Development of a novel aptamer-based multi-sensor device for the detection of osteopontin

Doctoral Dissertation for PhD degree in Chemical and Biological Engineering

Investigating a galactomannan gel obtained from Cassia grandis seeds as immobilizing matrix for Cramoll lectin

Characterization, with emphasis on the rheological properties, of Cassia grandis seeds galactomannan gel containing immobilized Cramoll 1,4 is presented. The gels, with and without immobilized Cramoll 1,4, were evaluated along time by rheometry, pH, color, microbial contamination and lectin hemagglutinating activity (HA). Rheological determinations confirmed the gels to be very stable up to 30 days with variations occurring after this period. Rheological data also showed that the gel/Cramoll 1,4 immobilizing matrix loses its elastic modulus substantially after 60 days. Both gels presented no microbial contamination as well as a pH close to neutral. Colorimetric parameters demonstrated the gels transparency with occasional yellowness. The opacity of the galactomannan gel did not change significantly along the study; the same did not occur for the gel with immobilized Cramoll 1,4 as a statistically significant reduction of its opacity was observed. In what concerns immobilized Cramoll 1,4HA, up to 90% of its initial HA was maintained after 20 days, with a decrease to 60% after 60 days. These results combined with the thickening and stabilizing characteristics of the galactomannan gel make this gel a promising immobilizing matrix for Cramoll 1,4 that can be further exploited for clinical and cosmetic applications.

Persistent organic chemicals of emerging environmental concern

The use of chemicals and chemical derivatives in agriculture and industry has contributed to their accumulation and persistence in the environment. Persistent organic pollutants (POPs) are among the environmental pollutants of most concern since, when improperly handled and disposed, they can persist in the environment, bioaccumulate through the food web, and may create serious public health and environmental problems. Development of an effective degradation process has become an area of intense research. The physical/chemical methods employed, such as volatilization, evaporation, photooxidation, adsorption, or hydrolysis, are not always effective, are very expensive, and, sometimes, lead to generation/disposal of other contaminants. Biodegradation is one of the major mechanisms by which organic contaminants are transformed, immobilized, or mineralized in the environment. A clear understanding of the major processes that affect the interactions between organic contaminants, microorganisms, and environmental matrix is, thus, important for determining persistence of the compounds, for predicting in situ transformation rates, and for developing site remediation. Information on their risks and impact and occurrence in the different environmental matrices is also important, in order to attenuate their impact and apply the appropriate remediation process. This chapter provides information on the fate of pesticides and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), their impact, bioavailability, and biodegradation. © Springer Science+Business Media Dordrecht 2014.

Chemical functionalization in bionanoparticles

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

Laccase immobilization on bacterial nanocellulose membranes: antimicrobial, kinetic and stability properties

This work studied the physical immobilization of a commercial laccase on bacterial nanocellulose (BNC) aiming to identify the laccase antibacterial properties suitable for wound dressings. Physico-chemical analysis demonstrates that the BNC structure is manly formed by pure crystalline I cellulose. The pH optimum and activation energy of free laccase depends on the substrate employed corresponding to pH 6, 7, 3 and 57, 22, 48 kJ mol1 for 2,6-dimethylphenol (DMP), catechol and 2,2 -azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS), respectively. The Michaelis-Menten constant (Km) value for the immobilized laccase (0.77 mM) was found to be almost double of that of the free enzyme (0.42 mM). However, the specific activities of immobilized and free laccase are similar suggesting that the cage-like structure of BNC allows entrapped laccase to maintain some flexibility and favour substrate accessibility. The results clearly show the antimicrobial effect of laccase in Gram-positive (92%) and Gram-negative (26%) bacteria and cytotoxicity acceptable for wound dressing applications.

