O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Transthyretin Amyloidosis: Chaperone Concentration Changes and Increased Proteolysis in the Pathway to Disease

Transthyretin amyloidosis is a conformational pathology characterized by the extracellular formation of amyloid deposits and the progressive impairment of the peripheral nervous system. Point mutations in this tetrameric plasma protein decrease its stability and are linked to disease onset and progression. Since non-mutated transthyretin also forms amyloid in systemic senile amyloidosis and some mutation bearers are asymptomatic throughout their lives, non-genetic factors must also be involved in transthyretin amyloidosis. We discovered, using a differential proteomics approach, that extracellular chaperones such as fibrinogen, clusterin, haptoglobin, alpha-1-anti-trypsin and 2-macroglobulin are overrepresented in transthyretin amyloidosis. Our data shows that a complex network of extracellular chaperones are over represented in human plasma and we speculate that they act synergistically to cope with amyloid prone proteins. Proteostasis may thus be as important as point mutations in transthyretin amyloidosis.

Differences in Nevirapine Biotransformation as a Factor for its Sex-Dependent Dimorphic Profile of Adverse Drug Reactions

OBJECTIVES: Nevirapine is widely used for the treatment of HIV-1 infection; however, its chronic use has been associated with severe liver and skin toxicity. Women are at increased risk for these toxic events, but the reasons for the sex-related differences are unclear. Disparities in the biotransformation of nevirapine and the generation of toxic metabolites between men and women might be the underlying cause. The present work aimed to explore sex differences in nevirapine biotransformation as a potential factor in nevirapine-induced toxicity. METHODS: All included subjects were adults who had been receiving 400 mg of nevirapine once daily for at least 1 month. Blood samples were collected and the levels of nevirapine and its phase I metabolites were quantified by HPLC. Anthropometric and clinical data, and nevirapine metabolite profiles, were assessed for sex-related differences. RESULTS: A total of 52 patients were included (63% were men). Body weight was lower in women (P = 0.028) and female sex was associated with higher alkaline phosphatase (P = 0.036) and lactate dehydrogenase (P = 0.037) levels. The plasma concentrations of nevirapine (P = 0.030) and the metabolite 3-hydroxy-nevirapine (P = 0.035), as well as the proportions of the metabolites 12-hydroxy-nevirapine (P = 0.037) and 3-hydroxy-nevirapine (P = 0.001), were higher in women, when adjusted for body weight. CONCLUSIONS: There was a sex-dependent variation in nevirapine biotransformation, particularly in the generation of the 12-hydroxy-nevirapine and 3-hydroxy-nevirapine metabolites. These data are consistent with the sex-dependent formation of toxic reactive metabolites, which may contribute to the sex-dependent dimorphic profile of nevirapine toxicity.

Baseline Susceptibility of Primary HIV-2 to Entry Inhibitors

BACKGROUND: The baseline susceptibility of primary HIV-2 to maraviroc (MVC) and other entry inhibitors is currently unknown. METHODS: The susceptibility of 19 HIV-2 isolates obtained from asymptomatic and AIDS patients and seven HIV-1 clinical isolates to the fusion inhibitors enfuvirtide (ENF) and T-1249, and to the coreceptor antagonists AMD3100, TAK-779 and MVC, was measured using a TZM-bl cell-based assay. The 50% inhibitory concentration (IC(50)), 90% inhibitory concentration (IC(90)) and dose-response curve slopes were determined for each drug. RESULTS: ENF and T-1249 were significantly less active on HIV-2 than on HIV-1 (211- and 2-fold, respectively). AMD3100 and TAK-779 inhibited HIV-2 and HIV-1 CXCR4 tropic (X4) and CCR5 tropic (R5) variants with similar IC(50) and IC(90) values. MVC, however, inhibited the replication of R5 HIV-2 variants with significantly higher IC(90) values (42.7 versus 9.7 nM; P<0.0001) and lower slope values (0.7 versus 1.3; P<0.0001) than HIV-1. HIV-2 R5 variants derived from AIDS patients were significantly less sensitive to MVC than variants from asymptomatic patients, this being inversely correlated with the absolute number of CD4(+) T-cells. CONCLUSIONS: T-1249 is a potent inhibitor of HIV-2 replication indicating that new fusion inhibitors might be useful to treat HIV-2 infection. Coreceptor antagonists TAK-779 and AMD3100 are also potent inhibitors of HIV-2 replication. The reduced sensitivity of R5 variants to MVC, especially in severely immunodeficient patients, indicates that the treatment of HIV-2-infected patients with MVC might require higher dosages than those used in HIV-1 patients, and should be adjusted to the disease stage.

