Development of Novel Activity-Based Probes for the Detection of Serine Proteases

Cystic Fibrosis (CF) is a genetic disease featuring a chronic cycle of inflammation and infection in the airways of sufferers. Mutations lead to altered ion transport, which in turn causes dehydrated airways and reduced mucociliary clearance which predisposes the patient to infection, resulting in a severe immune response and tissue destruction (1). Airway dehydration is primarily caused by the hyperabsorption of sodium by the epithelial sodium channel (ENaC) (2). ENaC is activated by the action of a number of predominantly trypsin-like Channel Activating Proteases (CAPs) including prostasin, matriptase and furin (3). Additional proteases known to activate ENaC include human airway trypsin (3), plasmin, neutrophil elastase and chymotrypsin (4).

Activity profiling is a valuable technique which involves the use of small inhibitory molecules called Activity-Based Probes (ABPs) which can be used to covalently label the active site of proteases and provide a range of information regarding its structure, catalytic mechanism, location and function within biological systems. The development of novel ABPs for CAPs, would enhance understanding of the role of these proteases in CF airways disease and in particular their role in ENaC activation and airway dehydration. This project investigates the application of a range of novel broad-spectrum ABPs targeting the various subclasses of serine proteases, to include those proteases involved in ENaC activation. Additionally, the application of more selective ABPs in detecting specific serine proteases is investigated.

Compounds were synthesised by Solid-Phase Peptide Synthesis (SPPS) using a standard Fmoc/tBu strategy. Kinetic evaluation of synthesised ABPs against various serine proteases was determined by fluorogenic steady-state enzyme assays. Furthermore, application of ABPs and confirmation of irreversible nature of the compounds was carried out through SDS-PAGE and electroblotting techniques.

Synthesised compounds showed potent irreversible inhibition of serine proteases within their respective targeting class (NAP855 vs Trypsin k3/Ki = 2.60 x 106 M-1 min-1, NFP849 vs Chymotrypsin k3/Ki = 1.28 x 106 M-1 min-1 and NVP800 vs Neutrophil Elastase k3/Ki = 6.41 x 104 M-1 min-1). Furthermore ABPs showed little to no cross-reactivity between classes and so display selectivity between classes. The irreversible nature of compounds was further demonstrated through labelling of proteases, followed by separation and detection via SDS-PAGE and electroblotting techniques. Targeted labelling of active proteases only, was demonstrated by failure of ABPs to detect previously inactivated proteases. Extension of the substrate recognition site within probes resulted in an increased potency and selectivity in the detection of the target proteases. Successful detection of neutrophil elastase from CF sputum samples by NVP800, demonstrated the application of compounds within biological samples and their potential use in identifying further proteases involved in ENaC activation and airway dehydration in CF patients.

A comparative study on the thermophysical properties for two bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide-based ionic liquids containing the trimethyl-sulfonium or the trimethyl-ammonium cation in molecular solvents

Herein, we present a comparative study of the thermophysical properties of two homologous ionic liquids, namely, trimethyl-sulfonium bis[(trifluoromethyl) sulfonyl]imide, [S₁₁₁][TFSI], and trimethyl-ammonium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide, [HN₁₁₁][TFSI], and their mixtures with propylene carbonate, acetonitrile, or gamma butyrolactone as a function of temperature and composition. The influence of solvent addition on the viscosity, conductivity, and thermal properties of IL solutions was studied as a function of the solvent mole fraction from the maximum solubility of IL, x_s, in each solvent to the pure solvent. In this case, x_s is the composition corresponding to the maximum salt solubility in each liquid solvent at a given temperature from 258.15 to 353.15 K. The effect of temperature on the transport properties of each binary mixture was then investigated by fitting the experimental data using Arrhenius' law and the Vogel-Tamman-Fulcher (VTF) equation. The experimental data shows that the residual conductivity at low temperature, e.g., 263.15 K, of each binary mixture is exceptionally high. For example, conductivity values up to 35 and 42 mS·cm^-1 were observed in the case of the [S ₁₁₁][TFSI] + ACN and [HN₁₁₁][TFSI] + ACN binary mixtures, respectively. Subsequently, a theoretical approach based on the conductivity and on the viscosity of electrolytes was formulated by treating the migration of ions as a dynamical process governed by ion-ion and solvent-ion interactions. Within this model, viscosity data sets were first analyzed using the Jones-Dole equation. Using this theoretical approach, excellent agreement was obtained between the experimental and calculated conductivities for the binary mixtures investigated at 298.15 K as a function of the composition up to the maximum solubility of the IL. Finally, the thermal characterization of the IL solutions, using DSC measurements, showed a number of features corresponding to different solid-solid phase transitions, T_S-S, with extremely low melting entropies, indicating a strong organizational structure by easy rotation of methyl group. These ILs can be classified as plastic crystal materials and are promising as ambient-temperature solid electrolytes. © 2013 American Chemical Society.

