On the respiratory metabolism of marine plankton: its application in assessing carbon fluxes and the role of substrates in its biochemical control

Programa de doctorado en Oceanografía. La fecha de publicación es la fecha de lectura

Impact of increasing pCO2 on marine potential respiratory activity

[EN]Due to the increasing atmospheric CO2, several on-going research programs, including the German-led KOSMOS GC14 experiment, are evaluating the impact of acidification on marine organisms, intent to predict their future. In the KOSMOS GC14 mesocosm experiment we assessed the effect of different CO2 concentrations on metabolism in microplankton (0.7-50µm size) and in biogenic particles harvested by sediment traps.

Respiratory electron transport activity in plankton: determinants and detection

[ES]La presente tesis, se centra en el estudio del Sistema de Transporte de Electrones (ETS) en organismos del plancton marino, los factores que lo influencian la interpretación de estas mediciones y su detección mediante espectrofotometría y espectrofluorometría, en muestras oceánicas naturales y en cultivos de organismos marinos. Se pudo establecer, la biomasa, la respiración (R) y la respiración potencial (ɸ), en tres transectos en los océanos Índico y Atlántico Norte Sur. A su vez, se determino el estado fisiológico, en tres tamaños del zooplancton, midiendo la relación R/ɸ. Se exploró los efectos de la inanición sobre la R y la variación con respecto a la ɸ en el zooplancton

A preview of the ocean acidification’s impact on potential respiratory activity

[EN]The increase in the anthropogenic CO2 released to the atmosphere, induces an increase in the dissolved CO2 in the ocean, causing elevated pCO2 values and a pH decrease. Due to the increasing atmospheric CO2, several on-going research programs are evaluating the impact of acidification on marine organisms, intent to predict their future. In this mesocosm experiment (KOSMOS 14GC), we assessed the effect of different CO2 concentrations on metabolism in microplankton (0.7-50μm size) and in biogenic particles harvested by sediment traps.

Respiratory chain complex I dysfunction in tumorigenesis

Diseases due to mutations in mitochondrial DNA probably represent the most common form of metabolic disorders, including cancer, as highlighted in the last years. Approximately 300 mtDNA alterations have been identified as the genetic cause of mitochondrial diseases and one-third of these alterations are located in the coding genes for OXPHOS proteins. Despite progress in identification of their molecular mechanisms, little has been done with regard to the therapy. Recently, a particular gene therapy approach, namely allotopic expression, has been proposed and optimized, although the results obtained are rather controversial. In fact, this approach consists in synthesis of a wild-type version of mutated OXPHOS protein in the cytosolic compartment and in its import into mitochondria, but the available evidence is based only on the partial phenotype rescue and not on the demonstration of effective incorporation of the functional protein into respiratory complexes. In the present study, we took advantage of a previously analyzed cell model bearing the m.3571insC mutation in MTND1 gene for the ND1 subunit of respiratory chain complex I. This frame-shift mutation induces in fact translation of a truncated ND1 protein then degraded, causing complex I disassembly, and for this reason not in competition with that allotopically expressed. We show here that allotopic ND1 protein is correctly imported into mitochondria and incorporated in complex I, promoting its proper assembly and rescue of its function. This result allowed us to further confirm what we have previously demonstrated about the role of complex I in tumorigenesis process. Injection of the allotopic clone in nude mice showed indeed that the rescue of complex I assembly and function increases tumor growth, inducing stabilization of HIF1α, the master regulator of tumoral progression, and consequently its downstream gene expression activation.

The Influence of Baseline Metabolic Rate and Exercise Training on Cardio-Respiratory Dynamics

Speeding the VO2 kinetics results in a reduction of the O2 deficit. Two factors might determine VO2 kinetics: oxygen delivery to muscle (Tschakovsky and Hughson 1999) and a muscle 'metabolic inertia' (Grassi et al. 1996). Therefore, in study 1 we investigated VO2 kinetics and cardiovascular system adaptations during step exercise transitions in different regions of the moderate domain. In study 2 we investigated muscle oxygenation and cardio-pulmonary adaptations during step exercise tests before, after and over a period of training. Study 1 methods: Seven subjects (26 ± 8 yr; 176 ± 5 cm; 69 ± 6 kg) performed 4 types of step transition from rest (0-50W; 0-100W) or elevate baseline (25-75W; 25-125W). GET and VO2max were assessed before testing. O2 uptake and were measured during testing. Study 2 methods: 10 subjects (25 ± 4 yr; 175 ± 9 cm; 71 ± 12 kg) performed a step transition test (0 to 100 W) before, after and during 4 weeks of endurance training (ET). VO2max and GET were assessed before and after of ET (40 minutes, 3 times a week, 60% O2max). VO2 uptake, Q and deoxyheamoglobin were measured during testing. Study 1 results: VO2 τ and the functional gain were slower in the upper regions of the moderate domain. Q increased more abruptly during rest to work condition. Q τ was faster than VO2 τ for each exercise step. Study 2 results: VO2 τ became faster after ET (25%) and particularly after 1 training session (4%). Q kinetics changed after 4 training sessions nevertheless it was always faster than VO2 τ. An attenuation in ∆[HHb] /∆VO2 was detectible. Conclusion: these investigations suggest that muscle fibres recruitment exerts a influence on the VO2 response within the moderate domain either during different forms of step transition or following ET.