Biotechnological production and application of fructooligosaccharides

Currently, prebiotics are all carbohydrates of relatively short chain length. An important group is the fructooligosaccharides, which are a special kind of prebiotics associated to their selective stimulation of the activity of certain groups of colonic bacteria that have a positive and beneficial effect on intestinal microbiota, reducing incidence of gastrointestinal infections, respiratory and also possessing a recognized bifidogenic effect. Traditionally, these prebiotic compounds have been obtained through extraction processes from some plants, as well as through enzymatic hydrolysis of sucrose. However, different fermentative methods have also been proposed for the production of fructooligosaccharides, such as solid-state fermentation utilizing various agroindustrial by-products. By optimizing the culture parameters, fructooligosaccharides yields and productivity can be improved. The use of immobilized enzymes and cells has also been proposed as being an effective and economic method for large-scale production of fructooligosaccharides. This paper is an overview on the results of recent studies on fructooligosacharides biosynthesis, physicochemical properties, sources, biotechnological production and applications.

Determination of catalase activity and its inhibition by a simple manometric method

[Excerpt] Introduction: There has been a considerable amount of controversy about the use of manometric methods to measure catalase activity. As Maehly and Chance point out in their excellent review] the advantages of these methods is "... that they can be used for any kind of biological material, and purification of the enzyme is not required. The assay is independent of small amounts of peroxidase activity. It is fairly simple to perform, it is rapid and it can be adapted to continuous reading of the reaction". A variety of drawbacks are also listed by the same authors, viz, the inactivation of the enzyme under the experimental conditions and the time lag before a constant rate of oxygen evolution is reached. [...]

Malolactic fermentation in winemaking: evaluation of operational parameters

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Influências de dietas ricas em ácidos graxos saturados e insaturados sobre o miocárdio de ratos

OBJETIVOS: O estudo avaliou a influência de dietas ricas em ácidos graxos saturados (AGS) e ácidos graxos insaturados (AGI) sobre a função mecânica, a morfologia e o estresse oxidativo do miocárdio de ratos. MÉTODOS: Ratos Wistar com 60 dias de idade foram alimentados com dieta padrão (n = 8) ou dietas ricas em AGS (n = 8) ou AGI (n = 8) durante 60 dias. A função mecânica foi avaliada em músculo papilar isolado do ventrículo esquerdo (VE) por meio de contrações isométrica e isotônica, em condição basal (1,25 mM de cálcio), após elevação da concentração extracelular de cálcio para 5,2 mM e estimulação beta-adrenérgica com isoproterenol 1,0 µM. Fragmentos do VE foram usados para estudo de estresse oxidativo e microscopias óptica e eletrônica. RESULTADOS: As dietas suplementadas com AGS e AGI não alteraram a função mecânica do músculo cardíaco. Entretanto, ambas provocaram estresse oxidativo, com aumento do hidroperóxido de lipídio e redução da concentração de superóxido dismutase. A dieta AGI diminuiu a expressão da catalase e a AGS reduziu a quantidade de glutationa peroxidase miocárdica. Ambas as dietas promoveram discretas alterações morfológicas visualizadas ultra-estruturalmente, como depósitos lipídicos e lesões das membranas celulares. CONCLUSÃO: Os resultados sugerem que dietas enriquecidas com AGS e AGI não acarretam alteração da função mecânica do músculo cardíaco isolado, mas causam discretas lesões estruturais e estresse oxidativo no miocárdio.

Mieloperoxidase e doença arterial coronariana: da pesquisa à prática clínica

A mieloperoxidase (MPO) é uma enzima derivada de leucócitos que catalisa a formação de numerosas espécies reativas oxidantes. Além de integrantes da resposta imune inata, evidências têm comprovado a contribuição desses oxidantes para o dano tecidual durante inflamação. A MPO participa de atividades biológicas pró-aterogênicas relacionadas à evolução da doença cardiovascular, incluindo iniciação, propagação e as fases de complicação aguda do processo aterosclerótico. Dessa forma, a MPO e sua cascata inflamatória representam um alvo atrativo para investigação prognóstica e terapêutica na doença aterosclerótica cardiovascular. Nesta revisão, apresentamos o estado da arte no entendimento das ações biológicas às evidências clínicas da relação entre MPO e doença arterial coronariana. Vários estudos apontam para o efeito independente dos níveis de MPO na evolução da doença e ocorrência de eventos em pacientes com síndrome coronariana aguda. Entretanto, ainda não é consistente o valor preditivo adicional dos níveis de MPO na estratificação de risco cardiovascular para incorporá-la à prática clínica como sinalizadora de vulnerabilidade de placa. Estudos adicionais são necessários para confirmar seu papel nas diferentes formas de apresentação da cardiopatia isquêmica, além da padronização do ensaio, ponto fundamental para a transição desse marcador do ambiente de pesquisa para uso na rotina clínica.