pLR-HL: a novel amphibian Bowman-Birk-type trypsin inhibitor from the skin secretion of the broad-folded frog, Hylarana latouchii

In this study, we report a novel heptadecapeptide (LIGGCWTKSIPPKPCLV) of the pLR/ranacyclin family, named pLR-HL, whose structure was deduced from its biosynthetic precursor-encoding cDNA cloned from the skin secretion-derived cDNA library of the broad-folded frog, Hylarana latouchii, by employing a "shotgun" cloning technique. It contains a disulphide loop between Cys5 and Cys15 which is consistent with Bowman-Birk-type protease inhibitors. The primary structure of pLR-HL deduced from the cDNA sequence was confirmed by fractionating the skin secretion using reverse phase HPLC and subsequent analysis using MALDI-TOF mass spectrometry and LC/MS/MS fragmentation sequencing. On the basis of the establishment of unequivocal amino acid sequence, a synthetic replicate was synthesised by solid-phase Fmoc chemistry, and it displayed a moderately potent trypsin inhibition with a Ki of 143 nM. The substitution of Lys-8 by Phe (Phe8 -pLR-HL) resulted in abolition of trypsin inhibition but generation of modest inhibition on chymotrypsin with a Ki of 2.141 μM. Additionally, both the disulphide loops of pLR-HL and Phe8 -pLR-HL were synthesised and tested. Both of the catalytic loops retained similar inhibitory potencies towards trypsin or chymotrypsin in comparison with the original intact molecules. Thus, the replacement of reactive site residues could alter the specificity of these protease inhibitors, while the canonical reactive loop alone can independently constitute biologically-active moiety.

Tetrabutylammonium methacrylate as a novel receptor for selective extraction of sulphonylurea drugs from biological fluids using molecular imprinting

Glibenclamide (GLIB), an oral antidiabetic medication of the sulphonylurea drugs family, was stoichiometrically imprinted using tetrabutylammonium methacrylate as the functional monomer, for the first time in molecular imprinting, and utilising the sulphonylurea affinity for carboxylate anions. Solution association between the drug and the novel functional monomer was studied by 1H-NMR titrations, whereby evidence of sulphonylurea deprotonation followed by the formation of “narcissistic” GLIB dimers was found when tested in CDCl3, while an affinity constant in excess of 105 L mol-1 was measured in DMSO-d6. Detailed analysis of GLIB binding on the subsequently prepared imprinted and non-imprinted polymers confirmed deactivation of binding sites by exchange of a proton between GLIB and methacrylate, followed by extraction of the tetrabutylammonium counterion from the polymer matrix, resulting in overall reduced binding capacities and affinities by the imprinted material under equilibrium conditions. An optimised MI-SPE protocol, which included a binding site re-activation step, was developed for the extraction of GLIB from blood serum, whereby recoveries of up to 92.4% were obtained with exceptional sample clean-up.

Stoichiometric Molecularly Imprinted Polymers for the Recognition of Anti-Cancer Pro-drug Tegafur

Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) targeting tegafur, an anti-cancer 5-fluorouracil pro-drug, have been prepared by stoichiometric imprinting using 2,6-bis(acrylamido)pyridine (BAAPy) as the functional monomer. Solution association between tegafur and BAAPy was studied by 1H NMR titration, which confirmed the formation of 1:1 complexes with an affinity constant of 574±15 M-1 ¬in CDCl3. Evaluation of the synthesised materials by HPLC and equilibrium rebinding experiments revealed high selectivity of the imprinted polymer for the pro-drug versus 5-fluorouracil and other competing analytes, with maximum imprinting factors of 25.3 and a binding capacity of 45.1 μmol g-1. The synthesised imprinted polymer was employed in solid-phase extraction of the pro-drug using an optimised protocol that included a simple wash with the porogen used in the preparation of the material. Tegafur recoveries of up to 96% were achieved from aqueous samples and 92% from urine samples spiked with the template and three competing analytes. The results demonstrate the potential of the prepared polymers in the pre-concentration of tegafur from biological samples, which could be an invaluable tool in the monitoring of patient compliance and drug uptake and excretion.

