Quitooligosacáridos bifuncionales: relación entre características químico-físicas y propiedades biológicas

As the degraded products of chitosan, chitooligosaccharides (COS) have recently been produced by several methods, such as enzymatic an acidic hydrolysis. Chitosans are a family of biocompatible and biodegradable biopolymers obtained by N-deacetylation of chitin, the most abundant natural polymer after cellulose, consisting of two monomeric units, N-acetyl-2- amino-2-deoxi-D-glucose (A units) and 2-amino-2-deoxi-D-glucose (D units) linked by β (1→4) links. The degraded products COS, have a smaller molecular weight and therefore have better solubility and lower viscosity under physiological conditions because of shorter chain lengths and free amino groups in D-glucosamine units. The study of COS has been increasing not only because they come from a natural source, but also because of their biological compatibility and effectiveness. There are numerous reports on the biological activities of COS and their potential applications in food industry, pharmacy, agricultural or biomedicine. Nevertheless, in these studies it is difficult to find well defined COS in terms of physicochemical parametres, because these samples are usually poorly characterized. This makes it difficult to compare the results and to understand their mecanism of action. Degradation of the O-glycosidic linkages of chitosan by different methods, results in COS with different numbers and sequences of A and D units as well as different degrees of polymerisation (DP). Over the past few years, several technological approaches have been taken in preparing COS, including acid hydrolysis or enzymatic methods, among others. Therefore, in order to obtain COS with different physicochemical properties, different preparation methods of COS have been developed in this work. Then, the study of the relationship between physicochemical properties of these COS and their biological activities such as natural antioxidants, antibacterial agents, mucoadhesive and anti-inflammatory effects have been studied...

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Nanostructured copper oxides and phosphates from a new solid-state route

Nanostructured copper containing materials of CuO, Cu3(PO4)3 and Cu2P2O7 have been prepared by solid-state pyrolysis of molecular CuCl2·NC5H4OH (I), CuCl2·CNCH2C6H4OH (II), oligomeric [Cu(PPh3)Cl]4 (III), N3P3[OC6H4CH2CN·CuCl]6[PF6] (IV), N3P3[OC6H5]5[OC5H4N·Cu][PF6] (V), polymeric chitosan·(CuCl2)n (VI) and polystyrene-co-4-vinylpyridine PS-b-4-PVP·(CuCl2) (VII) precursors. The products strongly depend on the precursor used. The pyrolytic products from phosphorus-containing precursors (III), (IV) and (V) are Cu phosphates or pyrophosphates, while non-phosphorous-containing precursors (VI) and (VII), result in mainly CuO. The use of chitosan as a solid-state template/stabilizer induces the formation of CuO and Cu2O nanoparticles. Copper pyrophosphate (Cu2P2O7) deposited on Si using (IV) as the precursor exhibits single-crystal dots of average diameter 100 nm and heights equivalent to twice the unit cell b-axis (1.5–1.7 nm) and an areal density of 5.1–7.7 Gigadots/in.2. Cu2P2O7 deposited from precursor (VI) exhibits unique labyrinthine high surface area deposits. The morphology of CuO deposited on Si from pyrolysis of (VI) depends on the polymer/Cu meta ratio. Magnetic measurements performed using SQUID on CuO nanoparticle networks suggest superparamagnetic behavior. The results give insights into compositional, shape and morphological control of the as-formed nanostructures through the structure of the precursors.

Delivery and Scavenging of Nucleic Acids by Polycationic Polymers

Electrostatic interaction is a strong force that attracts positively and negatively charged molecules to each other. Such an interaction is formed between positively charged polycationic polymers and negatively charged nucleic acids. In this dissertation, the electrostatic attraction between polycationic polymers and nucleic acids is exploited for applications in oral gene delivery and nucleic acid scavenging. An enhanced nanoparticle for oral gene delivery of a human Factor IX (hFIX) plasmid is developed using the polycationic polysaccharide, chitosan (Ch), in combination with protamine sulfate (PS) to treat hemophilia B. For nucleic acid scavenging purposes, the development of an effective nucleic acid scavenging nanofiber platform is described for dampening hyper-inflammation and reducing the formation of biofilms.