Mitochondrial respiratory supercomplex association limits production of reactive oxygen species from Complex I

Evidence accumulated in the last ten years has demonstrated that a large proportion of the mitochondrial respiratory chain complexes in a variety of organisms is arranged in supramolecular assemblies called supercomplexes or respirasomes. Besides conferring a kinetic advantage (substrate channeling) and being required for the assembly and stability of Complex I, indirect considerations support the view that supercomplexes may also prevent excessive formation of reactive oxygen species (ROS) from the respiratory chain. Following this line of thought we have decided to directly investigate ROS production by Complex I under conditions in which the complex is arranged as a component of the supercomplex I1III2 or it is dissociated as an individual enzyme. The study has been addressed both in bovine heart mitochondrial membranes and in reconstituted proteoliposomes composed of complexes I and III in which the supramolecular organization of the respiratory assemblies is impaired by: (i) treatment either of bovine heart mitochondria or liposome-reconstituted supercomplex I-III with dodecyl maltoside; (ii) reconstitution of Complexes I and III at high phospholipids to protein ratio. The results of this investigation provide experimental evidence that the production of ROS is strongly increased in either model; supporting the view that disruption or prevention of the association between Complex I and Complex III by different means enhances the generation of superoxide from Complex I . This is the first demonstration that dissociation of the supercomplex I1III2 in the mitochondrial membrane is a cause of oxidative stress from Complex I. Previous work in our laboratory demonstrated that lipid peroxidation can dissociate the supramolecular assemblies; thus, here we confirm that preliminary conclusion that primary causes of oxidative stress may perpetuate reactive oxygen species (ROS) generation by a vicious circle involving supercomplex dissociation as a major determinant.

Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.

Analysis of cerebral and autonomic response to respiratory events in patients with Sleep Apnea Syndrome

The arousal scoring in Obstructive Sleep Apnea Syndrome (OSAS) is important to clarify the impact of the disease on sleep but the currently applied American Academy of Sleep Medicine (AASM) definition may underestimate the subtle alterations of sleep. The aims of the present study were to evaluate the impact of respiratory events on cortical and autonomic arousal response and to quantify the additional value of cyclic alternating pattern (CAP) and pulse wave amplitude (PWA) for a more accurate detection of respiratory events and sleep alterations in OSAS patients. A retrospective revision of 19 polysomnographic recordings of OSAS patients was carried out. Analysis was focused on quantification of apneas (AP), hypopneas (H) and flow limitation (FL) events, and on investigation of cerebral and autonomic activity. Only 41.1% of FL events analyzed in non rapid eye movement met the AASM rules for the definition of respiratory event-related arousal (RERA), while 75.5% of FL events ended with a CAP A phase. The dual response (EEG-PWA) was the most frequent response for all subtypes of respiratory event with a progressive reduction from AP to H and FL. 87.7% of respiratory events with EEG activation showed also a PWA drop and 53,4% of the respiratory events without EEG activation presented a PWA drop. The relationship between the respiratory events and the arousal response is more complex than that suggested by the international classification. In the estimation of the response to respiratory events, the CAP scoring and PWA analysis can offer more extensive information compared to the AASM rules. Our data confirm also that the application of PWA scoring improves the detection of respiratory events and could reduce the underestimation of OSAS severity compared to AASM arousal.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Type IV delayed-type hypersensitivity of the respiratory tract due to budesonide use: report of two cases and a literature review

Respiratory type-IV hypersensitivity reactions due to corticosteroids is a rare phenomenon. We describe two such cases. The first is a 37- year-old atopic woman who developed labial angioedema and nasal itching after the use of budesonide nasal spray. A month later, after the first puffs of a formoterol/budesonide spray prescribed for asthma, she noticed symptoms of tongue and oropharyngeal itching and redness with subsequent dysphagia, labial and tongue angioedema, and facial oedema. The second is a 15-year-old non-atopic woman who reported pruritic eruptions around the nostrils after using a budesonide nasal spray. A year later she presented with nasal pruritus with intense congestion and labial and facial oedema after using the same spray. Both patients were evaluated with patch-tests using the commercial T.R.U.E. test, a budesonide solution, and corticosteroid creams. Test evaluation was performed at 48 and 96 hours. In both patients, patch tests were positive to budesonide (++) on the second day. The first patient also had a positive (+) reaction to tixocortol-21-pivalate. All the other patch tests were negative. Clinicians should be aware that hypersensitivity reactions may occur during the use of nasal or inhaled corticosteroids.