Role of the AP2 beta-appendage hub in recruiting partners for clathrin-coated vesicle assembly

Adaptor protein complex 2 alpha and beta-appendage domains act as hubs for the assembly of accessory protein networks involved in clathrin-coated vesicle formation. We identify a large repertoire of beta-appendage interactors by mass spectrometry. These interact with two distinct ligand interaction sites on the beta-appendage (the "top" and "side" sites) that bind motifs distinct from those previously identified on the alpha-appendage. We solved the structure of the beta-appendage with a peptide from the accessory protein Eps15 bound to the side site and with a peptide from the accessory cargo adaptor beta-arrestin bound to the top site. We show that accessory proteins can bind simultaneously to multiple appendages, allowing these to cooperate in enhancing ligand avidities that appear to be irreversible in vitro. We now propose that clathrin, which interacts with the beta-appendage, achieves ligand displacement in vivo by self-polymerisation as the coated pit matures. This changes the interaction environment from liquid-phase, affinity-driven interactions, to interactions driven by solid-phase stability ("matricity"). Accessory proteins that interact solely with the appendages are thereby displaced to areas of the coated pit where clathrin has not yet polymerised. However, proteins such as beta-arrestin (non-visual arrestin) and autosomal recessive hypercholesterolemia protein, which have direct clathrin interactions, will remain in the coated pits with their interacting receptors.

Label-free based quantitative proteomics analysis of primary neonatal porcine Leydig cells exposed to the persistent contaminant 3-methylsulfonyl-DDE

Evidence that persistent environmental pollutants may target the male reproductive system is increasing. The male reproductive system is regulated by secretion of testosterone by testicular Leydig cells, and perturbation of Leydig cell function may have ultimate consequences. 3-Methylsulfonyl-DDE (3-MeSO₂-DDE) is a potent adrenal toxicants formed from the persistent insecticide DDT. Although studies have revealed the endocrine disruptive effect of 3-MeSO₂-DDE, the underlying mechanisms at cellular level in steroidogenic Leydig cells remains to be established. The current study addresses the effect of 3-MeSO₂-DDE on viability, hormone production and proteome response of primary neonatal porcine Leydig cells. The AlamarBlue™ assay was used to evaluate cell viability. Solid phase radioimmunoassay was used to measure concentration of hormones produced by both unstimulated and Luteinizing hormone (LH)-stimulated Leydig cells following 48h exposure. Protein samples from Leydig cells exposed to a non-cytotoxic concentration of 3-MeSO₂-DDE (10μM) were subjected to nano-LC-MS/MS and analyzed on a Q Exactive mass spectrometer and quantified using label-free quantitative algorithm. Gene Ontology (GO) and Ingenuity Pathway Analysis (IPA) were carried out for functional annotation and identification of protein interaction networks. 3-MeSO₂-DDE regulated Leydig cell steroidogenesis differentially depending on cell culture condition. Whereas its effect on testosterone secretion at basal condition was stimulatory, the effect on LH-stimulated cells was inhibitory. From triplicate experiments, a total of 6804 proteins were identified in which the abundance of 86 proteins in unstimulated Leydig cells and 145 proteins in LH-stimulated Leydig cells was found to be significantly regulated in response to 3-MeSO₂-DDE exposure. These proteins not only are the first reported in relation to 3-MeSO₂-DDE exposure, but also display small number of proteins shared between culture conditions, suggesting the action of 3-MeSO₂-DDE on several targeted pathways, including mitochondrial dysfunction, oxidative phosphorylation, EIF2-signaling, and glutathione-mediated detoxification. Further identification and characterization of these proteins and pathways may build our understanding to the molecular basis of 3-MeSO₂-DDE induced endocrine disruption in Leydig cells.