Evaluación del efecto del láser y magnetoterapia en miopatía experimental valorando biomarcadores de estrés oxidativo, histomorfometría y actividad enzimática mitocondrial. Evaluation of the effect of laser and magnetic therapy in experimental myopathy assessing oxidative stress biomarkers, histomorphometry and mitochondrial enzyme activity

El láser de baja y media energía y la magnetoterapia son utilizados en desórdenes osteomioarticulares por sus efectos analgésico, antiinflamatorio y trófico, entre los más destacados. Sin embargo, son insuficientes las investigaciones sobre su mecanismo de acción y antecedentes científicos que avalen sus efectos. Es por ello, que la determinación de acontecimientos celulares y moleculares que ocurren durante la interacción de estos tipos de energía con el sistema muscular, sería relevante para el conocimiento y optimización de tales terapias en las ciencias biomédicas. En las miopatías inflamatorias idiopáticas, se encuentra afectada la estructura, morfología y bioquímica del tejido muscular. La energía que éste requiere para el normal funcionamiento es generada en la mitocondria. Esta organela también es la responsable de la generación de especies oxidantes provocando estrés oxidativo y el inicio de los procesos de apoptosis. Por lo antes dicho, consideramos que la determinación de los biomarcadores inflamatorios asociados a estrés oxidativo, realizando el análisis histomorfométrico ultraestructural y valorando la actividad de los complejos enzimáticos mitocondriales, permitiría una evaluación de la acción terapéutica del láser y la magnetoterapia en un modelo experimental de miopatía. Para ello se propone evaluar el efecto de la magnetoterapia y del láser de baja energía (He-Ne y As.Ga) en miopatía experimental determinando indicadores inflamatorios asociados a estrés oxidativo, análisis histomorfométrico y valoración de la actividad enzimática mitocondrial. Específicamente: -Determinar indicadores inflamatorios y de estrés oxidativo: Oxido Nítrico, Grupos carbonilos, L-citrulina, Fibrinógeno, Superóxido dismutasa, Glutation peroxidasa y Catalasa por espectrofotometría. -Identificar los cambios anatomopatológicos del músculo esquelético por microscopía óptica (MO): cuantificación del infiltrado inflamatorio; MO de alta resolución (MOAR) y por microscopía electrónica: histomorfometría de la ultraestructura miofibrilar y mitocondrial. -Valorar las actividades enzimáticas de la citrato sintasa y de los complejos: I (NADH-ubiquinona reductasa), II (succinato-ubiquinona-reductasa) III (ubiquinona-citocromo c-reductasa) y IV (citocromo c-oxidasa); en mitocondrias de tejido muscular por espectrofotometría. -Evaluar la actividad apoptótica en las fibras musculares de los diferentes grupos por ténica de T.U.N.E.L. Las mediciones mitocondriales (por ME) y de infiltrado inflamatorio (por MO) se realizarán en un total de 5 fotos de aumentos similares en forma aleatoria por grupo estudiado (n=10). Los cambios estructurales observados se analizarán en el programa Axiovision 4.8, para cuantificar el área total ocupada, número total y grado de alteración de las mitocondrias y el porcentaje de infiltrado inflamatorio determinando el grado de inflamación. Los resultados de los datos cuantitativos se analizarán aplicando ANAVA (test de Fisher para comparaciones múltiples); y para los datos categóricos se utilizará Chi cuadrado (test de Pearson), estableciéndose un nivel de significación de p < 0.05 para todos los casos. Importancia del Proyecto: La salud y el bienestar del hombre son los logros perseguidos por las ciencias de la salud. La obtención de terapias curativas o paliativas con un mínimo de efectos colaterales para el enfermo se incluye en estos logros. Por esto y todo lo anteriormente expuesto es que consideramos de gran importancia poder esclarecer desde las ciencias básicas los efectos celulares y moleculares en modelos experimentales la acción de la terapia con láser y magnetoterapia para una aplicación clínica con base científica en todas las áreas de las Ciencias Médicas. In the idiopathic inflammatory myopathies, is affected the structure, morphology and biochemistry of muscle tissue. The mitochondria is responsible for the generation of oxidizing species leading to oxidative stress and the beginning of the process of apoptosis. As said before, we consider the determination of inflammatory biomarkers related to oxidative stress, by ultrastructural morphometric analysis and assessing the activity of mitochondrial enzyme complexes, permit an evaluation of the therapeutic action of laser and magnetic therapy in an experimental model myopathy. We propose to evaluate the effect of the treatment identifying indicators in experimental inflammatory myopathy associated with oxidative stress, histomorphometric analysis and assessment of mitochondrial enzyme activity. Specifically -determining: Nitric oxide, carbonyl groups, L-citrulline, fibrinogen, superoxide dismutase, glutathione peroxidase and catalase by spectrophotometry. -Identify the pathological changes in skeletal muscle by optical microscopy (OM): quantification of the inflammatory infiltrate, OM high resolution (MOAR) and electron microscopy, histomorphometry of myofibrillar and mitochondrial ultrastructure. -Evaluate the enzymatic activity of citrate synthase and complexes: I, II, III and IV in mitochondria muscle tissue by spectrophotometry. -Evaluate apoptotic activity in muscle fibers by TUNEL technique of Mitochondrial measurements and inflammatory infiltration (by OM) was performed in a total of 5 photos of similar increases in random by the study group (n = 10). The structural changes observed are discussed in the program Axiovision 4.8, to quantify number, degree of alteration of mitochondria and the percentage of inflammatory infiltrate determining the degree of inflammation. The results of the quantitative data were analyzed using ANOVA (Fisher test), and categorical data with Chi-square (Pearson test), establishing a significance level of p <0.05.