Influenza A(H1N1)pdm09 Resistance and Cross-Decreased Susceptibility to Oseltamivir and Zanamivir Antiviral Drugs

Neuraminidase inhibitors (NAIs) oseltamivir and zanamivir are currently the only effective antiviral drugs available worldwide for the management of influenza. The potential development of resistance is continually threatening their use, rationalizing and highlighting the need for a close and sustained evaluation of virus susceptibility. This study aimed to analyze and characterize the phenotypic and genotypic NAIs susceptibility profiles of A(H1N1)pdm09 viruses circulating in Portugal from 2009 to 2010/2011. A total of 144 cases of A(H1N1)pdm09 virus infection from community and hospitalized patients were studied, including three suspected cases of clinical resistance to oseltamivir. Oseltamivir resistance was confirmed for two of the suspected cases. Neuraminidase (NA) H275Y resistant marker was found in viruses from both cases but for one it was only present in 26.2% of virus population, raising questions about the minimal percentage of resistant virus that should be considered relevant. Cross-decreased susceptibility to oseltamivir and zanamivir (2-4 IC50 fold-change) was detected on viruses from two potentially linked community patients from 2009. Both viruses harbored the NA I223V mutation. NA Y155H mutation was found in 18 statistical non-outlier viruses from 2009, having no impact on virus susceptibility. The mutations at NA N369K and V241I may have contributed to the significantly higher baseline IC50 value obtained to oseltamivir for 2010/2011 viruses, compared to viruses from the pandemic period. These results may contribute to a better understanding of the relationship between phenotype and genotype, which is currently challenging, and to the global assessment of A(H1N1)pdm09 virus susceptibility profile and baseline level to NAIs.

Efects of plasma corticosteroid concentration on the osmotic threshold for vasopressin releasing in Chagas' disease

The osmotic threshold for vasopressin release was studied in normal patients (n = 7) and in patients with the chronic form of Chagas'disease (n = 11). Positive correlation between osmotic threshold and plasma cortisol concentration was obtained for the Controls (y1 = 273,30 + 0,75x i; r = 0,78;P < 0,05), suggesting a modulating effect of cortisol on vasopressin release. The lack of correlation between the two parameters for the chronic chagasic patients was interpreted, on the basis of the general denervation associated with Chagas ' disease, to be the result of neuronal destruction in hypothalamic and/or extrahypothalamic centers related to the secretory control of vasopressin.

Development of chitosan-based microparticles for pulmonary drug delivery

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Nevirapine in an animal model of pre-diabetes: study of drug pharmacokinetic and its effects on fasting glycemia and insulin resistance

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

In vitro study on thiabendazole action on viability of Ascaris lumbricoides (Lineu, 1758) eggs

The in vitro activity of thiabendazole on Ascaris lumbricoides eggs, which were recovered from uteri of worm excreted after chemotherapeutic treatment, was studied. Four concentrations of the drug were used: 1 -- 2.5 -- 5 -- and 10 ppm during 24, 48 and 72 hours of exposure. Subsequently, the eggs were centrifuged, washed three times and H2SO4 0.1N was added. The eggs were maintained in an incubator for 20 days at 28°C. Finally, the percentage of embryonated eggs was determined under a lightmicroscope at a 100X magnification. After 48 and 72 hours of thiabendazole exposure, at a concentration of 10ppm, the drug showed complete inhibition of egg embryonation.

Aminoquinolone WR6026 as a feasible substitute for gentian violet in Chagas' disease prophylaxis in preserved blood for transfusional purposes

The search for a colorless, nontoxic and efficient drug to prevent transfusion-associated Chagas' disease (TACD) has been underway unsuccessfully since 1953 when gentian violet was preconized and to date is still being used as the only in vitro trypanocidal agent. The recent findings of aminoquinolone "WR6026" as a trypanocidal agent, led the authors to study the metabolism of red cells stored with this compound, the main objective of which was to define its applicability in TACD control. Ten units of human whole blood collected in CPDA-1 were divided into two equal satellite bags. One had "WR6026" (final concentration 62.5µg/mL) added and the other was used as a control, both were stored at 4ºC. At baseline, day 7, 14, 21 and 28, samples were taken for the following measurements: adenosine triphosphate (ATP), hemoglobin, electrolytes (sodium and potassium), gases (pO2 and pCO2) and osmotic fragility. The results of tests and control were analyzed through parametric t-student test. The results were similar in both groups throughout the experiment except for the level of ATP on day 14, which presented significantly higher values in the tests when compared with the controls (p = 0.012). It was concluded that WR6026 does not interfere in the preservation and probably the viability of the erythrocytes also until day 28 of storage. Consequently the authors suggest that WR6026 could emerge as a colorless substitute for gentian violet in the control of TACD in endemic areas.

Development of a satellite based PM10 concentration product for urban areas

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia do Ambiente

Risky behavior regarding drug use and HIV infection: an Internet questionnaire coupled with short education texts for Portuguese speakers

Surveys of risky behavior relating to HIV/AIDS are generally made for groups at risk of infection, for which HIV/AIDS prevalence is usually expected to be higher than in the general population. Therefore, an educational homepage in Portuguese was created on the Internet to inform/ask internauts regarding knowledge and behavior. The internauts were classified as adolescents (13 to 25 years) and adults (>25 years). The number of STDs was reported as 1. 8 ± 2. 6 infections (range: 1 to 20 infections); 43% used condoms during sexual intercourse. Alcohol consumption was reported by 63% and illicit drug use by 32% (marijuana 24% and inhalants 15%). Among the adolescents, 31% did not classified alcohol as a drug. The adults more frequently reported homosexuality, anal intercourse and STDs, although the adolescents also presented high rates of risky behavior. These results show the need to reach out to internauts through better control strategies. Different types of strategies must be encouraged, in order to reach people that use this means of communication and entertainment.