Non-viral gene therapy may be an attractive alternative to chronic protein replacement therapy. Orally administered non-viral gene vectors have been investigated for more than one decade with little progress made beyond the initial studies. Oral administration has many benefits over intravenous injection including patient compliance and overall cost; however, effective oral gene delivery systems remain elusive. To date, only chitosan carriers have demonstrated successful oral gene delivery due to chitosan’s stability via the oral route. In this study, we increase the transfection efficiency of the chitosan gene carrier by adding protamine sulfate to the nanoparticle formulation. The addition of protamine sulfate to the chitosan nanoparticles results in up to 42x higher in vitro transfection efficiency than chitosan nanoparticles without protamine sulfate. Therapeutic levels of hFIX protein are detected after oral delivery of Ch/PS/phFIX nanoparticles in 5/12 mice in vivo, ranging from 3 -132 ng/mL, as compared to levels below 4 ng/mL in 1/12 mice given Ch/phFIX nanoparticles. These results indicate the protamine sulfate enhances the transfection efficiency of chitosan and should be considered as an effective ternary component for applications in oral gene delivery.

Dying cells release nucleic acids (NA) and NA-complexes that activate the inflammatory pathways of immune cells. Sustained activation of these pathways contributes to chronic inflammation related to autoimmune diseases including systemic lupus erythematosus, rheumatoid arthritis, and inflammatory bowel disease. Studies have shown that certain soluble, cationic polymers can scavenge extracellular nucleic acids and inhibit RNA-and DNA-mediated activation of Toll-like receptors (TLRs) and inflammation. In this study, the cationic polymers are incorporated onto insoluble nanofibers, enabling local scavenging of negatively charged pro-inflammatory species such as damage-associated molecular pattern (DAMP) molecules in the extracellular space, reducing cytotoxicity related to unwanted internalization of soluble cationic polymers. In vitro data show that electrospun nanofibers grafted with cationic polymers, termed nucleic acid scavenging nanofibers (NASFs), can scavenge nucleic acid-based agonists of TLR 3 and TLR 9 directly from serum and prevent the production of NF-ĸB, an immune system activating transcription factor while also demonstrating low cytotoxicity. NASFs formed from poly (styrene-alt-maleic anhydride) conjugated with 1.8 kDa branched polyethylenimine (bPEI) resulted in randomly aligned fibers with diameters of 486±9 nm. NASFs effectively eliminate the immune stimulating response of NA based agonists CpG (TLR 9) and poly (I:C) (TLR 3) while not affecting the activation caused by the non-nucleic acid TLR agonist pam3CSK4. Results in a more biologically relevant context of doxorubicin-induced cell death in RAW cells demonstrates that NASFs block ~25-40% of NF-ĸβ response in Ramos-Blue cells treated with RAW extracellular debris, ie DAMPs, following doxorubicin treatment. Together, these data demonstrate that the formation of cationic NASFs by a simple, replicable, modular technique is effective and that such NASFs are capable of modulating localized inflammatory responses.

An understandable way to clinically apply the NASF is as a wound bandage. Chronic wounds are a serious clinical problem that is attributed to an extended period of inflammation as well as the presence of biofilms. An NASF bandage can potentially have two benefits in the treatment of chronic wounds by reducing the inflammation and preventing biofilm formation. NASF can prevent biofilm formation by reducing the NA present in the wound bed, therefore removing large components of what the bacteria use to develop their biofilm matrix, the extracellular polymeric substance, without which the biofilm cannot develop. The NASF described above is used to show the effect of the nucleic acid scavenging technology on in vitro and in vivo biofilm formation of P. aeruginosa, S. aureus, and S. epidermidis biofilms. The in vitro studies demonstrated that the NASFs were able to significantly reduce the biofilm formation in all three bacterial strains. In vivo studies of the NASF on mouse wounds infected with biofilm show that the NASF retain their functionality and are able to scavenge DNA, RNA, and protein from the wound bed. The NASF remove DNA that are maintaining the inflammatory state of the open wound and contributing to the extracellular polymeric substance (EPS), such as mtDNA, and also removing proteins that are required for bacteria/biofilm formation and maintenance such as chaperonin, ribosomal proteins, succinyl CoA-ligase, and polymerases. However, the NASF are not successful at decreasing the wound healing time because their repeated application and removal disrupts the wound bed and removes proteins required for wound healing such as fibronectin, vibronectin, keratin, and plasminogen. Further optimization of NASF treatment duration and potential combination treatments should be tested to reduce the unwanted side effects of increased wound healing time.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.

