in chick

Retinal image properties such as contrast and spatial frequency play important roles in the development of normal vision. For example, visual environments comprised solely of low contrast and/or low spatial frequencies induce myopia. The visual image is processed by the retina and it then locally controls eye growth. In terms of the retinal neurotransmitters that link visual stimuli to eye growth, there is strong evidence to suggest involvement of the retinal dopamine (DA) system. For example, effectively increasing retinal DA levels by using DA agonists can suppress the development of form-deprivation myopia (FDM). However, whether visual feedback controls eye growth by modulating retinal DA release, and/or some other factors, is still being elucidated. This thesis is chiefly concerned with the relationship between the dopaminergic system and retinal image properties in eye growth control. More specifically, whether the amount of retinal DA release reduces as the complexity of the image degrades was determined. For example, we investigated whether the level of retinal DA release decreased as image contrast decreased. In addition, the effects of spatial frequency, spatial energy distribution slope, and spatial phase on retinal DA release and eye growth were examined. When chicks were 8-days-old, a cone-lens imaging system was applied monocularly (+30 D, 3.3 cm cone). A short-term treatment period (6 hr) and a longer-term treatment period (4.5 days) were used. The short-term treatment tests for the acute reduction in DA release by the visual stimulus, as is seen with diffusers and lenses, whereas the 4.5 day point tests for reduction in DA release after more prolonged exposure to the visual stimulus. In the contrast study, 1.35 cyc/deg square wave grating targets of 95%, 67%, 45%, 12% or 4.2% contrast were used. Blank (0% contrast) targets were included for comparison. In the spatial frequency study, both sine and square wave grating targets with either 0.017 cyc/deg and 0.13 cyc/deg fundamental spatial frequencies and 95% contrast were used. In the spectral slope study, 30% root-mean-squared (RMS) contrast fractal noise targets with spectral fall-off of 1/f0.5, 1/f and 1/f2 were used. In the spatial alignment study, a structured Maltese cross (MX) target, a structured circular patterned (C) target and the scrambled versions of these two targets (SMX and SC) were used. Each treatment group comprised 6 chicks for ocular biometry (refraction and ocular dimension measurement) and 4 for analysis of retinal DA release. Vitreal dihydroxyphenylacetic acid (DOPAC) was analysed through ion-paired reversed phase high performance liquid chromatography with electrochemical detection (HPLC-ED), as a measure of retinal DA release. For the comparison between retinal DA release and eye growth, large reductions in retinal DA release possibly due to the decreased light level inside the cone-lens imaging system were observed across all treated eyes while only those exposed to low contrast, low spatial frequency sine wave grating, 1/f2, C and SC targets had myopic shifts in refraction. Amongst these treatment groups, no acute effect was observed and longer-term effects were only found in the low contrast and 1/f2 groups. These findings suggest that retinal DA release does not causally link visual stimuli properties to eye growth, and these target induced changes in refractive development are not dependent on the level of retinal DA release. Retinal dopaminergic cells might be affected indirectly via other retinal cells that immediately respond to changes in the image contrast of the retinal image.

Sensitivity of organic matter decomposition to warming varies with its quality

The relationship between organic matter (OM) lability and temperature sensitivity is disputed, with recent observations suggesting that responses of relatively more resistant OM to increased temperature could be greater than, equivalent to, or less than responses of relatively more labile OM. This lack of clear understanding limits the ability to forecast carbon (C) cycle responses to temperature changes. Here, we derive a novel approach (denoted Q(10-q)) that accounts for changes in OM quality during decomposition and use it to analyze data from three independent sources. Results from new laboratory soil incubations (labile Q(10-q)=2.1 +/- 0.2; more resistant Q(10-q)=3.8 +/- 0.3) and reanalysis of data from other soil incubations reported in the literature (labile Q(10-q)=2.3; more resistant Q(10-q)=3.3) demonstrate that temperature sensitivity of soil OM decomposition increases with decreasing soil OM lability. Analysis of data from a cross-site, field litter bag decomposition study (labile Q(10-q)=3.3 +/- 0.2; resistant Q(10-q)=4.9 +/- 0.2) shows that litter OM follows the same pattern, with greater temperature sensitivity for more resistant litter OM. Furthermore, the initial response of cultivated soils, presumably containing less labile soil OM (Q(10-q)=2.4 +/- 0.3) was greater than that for undisturbed grassland soils (Q(10-q)=1.7 +/- 0.1). Soil C losses estimated using this approach will differ from previous estimates as a function of the magnitude of the temperature increase and the proportion of whole soil OM comprised of compounds sensitive to temperature over that temperature range. It is likely that increased temperature has already prompted release of significant amounts of C to the atmosphere as CO2. Our results indicate that future losses of litter and soil C may be even greater than previously supposed.