Host Defence Peptide LL-37; Effects of truncation on antimicrobial activity

Background: The oral cavity is an ideal environment for colonisation by micro-organisms. A first line of defence against microbial infection is the secretion of broad spectrum host defence peptides (HDPs). In the current climate of antibiotic resistance, exploiting naturally occurring HDPs or synthetic derivatives (mimetics) to combat infection is particularly appealing. The human cathelicidin, LL-37 is one such HDP expressed ubiquitously by epithelial cells and neutrophils. LL-37 exhibits the ability to bind lipopolysaccharide (LPS) and displays broad spectrum activity against a wide range of bacteria. The current study focuses on truncation of LL-37 and defining the antimicrobial and LPS binding activity of the resultant mimetics. Objectives: To assess the antimicrobial and LPS binding activity of LL-37 and three truncated mimetics (KE-18, EF-14 and KR-12). Methods: Peptides were synthesised in-house by Fmoc solid phase peptide synthesis or obtained commercially. Antimicrobial activity was determined using a radial diffusion assay and ability to bind LPS was determined by indirect ELISA. Results: LL-37 and mimetics displayed antimicrobial activity against Streptococcus mutans and Enterococcus Faecalis. KE-18 and KR-12 were shown to possess antimicrobial activity against both pathogens whereas EF-14 was the least antimicrobial. In terms of LPS binding, KE-18 and KR-12 were both effective whereas EF-14 showed the least activity of the three mimetics. Conclusion: Truncation of LL-37 can yield peptides which retain antimicrobial activities and have the ability to bind LPS. Interestingly in some cases the truncation of LL-37 produced mimetics with greater potency than the parent molecule in terms of antimicrobial activity and LPS binding. This work was funded by DEL and the Diabetes Wellness Foundation.

Engineered alpha-defensin peptides display antimicrobial activity against oral pathogens

Introduction: Human alpha defensins are a family of neutrophil-derived antimicrobial peptides also known as human neutrophil peptides (HNPs). The defensin family of peptides are characterised by six invariant cysteine residues forming three disulphide bridges. The formation of the correct disulphide pairs complicates the synthesis of full length human alpha defensin and limits its therapeutic potential as an antimicrobial peptide. Objectives: The aim of this study was to determine whether truncated alpha defensins displayed antimicrobial activity against a range of micro-organisms including oral pathogens. Methods: Engineered peptides were synthesised by solid-phase methods using standard Fmoc chemistry. Antibacterial assays were performed using a previously described ultra sensitive radial diffusion method. A total of five engineered defensin peptides and full length alpha defensin were tested for their sensitivity against eight micro-organisms, including Gram negative bacteria, Gram positive bacteria and fungal pathogens Results: Antimicrobial activity was identified as clear zones around peptide-containing wells. Zone diameters were used to calculate minimum inhibitory concentrations (MICs) for each peptide. There was considerable variability in the susceptibility of the micro-organisms to the truncated analogues. Bacillus subtilis and Enterococcus faecalis were sensitive to the majority of the engineered peptides whereas Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Candida albicans displayed resistance (defined as an MIC of greater than 250 ug/ml) to the truncated defensins. Of the five engineered peptides synthesised, the 2-aminobenzoic acid (Abz)-containing analogues based on the C-terminal sequence of alpha defensin displayed MIC values closest to that of the full length defensin in 5 out of 8 micro-organisms studied. Conclusion: This study demonstrates that truncated alpha defensins display variable antimicrobial activity against a range of micro-organisms, including oral pathogens. The generation of truncated defensins without disulphide bridges simplifies their synthesis and increases their therapeutic potential.