Biomarker distributions in surface sediments from the Central Arctic Ocean and adjacent marginal seas

Records of the spatial and temporal variability of Arctic Ocean sea ice are of significance for understanding the causes of the dramatic decrease in Arctic sea-ice cover of recent years. In this context, the newly developed sea-ice proxy IP25, a mono-unsaturated highly branched isoprenoid alkene with 25 carbon atoms biosynthesized specifically by sea-ice associated diatoms and only found in Arctic and sub-Arctic marine sediments, has been used to reconstruct the recent spatial sea-ice distribution. The phytoplankton biomarkers 24S-brassicasterol and dinosterol were determined alongside IP25 to distinguish ice-free or permanent ice conditions, and to estimate the sea-ice conditions semi-quantitatively by means of the phytoplankton-IP25 index (PIP25). Within our study, for the first time a comprehensive data set of these biomarkers was produced using fresh and deep-frozen surface sediment samples from the Central Arctic Ocean proper (>80°N latitude) characterised by a permanent ice cover today and recently obtained surface sediment samples from the Chukchi Plateau/Basin partly covered by perennial sea ice. In addition, published and new data from other Arctic and sub-Arctic regions were added to generate overview distribution maps of IP25 and phytoplankton biomarkers across major parts of the modern Arctic Ocean. These comprehensive biomarker data indicate perennial sea-ice cover in the Central Arctic, ice-free conditions in the Barents Sea and variable sea-ice situations in other marginal seas. The low but more than zero values of biomarkers in the Central Arctic supported the low in-situ productivity there. The PIP25 index values reflect modern sea-ice conditions better than IP25 alone and show a positive correlation with spring/summer sea ice. When calculating and interpreting PIP25 index as a (semi-quantitative) proxy for reconstructions of present and past Arctic sea-ice conditions from different Arctic/sub-Arctic areas, information of the source of phytoplankton biomarkers and the possible presence of allochthonous biomarkers is needed, and the records of the individual biomarkers always should be considered as well.

Organic geochemistry of sediments from sapropel 94 of ODP Hole 161-974C

Analysis of the molecular composition of the organic matter (OM) from whole sediment samples can avoid analytical bias that might result from isolation of components from the sediment matrix, but has its own analytical challenges. We evaluated the use of GC * GC-ToFMS to analyze the pyrolysis products of six whole sediment samples obtained from above, within and below a 1 million year old OM-rich Mediterranean sapropel layer. We found differences in pyrolysis products

Biomarkers in turbidites at ODP Sites 157-951 and 157-952

Free and ester-bound lipid biomarkers were analysed in oxidised and unoxidised parts of four distinct turbidites from the Madeira Abyssal Plain (MAP), which contained 1 to 2% organic carbon homogeneously distributed throughout the turbidites at the time they were deposited. These turbidites are well suited to study the effects of oxic degradation on lipid biomarkers without the complicating influence of varying organic matter sources, sedimentation rates, or bioturbation. One sample from the oxidised turbidite was compared with two samples from the unoxidised part of each turbidite. Postdepositional oxic degradation decreased concentrations of biomarkers by several orders of magnitude. The ester-bound lipids were degraded to a far lesser extent than their free counterparts were. The extent of degradation of different compounds differed substantially. Within a specific class of biomarkers, degradation also took place to a different extent, altering their distributions. This study shows that oxic degradation of the organic matter may have a profound effect on the biomarker fingerprint and may result in a severe bias in, for example, the interpretation of organic matter sources and the estimation of the palaeoproductivity of specific groups of phytoplankton.

Biomarker distributions in sediment core PS2767-4

Here, we present a first (low-resolution) biomarker sea-ice proxy record from the High Arctic (southern Lomonosov Ridge), going back in time to about 60 ka (MIS 3 to MIS 1). Variable concentrations of the sea-ice diatom specific highly branched isoprenoid (HBI) with 25 carbon atoms ("IP25"), in combination with the phytoplankton biomarker brassicasterol, suggest variable seasonal sea-ice coverage and open-water productivity during MIS 3. During most of MIS 2, the spring to summer sea-ice margin significantly extended towards the south, resulting in a drastic decrease in phytoplankton productivity. During the Early Holocene Climate Optimum, brassicasterol reached its maximum, interpreted as signal for elevated phytoplankton productivity due to a significantly reduced sea-ice cover. During the mid-late Holocene, IP25 increased and brassicasterol decreased, indicating extended sea-ice cover and reduced phytoplankton productivity, respectively. The HBI diene/IP25 ratios probably reached maximum values during the Bølling-Allerød warm period and decreased during the Holocene, suggesting a correlation with sea-surface temperature.