Marcadores de desequilíbrio redox em sangue de pacientes hipertensos de uma comunidade no Nordeste do Brasil

FUNDAMENTO: Estudos recentes descrevem a participação de espécies reativas de oxigênio e nitrogênio na hipertensão. OBJETIVO: Identificar o desbalanço redox em sangue de hipertensos. MÉTODOS: Superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), glutationa peroxidase (GPx), glutationa (GSH), vitamina C, transferrina, ceruloplasmina, malondialdeído (MDA) e o grupo carbonila, foram quantificados no sangue de 20 hipertensos e 21 controles. Os indivíduos tinham um Índice de Massa Corporal de > 18,5 e < 30 kg/m², glicemia < 100 mg/dL, colesterol sérico < 200 mg/dL, e eram mulheres não fumantes, não grávidas e não lactantes, não usuárias de alopurinol e probucol, e hipertensos em medicação anti-hipertensiva. Todos os indivíduos foram submetidos a um período preparatório de quatro semanas sem álcool, suplementos vitamínicos, dexametasona e paracetamol. RESULTADOS: Níveis reduzidos de CAT (p = 0,013), GSH ( p = 0,003) e MDA (p = 0,014), e altos níveis de GPx (p = 0,001) e ceruloplasmina (p = 0,015) foram obtidos no grupo de hipertensos, em comparação com os controles. Foi verificada uma correlação positiva entre a pressão sistólica e o MDA nos hipertensos e diastólica e CAT nos controles. CONCLUSÃO: Os dados obtidos são sugestivos de que os hipertensos apresentavam desequilíbrio em reações redox, a despeito do possível efeito atenuante de sua medicação anti-hipertensiva.