Immunofluorescence versus xTAG multiplex PCR for the detection of respiratory picornavirus infections in children

BACKGROUND: Polymerase chain reaction (PCR) is a sensitive tool for detection of respiratory picornaviruses. However, the clinical relevance of picornavirus detection by PCR is unclear. Immunofluorescence (IF), widely used to detect other respiratory viruses, has recently been introduced as a promising detection method for respiratory picornaviruses. OBJECTIVES: To compare the clinical manifestations of respiratory picornavirus infections detected by IF with those of respiratory picornavirus infections detected by xTAG multiplex PCR in hospitalized children. STUDY DESIGN: During a 1-year period, nasopharyngeal aspirates (NPA) from all children hospitalized due to an acute respiratory infection were prospectively analyzed by IF. All respiratory picornavirus positive IF samples and 100 IF negative samples were further tested with xTAG multiplex PCR. After exclusion of children with co-morbidities and viral co-infections, monoinfections with respiratory picornaviruses were detected in 108 NPA of 108 otherwise healthy children by IF and/or PCR. We compared group 1 children (IF and PCR positive, n=84) with group 2 children (IF negative and PCR positive, n=24) with regard to clinical manifestations of the infection. RESULTS: Wheezy bronchitis was diagnosed more often in group 1 than in group 2 (71% vs. 46%, p=0.028). In contrast, group 2 patients were diagnosed more frequently with pneumonia (17% vs. 6%, p=0.014) accompanied by higher levels of C-reactive protein (46mg/l vs. 11mg/l, p=0.009). CONCLUSIONS: Picornavirus detection by IF in children with acute respiratory infection is associated with the clinical presentation of wheezy bronchitis. The finding of a more frequent diagnosis of pneumonia in picornavirus PCR positive but IF negative children warrants further investigation.

Topical curcumin can inhibit deleterious effects of upper respiratory tract bacteria on human oropharyngeal cells in vitro: potential role for patients with cancer therapy induced mucositis?

Curcumin exerts its anti-inflammatory activity via inhibition of nuclear factor κB. Oropharyngeal epithelia and residing bacteria closely interact in inflammation and infection. This in vitro model investigated the effects of curcumin on bacterial survival, adherence to, and invasion of upper respiratory tract epithelia, and studied its anti-inflammatory effect. We aimed to establish a model, which could offer insights into the host-pathogen interaction in cancer therapy induced mucositis.

Usefulness of a clinical diagnosis of ICU-acquired paresis to predict outcome in patients with SIRS and acute respiratory failure

Neuromuscular abnormalities are common in ICU patients. We aimed to assess the incidence of clinically diagnosed ICU-acquired paresis (ICUAP) and its impact on outcome.

The relationship between extravascular lung water and oxygenation in three patients with influenza A (H1N1)-induced respiratory failure

This case series reports the correlation between extravascular lung water (EVLW) and the partial arterial oxygen pressure/fractional inspiratory oxygen (PaO(2)/FiO(2)) ratio in three patients with severe influenza A (H1N1)-induced respiratory failure. All patients suffered from grave hypoxia (PaO(2), 26-42 mmHg) and were mechanically ventilated using biphasic airway pressure (PEEP, 12-15 mmHg; FiO(2), 0.8-1) in combination with prone positioning at 12 hourly intervals. All patients were monitored using the PICCO system for 8-11 days. During mechanical ventilation, a total of 62 simultaneous determinations of the PaO(2)/FiO(2) ratio and EVLW were performed. A significant correlation between EVLW and the PaO(2)/FiO(2) ratio (Spearman-rho correlation coefficient, -0.852; p < 0.001) was observed. In all patients, a decrease in EVLW was accompanied by an improvement in oxygenation. Serum lactate dehydrogenase levels were elevated in all patients and significantly correlated with EVLW during the intensive care unit stay (Spearman-rho correlation coefficient, 0.786; p < 0.001). In conclusion, EVLW seems increased in patients with severe H1N1-induced respiratory failure and appears to be closely correlated with impairments of oxygenatory function.