Design, synthesis and validation of an inhibitor of CGRP degradation

Introduction: In addition to their afferent role in detection and signalling noxious stimuli, neuropeptide-containing sensory nerves may initiate and maintain chronic inflammation in diseases such as periodontitis by an efferent process known as neurogenic inflammation. Neuropeptides are susceptible to cleavage by peptidases, and therefore, the exact location and level of expression of peptidases are major determinants of neuropeptide action. Previous studies in our laboratory showed that enzyme components of gingival crevicular fluid (GCF) from periodontitis sites selectively inactivated the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP), known to have a role in inhibiting osteoclastic bone resorption. Objectives: The aim of this study was to design and synthesise a specific inhibitor to prevent the degradation of CGRP by components of GCF. Methods: A hydroxamate-based inhibitor with a biotinylated tag was designed to ensure selectivity for CGRP and ease of use for future purification strategies. The biotinylated peptide hydroxamate contained the P1-P4 amino acid sequence of the potential CGRP cleavage site and was synthesised by solid-phase methods using standard Fmoc chemistry. Inhibition of CGRP metabolism by GCF was determined by MALDI-mass spectrometry (MALDI-MS) using pooled GCF samples from periodontitis patients as a crude source of the CGRP-degrading enzyme. Results: MALDI-MS analysis of CGRP degradation showed almost complete inhibition in the presence of the biotinylated inhibitor. Our results showed that the rate-limiting step in the cleavage of CGRP is endopeptidase cleavage, followed by carboxypeptidase attack. Conclusion: This study demonstrates that the enzyme component of GCF responsible for the degradation of CGRP can be inhibited by a biotinylated hydroxamate modelled on a potential endopeptidase cleavage site. The biotin tag on the inhibitor will facilitate our future purification of the CGRP-cleavage enzyme using a streptavidin-agarose column.

Numerical modelling of radionuclide migration in near-surface systems

Em todo o mundo são usados, hoje em dia, modelos numéricos hidrogeoquímicos para simular fenómenos naturais e fenómenos decorrentes de actividades antrópicas. Estes modelos ajudam-nos a compreender o ambiente envolvente, a sua variabilidade espacial e evolução temporal. No presente trabalho apresenta-se o desenvolvimento de modelos numéricos hidrogeoquímicos aplicados no contexto do repositório geológico profundo para resíduos nucleares de elevada actividade. A avaliação da performance de um repositório geológico profundo inclui o estudo da evolução geoquímica do repositório, bem como a análise dos cenários de mau funcionamento do repositório, e respectivas consequências ambientais. Se se escaparem acidentalmente radionuclídeos de um repositório, estes poderão atravessar as barreiras de engenharia e barreiras naturais que constituem o repositório, atingindo eventualmente, os ecosistemas superficiais. Neste caso, os sedimentos subsuperficiais constituem a última barreira natural antes dos ecosistemas superficiais. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos que integram processos biogeoquímicos, geoquímicos, hidrodinâmicos e de transporte de solutos, para entender e quantificar a influência destes processos na mobilidade de radionuclídeos em sistemas subsuperficiais. Os resultados alcançados reflectem a robustez dos instrumentos numéricos utilizados para desenvolver simulações descritivas e predictivas de processos hidrogeoquímicos que influenciam a mobilidade de radionuclídeos. A simulação (descritiva) de uma experiência laboratorial revela que a actividade microbiana induz a diminuição do potencial redox da água subterrânea que, por sua vez, favorece a retenção de radionuclídeos sensíveis ao potencial redox, como o urânio. As simulações predictivas indicam que processos de co-precipitação com minerais de elementos maioritários, precipitação de fases puras, intercâmbio catiónico e adsorção à superfície de minerais favorecem a retenção de U, Cs, Sr e Ra na fase sólida de uma argila glaciar e uma moreia rica em calcite. A etiquetagem dos radionuclídeos nas simulações numéricas permitiu concluir que a diluição isotópica joga um papel importante no potencial impacte dos radionuclídeos nos sistemas subsuperficiais. A partir dos resultados das simulações numéricas é possivel calcular coeficientes de distribuição efectivos. Esta metodologia proporciona a simulação de ensaios de traçadores de longa duração que não seriam exequíveis à escala da vida humana. A partir destas simulações podem ser obtidos coeficientes de retardamento que são úteis no contexto da avaliação da performance de repositórios geológicos profundos.