Organic geochemical parameters (biomarker) in sedimentary sequences and sediment traps

For the reconstruction of sea-ice variability, a biomarker approach which is based on (1) the determination of sea-ice diatom-specific highly-branched isoprenoid (IP25) and (2) the coupling of phytoplankton biomarkers and IP25 has been used. For the first time, such a data set was obtained from an array of two sediment traps deployed at the southern Lomonosov Ridge in the central Arctic Ocean at water depth of 150 m and 1550 m and recording the seasonal variability of sea ice cover in 1995/1996. These data indicate a predominantly permanent sea ice cover at the trap location between November 1995 and June 1996, an ice-edge situation with increased phytoplankton productivity and sea-ice algae input in July/August 1996, and the start of new-ice formation in late September. The record of modern sea-ice variability is then used to better interpret data from sediment core PS2458-4 recovered at the Laptev Sea continental slope close to the interception with Lomonosov Ridge and recording the post-glacial to Holocene change in sea-ice cover. Based on IP25 and phytoplankton biomarker data from Core PS2458-4, minimum sea-ice cover was reconstructed for the Bølling/Allerød warm interval between about 14.5 and 13 calendar kyr BP, followed by a rapid and distinct increase in sea-ice cover at about 12.8 calendar kyr BP. This sea-ice event was directly preceded by a dramatic freshwater event and a collapse of phytoplankton productivity, having started about 100 years earlier. These data are the first direct evidence that enhanced freshwater flux caused enhanced sea-ice formation in the Arctic at the beginning of the Younger Dryas. In combination with a contemporaneous, abrupt and very prominent freshwater/meltwater pulse in the Yermak Plateau/Fram Strait area these data may furthermore support the hypothesis that strongly enhanced freshwater (and ice) export from the Arctic into the North Atlantic could have played an important trigger role for the onset of the Younger Dryas cold reversal. During the Early Holocene, sea-ice cover steadily increased again (ice-edge situation), reaching modern sea-ice conditions (more or less permanent sea-ice cover) probably at about 7-8 calendar kyr BP.

Sedimentology on core MSM05/05_723-2

Two high-resolution sediment cores from eastern Fram Strait have been investigated for sea subsurface and surface temperature variability during the Holocene (the past ca 12,000 years). The transfer function developed by Husum and Hald (2012) has been applied to sediment cores in order to reconstruct fluctuations of sea subsurface temperatures throughout the period. Additional biomarker and foraminiferal proxy data are used to elucidate variability between surface and subsurface water mass conditions, and to conclude on the Holocene climate and oceanographic variability on the West Spitsbergen continental margin. Results consistently reveal warm sea surface to subsurface temperatures of up to 6 °C until ca 5 cal ka BP, with maximum seawater temperatures around 10 cal ka BP, likely related to maximum July insolation occurring at that time. Maximum Atlantic Water (AW) advection occurred at surface and subsurface between 10.6 and 8.5 cal ka BP based on both foraminiferal and dinocyst temperature reconstructions. Probably, a less-stratified, ice-free, nutrient-rich surface ocean with strong AW advection prevailed in the eastern Fram Strait between 10 and 9 cal ka BP. Weakened AW contribution is found after ca 5 cal ka BP when subsurface temperatures strongly decrease with minimum values between ca 4 and 3 cal ka BP. Cold late Holocene conditions are furthermore supported by high planktic foraminifer shell fragmentation and high d18O values of the subpolar planktic foraminifer species Turborotalita quinqueloba. While IP25-associated indices as well as dinocyst data suggest a sustained cooling due to a decrease in early summer insolation and consequently sea-ice increase since about 7 cal ka BP in surface waters, planktic foraminiferal data including stable isotopes indicate a slight return of stronger subsurface AW influx since ca 3 cal ka BP. The observed decoupling of surface and subsurface waters during the later Holocene is most likely attributed to a strong pycnocline layer separating cold sea-ice fed surface waters from enhanced subsurface AW advection. This may be related to changes in North Atlantic subpolar versus subtropical gyre activity.

Nanotechnology in the food industry I: applications

Nanotechnology is a multidisciplinary science that is having a boom today, providing new products with attractive physicochemical properties for many applications. In agri/feed/food sector, nanotechnology offers great opportunities for obtaining products and innovative applications for agriculture and livestock, water treatment and the production, processing, storage and packaging of food. To this end, a wide variety of nanomaterials, ranging from metals and inorganic metal oxides to organic nanomaterials carrying bioactive ingredients are applied. This review shows an overview of current and future applications of nanotechnology in the food industry. Food additives and materials in contact with food are now the main applications, while it is expected that in the future are in the field of nano-encapsulated and nanocomposites in applications as novel foods, additives, biocides, pesticides and materials food contact.

Nanotechnology in food industry II: risk assessment and legislation

Currently, there is increasing use of nanomaterials in the food industry thanks to the many advantages offered and make the products that contain them more competitive in the market. Their physicochemical properties often differ from those of bulk materials, which require specialized risk assessment. This should cover the risks to the health of workers and consumers as well as possible environmental risks. The risk assessment methods must go updating due to more widespread use of nanomaterials, especially now that are making their way down to consumer products. Today there is no specific legislation for nanomaterials, but there are several european dispositions and regulations that include them. This review gives an overview of the risk assessment and the existing current legislation regarding the use of nanotechnology in the food industry.