Carvedilol atenua o estresse oxidativo na cardiopatia chagásica crônica

FUNDAMENTO: Há cada vez mais evidências sugerindo que doença de Chagas envolve dano oxidativo e contribui para a progressão da doença cardíaca. OBJETIVO: Avaliar o efeito do carvedilol sobre marcadores de estresse oxidativo na doença de Chagas crônica. MÉTODOS: A população de estudo incluiu 42 pacientes com cardiopatia chagásica e os biomarcadores de estresse oxidativo foram medidos antes e após um período de seis meses de tratamento com carvedilol (37,5 mg/dia). Os pacientes foram considerados de acordo com a classificação de Los Andes, e a atividade da superóxido dismutase, catalase, glutationa peroxidase, S-transferase e redutase, mieloperoxidase e adenosina deaminase; e os níveis de glutationa reduzida, de espécies reativas do ácido tiobarbitúrico, proteína carbonil, vitamina E e óxido nítrico foram medidos no sangue. RESULTADOS: Após o tratamento com carvedilol, todos os grupos apresentaram reduções significativas nos níveis de proteína carbonil e glutationa reduzida, enquanto os níveis de óxido nítrico e atividade da adenosina aumentaram significativamente somente no grupo IA. Além disso, a maioria das enzimas antioxidantes apresentou diminuição de suas atividades, nos grupos IA e IB. CONCLUSÃO: Os dados sugerem que o tratamento com carvedilol foi eficaz na atenuação do dano oxidativo, um efeito que pode ser particularmente importante em doença de Chagas crônica com cardiopatia.

O carvedilol potencializa o efeito antioxidante das vitaminas E e C na cardiopatia chagásica crônica

FUNDAMENTO: A doença de Chagas continua a ser uma importante doença endêmica no país, sendo o acometimento cardíaco a sua manifestação mais grave. OBJETIVO: Verificar se o uso concomitante de carvedilol potencializará o efeito antioxidante das vitaminas E e C na atenuação do estresse oxidativo sistêmico na cardiopatia chagásica crônica. MÉTODOS: Foram estudados 42 pacientes com cardiopatia chagásica, agrupados de acordo com a classificação modificada de Los Andes, em quatro grupos: 10 pacientes no grupo IA (eletrocardiograma e ecocardiograma normais: sem envolvimento do coração), 20 pacientes do grupo IB (eletrocardiograma normal e ecocardiograma anormal: ligeiro envolvimento cardíaco), oito pacientes no grupo II (eletrocardiograma e ecocardiograma anormais, sem insuficiência cardíaca: moderado envolvimento cardíaco) e quatro pacientes no grupo III (eletrocardiograma e ecocardiograma anormais com insuficiência cardíaca: grave envolvimento cardíaco). Os marcadores de estresse oxidativo foram medidos no sangue, antes e após um período de seis meses de tratamento com carvedilol e após seis meses de terapia combinada com vitaminas E e C. Os marcadores foram: atividades da superóxido dismutase, catalase, glutationa peroxidase, glutationa S-transferase e redutase, mieloperoxidase e adenosina deaminase, e os níveis de glutationa reduzida, de espécies reativas do ácido tiobarbitúrico, proteína carbonilada, vitamina E e óxido nítrico. RESULTADOS: Após o tratamento com carvedilol, todos os grupos apresentaram diminuições significativas dos níveis de proteína carbonilada e glutationa reduzida, enquanto os níveis de óxido nítrico e atividade da adenosina aumentaram significativamente apenas no grupo menos acometido (IA). Além disso, a maioria das enzimas antioxidantes mostrou atividades diminuídas nos grupos menos acometidos (IA e IB). Com a adição das vitaminas ao carvedilol houve diminuição dos danos em proteínas, nos níveis de glutationa e na maior parte da atividade das enzimas antioxidantes. CONCLUSÕES: A queda dos níveis de estresse oxidativo, verificada pelos marcadores testados, foi mais acentuada quando da associação do fármaco carvedilol com as vitaminas antioxidantes. Os dados sugerem que tanto o carvedilol isoladamente como sua associação com as vitaminas foram eficazes em atenuar o dano oxidativo sistêmico em pacientes com CC, especialmente aqueles menos acometidos, sugerindo a possibilidade de sinergismo entre esses compostos.

Convex and toric geometry to analyze complex dynamics in chemical reaction systems

Convex cone, toric variety, graph theory, electrochemical catalysis, oxidation of formic acid, feedback-loopsbifurcations, enzymatic catalysis, Peroxidase reaction, Shil'nikov chaos