Lichenicidin biosynthesis and search for novel antibacterial peptides

A estirpe Bacillus licheniformis I89 possui a capacidade de produzir alguns compostos com actividade antibacteriana. No presente estudo, a separação desses compostos foi realizada através da aplicação de vários procedimentos, incluindo extracção em fase sólida e cromatografia liquida de alta pressão. Dois destes compostos bioactivos constituem o lantibiótico de classe II lichenicidina e são caracterizados pela massas molecular de 3250 Da (Bliα) e 3020 Da (Bliβ). O cluster responsável pela biossíntese da lichenicidina foi heterologamente expresso em Escherichia coli, constituindo a primeira descrição da produção de um lantibiótico totalmente in vivo num hospedeiro Gram-negativo. Este sistema foi subsequentemente explorado com o objectivo de relacionar cada proteína codificada no cluster genético da lichenicidina na produção dos péptidos Bliα e Bliβ. O desenvolvimento do sistema de trans complementação possibilitou a produção de variantes destes péptidos. A análise das massas moleculares destas variantes assim como a análise dos padrões de fragmentação obtidos por MS/MS permitiu a revisão de algumas das características estruturais previamente proposta para Bliα e Bliβ. A análise dos genes hipoteticamente envolvidos na protecção da estirpe produtora contra a acção antibiótica da lichenicidina revelou, que em E. coli, a sua ausência não resulta no aumento da susceptibilidade a este composto. Verificou-se também que a presença destes genes não é essencial para a produção de lichenicidina em E. coli. Foi também confirmado experimentalmente que a membrana externa da E. coli constitui uma barreira natural para a entrada dos péptidos na célula. De facto, uma das características intrigantes da produção de lichenicidina por uma bactéria de Gram negativo reside no mecanismo de transporte dos dois péptidos através da membrana externa. Neste estudo foi demonstrado que na ausência da proteína de membrana TolC, a massa molecular de Bliα e Bliβ não foi identificada no sobrenadante de E. coli, demonstrando assim que a sua presença no ambiente extra-celular não se devia a um processo de lise bacteriana. Foi ainda avaliada a capacidade da maquinaria biossintética da lichenicidina para produzir o lantibiótico haloduracina, através do processamento de chimeras lichenicidina-haloduracina, contudo, os resultados foram negativos. Verificou-se ainda que em determinadas condições de incubação, a diferenciação da morfologia original da estirpe B. licheniformis I89 pode ocorrer. Esta dissociação implicou a transição da colónia parental e rugosa para uma colónia de aparência mais simples e suave. Desta forma, as diferenças das duas morfologias em termos de taxa de crescimento, esporulação e actividade antibiótica foram investigadas. Considerando especificamente Bliα e Bliβ verificou-se que a abundância destes péptidos nas culturas do fenótipo fino é geralmente inferior aquela identificada nas culturas do fenótipo parental. Por último, a diversidade de elementos genéticos constituintes de péptido sintetases não ribossomais (NRPS) foi investigada em lagoas no centro de Portugal e em solos provenientes de caves do sul de Portugal, revelando a presença de potenciais novas NRPS nestes ambientes.

Relação do aroma e da espuma dos vinhos espumantes com o potencial enológico das uvas e dos vinhos

Os espumantes produzidos segundo o método Champanhês são obtidos após uma segunda fermentação em garrafa. Quando o vinho é vertido no copo, o CO2 produzido é libertado, sendo a espuma formada o resultado da sua interacção com os constituintes do vinho. A quantidade e a estabilidade da espuma do vinho espumante estão relacionadas com a sua composição química. Para além da espuma, o aroma é também um parâmetro importante de qualidade na apreciação geral de um vinho espumante. O aroma de um vinho espumante provém do contributo das uvas assim como do processo fermentativo. Dependendo do estado de maturação da uva, o contributo dos compostos voláteis para o aroma é diferente. Em virtude da vindima para os vinhos espumantes ser realizada antes da vindima para os vinhos maduros, dependendo da variedade, as uvas poderão não ser colhidas na expressão máxima do seu aroma, podendo verificar-se uma perda significativa do seu potencial varietal volátil. O objectivo desta dissertação é relacionar o aroma e a espuma dos vinhos espumantes com o potencial enológico das uvas e dos vinhos. Para isso, foi estudada a composição volátil das duas castas principais da Bairrada, a casta branca Fernão-Pires (FP) e a casta tinta Baga (BG), sendo estas duas das castas usadas para a produção de espumante. Para estudar a composição volátil das uvas durante a maturação, com vista a avaliar este efeito na expressão máxima de compostos voláteis, foi optimizada para este propósito a metodologia de microextracção em fase sólida em espaço de cabeça (HS-SPME). As uvas foram colhidas semanalmente, em duas vinhas, do pintor à pós-maturidade sendo posteriormente analisadas pela metodologia de HS-SPME seguida de cromatografia de gás acoplada à espectrometria de massa com quadrupolo (GC–qMS). No caso das uvas BG, observou-se um aumento acentuado na expressão máxima de compostos voláteis próximo da maturidade da uva determinada pelo teor em açúcar e acidez titulável, mantendo-se constante durante a pós-maturidade. Na determinação do perfil volátil das uvas ao longo da maturação foram identificados 66 compostos varietais nas uvas provenientes de uma vinha (Pedralvites) e 45 da outra vinha (Colégio). Em ambas as vinhas foram identificados 23 sesquiterpenóides, 13 monoterpenóides, 6 norisoprenóides, 2 álcoois aromáticos e 1 diterpenóide. Os sesquiterpenóides, devido à sua abundância em número e em área cromatográfica, podem ser considerados marcadores da casta BG. As uvas FP apresentaram um comportamento diferente do das uvas BG, sendo a expressão máxima de compostos voláteis expressa durante um curto período de tempo (1 semana), que coincide com a maturidade da uva. Depois de atingido este pico, observa-se uma diminuição drástica logo na semana seguinte. Este comportamento foi observado em ambas as vinhas, onde foram identificados 20 compostos voláteis varietais e 5 pré-fermentativos (álcoois e aldeídos em C6). Estes resultados mostram que quando estas castas são colhidas precocemente (1 semana antes da maturidade) para a produção de espumante, é observada uma redução significativa do potencial volátil que é expresso na maturidade. Para a análise da composição volátil dos vinhos espumantes foi optimizada uma metodologia de microextracção que permite usar uma maior quantidade de fase estacionária, a extracção sorptiva em barra de agitação (SBSE). O método foi optimizado usando 10 padrões de compostos voláteis representativos das principais famílias químicas presentes no vinho, nomeadamente, ésteres, monoterpenóides, sesquiterpenóides, norisoprenóides em C13 e álcoois. O método proposto apresenta uma boa linearidade (r2 > 0,982) e a reprodutibilidade varia entre 8,9 e 17,8%. Os limites de detecção para a maioria dos compostos é bastante baixo, entre 0,05 e 9,09 μg L-1. O método foi aplicado para a análise da composição volátil dos vinhos espumantes. Dentro dos vinhos espumantes analisados, foi estudada a influência da casta, do tipo de solo e do estado de maturação das uvas na sua composição volátil. A casta FP pode dar origem a vinhos com maior potencial de aroma do que a casta BG. Relativamente à avaliação dos diferentes estados de maturação, verificou-se que as uvas da maturidade e as da colheita tardia (uma semana depois da maturidade) deram origem aos vinhos com maior quantidade de compostos voláteis. Para os três tipos de solo estudados (arenoso, argiloso e argilo-calcário), o vinho obtido a partir de uvas colhidas no solo argilo-calcário foi o que mostrou a maior concentração de compostos voláteis varietais. A espuma destes vinhos espumantes foi também avaliada quanto à sua quantidade máxima (HM) e tempo de estabilidade (TS). O vinho espumante que apresentou um maior TS foi o vinho produzido a partir da casta FP proveniente de uma colheita tardia e solo argiloso. Os vinhos provenientes dos solos arenosos e argilo-calcários são os que apresentaram valores mais baixos de TS. Com vista a avaliar quais os conjuntos de moléculas do vinho que estão relacionados com as propriedades da espuma e possíveis sinergismos entre eles, para cada vinho espumante foi separada a fracção hidrofóbica de baixo peso molecular (MeLMW), a fracção de elevado peso molecular (HMW) e duas fracções de peso molecular intermédio (AqIMW e MeIMW). As propriedades da espuma dos vinhos modelo, reconstituídos com estas fracções e suas misturas, foram avaliadas. A combinação da fracção HMW com a MeLMW aumentou o TS 2,7 vezes quando comparado com o observado para a fracção HMW isoladamente, produzindo um efeito sinergético. Este aumento do TS ainda foi maior quando se combinou a fracção HMW com as subfracções obtidas a partir da fracção MeLMW, principalmente para as fracções menos apolares. A subfracção hidrofóbica menos apolar foi caracterizada por espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS/MS) tendo sido identificada uma série de oligómeros de polietileno glicol e um potencial composto tensioactivo, o 8-hidroxi-tridecanoato de dietilenoglicolglicerilacetato. A fracção MeLMW foi também isolada da espuma do vinho espumante e caracterizada por ESI-MS/MS, permitindo identificar vários compostos potenciais tensioactivos, nomeadamente, dois monoacilgliceróis e quatro derivados de ácidos gordos com gliceriletilenoglicol. Estes resultados confirmam que estes compostos relacionados com a estabilidade da espuma existem em maior número na espuma do que no vinho. O vinho foi ainda fraccionado em 12 grupos de moléculas: 3 fracções de manoproteínas, 3 de arabinogalactanas, 3 de misturas de polissacarídeos, proteínas e compostos fenólicos e 3 fracções de peso molecular intermédio e baixo, compostas por uma mistura de hidratos de carbono, peptídeos e compostos fenólicos. Foram usados vinhos modelo reconstituídos com cada uma das fracções isoladas na concentração em que estas se encontraram no vinho. Foram também efectuados ensaios com soluções modelo dez vezes mais concentradas e com misturas de algumas das fracções. Todas as soluções formadas foram avaliadas quanto às propriedades da espuma. O aumento da concentração para dez vezes faz com que a solução contendo a fracção rica em manoproteínas (MP1) aumente para mais do dobro a HM e 7,4 vezes mais o TS. A combinação entre a fracção MP1 e a MeLMW produziu um aumento significativo nos parâmetros de HM e TS. A combinação da fracção HMW (manoproteínas com baixo teor em proteína) com a MeLMW (tensioactivos derivados de ácidos gordos com gliceriletilenoglicol) contém os compostos chave de um vinho espumante para se obter uma maior quantidade e estabilidade da espuma.

Maturação de lamas vulcânicas açorianas e sua aplicação em peloterapia

Em Portugal, nomeadamente nos Açores (Centro Termal das Furnas), durante vários anos foram utilizados pelóides naturais (lamas/argilas obtidos após conveniente maturação com água mineral) como agentes terapêuticos. Apesar das evidências empíricas da aplicação das argilas para fins terapêuticos, o suporte científico é ainda escasso. Além disso, contrariamente ao que se verifica para águas minerais utilizadas para fins termais, no campo da peloterapia, não existe regulamentação que estabeleça critérios quanto à qualidade padrão de um pelóide. Este trabalho visou a avaliação das características biológicas, físico-químicas e mineralógicas de lamas vulcânicas das ilhas de São Miguel e da Terceira para aplicação em peloterapia antes e após maturação. A área de amostragem foi caracterizada sob o ponto de vista geomorfológico, geológico, hidrológico e climático. A análise dos materiais colhidos contemplou estudos de granulometria e de mineralogia da amostra total e da fracção argilosa; caracterização química; e determinação de outras propriedades tais como índice de abrasividade, superfície específica, pH, capacidade de troca catiónica e catiões de troca, limites de consistência (plasticidade e liquidez e índice de plasticidade) e taxa de arrefecimento. A caracterização biológica das lamas incluiu a identificação e quantificação relativa de diatomáceas e a determinação do teor em coliformes totais e microrganismos cultiváveis a 37 ºC e a 22 ºC. Estudos efectuados em amostras comerciais argilosas e em recursos naturais açorianos precederam os ensaios de maturação. Estes estudos visaram, fundamentalmente, aferir as características apropriadas dos materiais para aplicação tópica e detectar e caracterizar a presença de comunidades diatomológicas em locais próximos dos materiais a serem sujeitos a maturação. O estudo de maturação foi desenvolvido em duas etapas sequenciais e complementares com vista à optimização do processo de maturação de lamas vulcânicas açorianas. Foi testada a influência de algumas condições abióticas na maturação e fez-se variar a fracção granulométrica, proporção fase sólida:fase líquida e o tempo de maturação entre os dois ensaios. O uso da granulometria <63 μm, proporção de 2:1 (fase sólida:fase líquida) e condições de luminosidade, sem agitação parecem ser as mais adequadas à maturação dos materiais analisados. A maturação revela-se um processo que promove a melhoria de características importantes dos materiais para aplicação em peloterapia, tais como aumento dos tempos de arrefecimento e da quantidade de catiões de troca. Existe uma comunidade de microalgas e bacteriana capaz de se desenvolver em materiais geológicos vulcânicos durante a maturação e cujo contributo para a acção terapêutica do pelóide deverá ser aferida. Após comparação com materiais de referência, a amostra das Furnas revela as características mais adequadas para aplicação em peloterapia.

Acrylic bone cements modified with bioactive and biodegradable fillers

O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese.