Development of a planar waveguide microarray for the monitoring and early detection of five harmful algal toxins in water and cultures

A novel multiplex microarray has been developed for the detection of five groups of harmful algal and cyanobacterial toxins found in marine, brackish, and freshwater environments including domoic acid (DA), okadaic acid (OA, and analogues), saxitoxin (STX, and analogues), cylindrospermopsin (CYN) and microcystins (MC, and analogues). The sensitivity and specificity were determined and feasibility to be used as a screening tool investigated. Results for algal/cyanobacterial cultures (n = 12) and seawater samples (n = 33) were compared to conventional analytical methods, such as high performance liquid chromatography (HPLC) and liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Detection limits for the 15 min assay were 0.37, 0.44, 0.05, 0.08, and 0.40 ng/mL for DA, OA, STX, CYN, and MC, respectively. The correlation of data obtained from the microarray compared to conventional analysis for the 12 cultures was r(2) = 0.83. Analysis of seawater samples showed that 82, 82, 70, 82, and 12% of samples were positive (>IC20) compared to 67, 55, 36, 0, and 0% for DA, OA, STX, CYN, and MC, respectively, for conventional analytical methods. The discrepancies in results can be attributed to the enhanced sensitivity and cross-reactivity profiles of the antibodies in the MBio microarray. The feasibility of the microarray as a rapid, easy to use, and highly sensitive screening tool has been illustrated for the five-plex detection of biotoxins. The research demonstrates an early warning screening assay to support national monitoring agencies by providing a faster and more accurate means of identifying and quantifying harmful toxins in water samples.

Validation study to compare effects of processing protocols on measured N (ε)-(carboxymethyl)lysine and N (ε)-(carboxyethyl)lysine in blood

Epidemiological studies show that elevated plasma levels of advanced glycation end products (AGEs) are associated with diabetes, kidney disease, and heart disease. Thus AGEs have been used as disease progression markers. However, the effects of variations in biological sample processing procedures on the level of AGEs in plasma/serum samples have not been investigated. The objective of this investigation was to assess the effect of variations in blood sample collection on measured N (ε)-(carboxymethyl)lysine (CML), the best characterised AGE, and its homolog, N (ε)-(carboxyethyl)lysine (CEL). The investigation examined the effect on CML and CEL of different blood collection tubes, inclusion of a stabilising cocktail, effect of freeze thaw cycles, different storage times and temperatures, and effects of delaying centrifugation on a pooled sample from healthy volunteers. CML and CEL were measured in extracted samples by ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Median CML and CEL ranged from 0.132 to 0.140 mM/M lys and from 0.053 to 0.060 mM/M lys, respectively. No significant difference was shown CML or CEL in plasma/serum samples. Therefore samples collected as part of epidemiological studies that do not undergo specific sample treatment at collection are suitable for measuring CML and CEL.

Comparison of single and multi-analyte methods based on LC-MS/MS for mycotoxin biomarker determination in human urine

The performances of four LC-MS/MS methodologies for determination of up to eight mycotoxin biomarkers in human urines were compared by involving three laboratories that analysed common urine samples spiked at two levels of each biomarker. Each laboratory received a calibration solution, spiked urines and the corresponding unspiked urine. The two spiking levels for each biomarker were chosen by considering the levels naturally occurring in human urines and the limits of quantification of the LC-MS/MS methodologies used by the participating laboratories. The results of each laboratory were evaluated for their z-score values. The percentage of satisfactory z-scores (vertical bar z vertical bar 2) were obtained for fumonisin B-1 (7/12 results), ochratoxin A (4/8 results) and alpha-zearalenol (1/8 results). The percentage of satisfactory z-scores for fumonisin B-1 and ochratoxin A increased from 42 to 83% for fumonisin B-1 and from 50 to 62% for ochratoxin A when laboratories 1 and 2 used own calibrants. Factors that could explain the different results obtained for fumonisin B-1 and ochratoxin A with provided and own calibration solutions could not be identified in this study and should be carefully investigated in future studies.

Successful Food Safety Analysis

Dr Kevin Cooper of the Institute for Global Food Security at Queen’s University Belfast, Northern Ireland, spoke to Kate Mosford of The
Column about the importance of accuracy, reliability, and stability in food safety analysis and the role of ultrahigh-pressure liquid chromatography tandem mass spectrometry (UHPLC–MS–MS) in his research.

De novo sequencing of two novel peptides homologous to calcitonin-like peptides, from skin secretion of the Chinese Frog, Odorrana schmackeri

An MS/MS based analytical strategy was followed to solve the complete sequence of two new peptides from frog (Odorrana schmackeri) skin secretion. This involved reduction and alkylation with two different alkylating agents followed by high resolution tandem mass spectrometry. De novo sequencing was achieved by complementary CID and ETD fragmentations of full-length peptides and of selected tryptic fragments. Heavy and light isotope dimethyl labeling assisted with annotation of sequence ion series. The identified primary structures are GCD[I/L]STCATHN[I/L]VNE[I/L]NKFDKSKPSSGGVGPESP-NH2 and SCNLSTCATHNLVNELNKFDKSKPSSGGVGPESF-NH2, i.e. two carboxyamidated 34 residue peptides with an aminoterminal intramolecular ring structure formed by a disulfide bridge between Cys2 and Cys7. Edman degradation analysis of the second peptide positively confirmed the exact sequence, resolving I/L discriminations. Both peptide sequences are novel and share homology with calcitonin, calcitonin gene related peptide (CGRP) and adrenomedullin from other vertebrates. Detailed sequence analysis as well as the 34 residue length of both O. schmackeri peptides, suggest they do not fully qualify as either calcitonins (32 residues) or CGRPs (37 amino acids) and may justify their classification in a novel peptide family within the calcitonin gene related peptide superfamily. Smooth muscle contractility assays with synthetic replicas of the S–S linked peptides on rat tail artery, uterus, bladder and ileum did not reveal myotropic activity.

Detection of Tetrodotoxins in Puffer Fish by a Self-Assembled Monolayer-Based Immunoassay and Comparison with Surface Plasmon Resonance, LC-MS/MS, and Mouse Bioassay

The increasing occurrence of puffer fish containing tetrodotoxin (TTX) in the Mediterranean could represent a major food safety risk for European consumers and threaten the fishing industry. The work presented herein describes the development of a new enzyme linked immunosorbent assay (mELISA) based on the immobilization of TTX through dithiol monolayers self-assembled on maleimide plates, which provides an ordered and oriented antigen immobilization and favors the antigen-antibody affinity interaction. The mELISA was found to have a limit of detection (LOD) of TTX of 0.23 mg/kg of puffer fish matrix. The mELISA and a surface plasmon resonance (SPR) immunosensor previously developed were employed to establish the cross-reactivity factors (CRFs) of 5,6,11-trideoxy-TTX, 5,11-deoxy-TTX, 11-nor-TTX-6-ol, and 5,6,11-trideoxy-4-anhydro-TTX, as well as to determine TTX equivalent contents in puffer fish samples. Results obtained by both immunochemical tools were correlated (R(2) = 0.977). The puffer fish samples were also analyzed using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), and the corresponding CRFs were applied to the individual TTX contents. Results provided by the immunochemical tools, when compared with those obtained by LC-MS/MS, showed a good degree of correlation (R(2) = 0.991 and 0.979 for mELISA and SPR, respectively). The mouse bioassay (MBA) slightly overestimated the CRF adjusted TTX content of samples when compared with the data obtained from the other techniques. The mELISA has been demonstrated to be fit for the purpose for screening samples in monitoring programs and in research activities.

Development and Validation of a Lateral Flow Immunoassay for the Rapid Screening of Okadaic Acid and All Dinophysis Toxins from Shellfish Extracts

A single-step lateral flow immunoassay was developed and validated to detect okadaic acid (OA) and dinophysis toxins (DTXs), which cause diarrhetic shellfish poisoning. The performance characteristics of the test were investigated, in comparison to reference methods (liquid chromatography tandem mass spectrometry and/or bioassay), using both spiked and naturally contaminated shellfish. A portable reader was used to generate a qualitative result, indicating the absence or presence of OA-group toxins, at concentrations relevant to the maximum permitted level (MPL). Sample homogenates could be screened in 20 min (including extraction and assay time) for the presence of free toxins (OA, DTX1, DTX2). DTX3 detection could be included with the addition of a hydrolysis procedure. No matrix effects were observed from the species evaluated (mussels, scallops, oysters, and clams). Results from naturally contaminated samples (n = 72) indicated no false compliant results and no false noncompliant results at <50% MPL. Thus, the development of a new low-cost but highly effective tool for monitoring a range of important phycotoxins has been demonstrated.

Distribution, occurrence and biotoxin composition of the main shellfish toxin producing microalgae within European waters: A comparison of methods of analysis

Harmful algal blooms (HABs) are a natural global phenomena emerging in severity and extent. Incidents have many economic, ecological and human health impacts. Monitoring and providing early warning of toxic HABs are critical for protecting public health. Current monitoring programmes include measuring the number of toxic phytoplankton cells in the water and biotoxin levels in shellfish tissue. As these efforts are demanding and labour intensive, methods which improve the efficiency are essential. This study compares the utilisation of a multitoxin surface plasmon resonance (multitoxin SPR) biosensor with enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and analytical methods such as high performance liquid chromatography with fluorescence detection (HPLC-FLD) and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) for toxic HAB monitoring efforts in Europe. Seawater samples (n = 256) from European waters, collected 2009-2011, were analysed for biotoxins: saxitoxin and analogues, okadaic acid and dinophysistoxins 1/2 (DTX1/DTX2) and domoic acid responsible for paralytic shellfish poisoning (PSP), diarrheic shellfish poisoning (DSP) and amnesic shellfish poisoning (ASP), respectively. Biotoxins were detected mainly in samples from Spain and Ireland. France and Norway appeared to have the lowest number of toxic samples. Both the multitoxin SPR biosensor and the RNA microarray were more sensitive at detecting toxic HABs than standard light microscopy phytoplankton monitoring. Correlations between each of the detection methods were performed with the overall agreement, based on statistical 2 × 2 comparison tables, between each testing platform ranging between 32% and 74% for all three toxin families illustrating that one individual testing method may not be an ideal solution. An efficient early warning monitoring system for the detection of toxic HABs could therefore be achieved by combining both the multitoxin SPR biosensor and RNA microarray.

A validated UPLC–MS/MS method for the surveillance of ten aquatic biotoxins in European brackish and freshwater systems

Over the past few decades, there has been an increased frequency and duration of cyanobacterial Harmful Algal Blooms (HABs) in freshwater systems globally. These can produce secondary metabolites called cyanotoxins, many of which are hepatotoxins, raising concerns about repeated exposure through ingestion of contaminated drinking water or food or through recreational activities such as bathing/ swimming. An ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (UPLC–MS/MS) multi-toxin method has been developed and validated for freshwater cyanotoxins; microcystins-LR, -YR, -RR, -LA, -LY and -LF, nodularin, cylindrospermopsin, anatoxin-a and the marine diatom toxin domoic acid. Separation was achieved in around 9 min and dual SPE was incorporated providing detection limits of between 0.3 and 5.6 ng/L of original sample. Intra- and inter-day precision analysis showed relative
standard deviations (RSD) of 1.2–9.6% and 1.3–12.0% respectively. The method was applied to the analysis of aquatic samples (n = 206) from six European countries. The main class detected were the hepatotoxins; microcystin-YR (n = 22), cylindrospermopsin (n = 25), microcystin-RR (n = 17), microcystin-LR (n = 12), microcystin-LY (n = 1), microcystin-LF (n = 1) and nodularin (n = 5). For microcystins, the levels detected ranged from 0.001 to 1.51 mg/L, with two samples showing combined levels above the guideline set by the WHO of 1 mg/L for microcystin-LR. Several samples presented with multiple toxins indicating the potential for synergistic effects and possibly enhanced toxicity. This is the first published pan European survey of freshwater bodies for multiple biotoxins, including two identified for the first time; cylindrospermopsin in Ireland and nodularin in Germany, presenting further incentives for improved monitoring and development of strategies to mitigate human exposure.

Nicotinamide Riboside Is a Major NAD+ Precursor Vitamin in Cow Milk

Background: Nicotinamide riboside (NR) is a recently discovered NAD+ precursor vitamin with a unique biosynthetic pathway. Although the presence of NR in cow milk has been known for more than a decade, the concentration of NR with respect to the other NAD+ precursors was unknown.

Objective: We aimed to determine NAD+ precursor vitamin concentration in raw samples of milk from individual cows and from commercially available cow milk.

Methods: LC tandem mass spectrometry and isotope dilution technologies were used to quantify NAD+ precursor vitamin concentration and to measure NR stability in raw and commercial milk. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to test for NR binding to substances in milk.

Results: Cow milk typically contained ∼12 μmol NAD+ precursor vitamins/L, of which 60% was present as nicotinamide and 40% was present as NR. Nicotinic acid and other NAD+ metabolites were below the limits of detection. Milk from samples testing positive for Staphylococcus aureus contained lower concentrations of NR (Spearman ρ = −0.58, P = 0.014), and NR was degraded by S. aureus. Conventional milk contained more NR than milk sold as organic. Nonetheless, NR was stable in organic milk and exhibited an NMR spectrum consistent with association with a protein fraction in skim milk.

Conclusions: NR is a major NAD+ precursor vitamin in cow milk. Control of S. aureus may be important to preserve the NAD+ precursor vitamin concentration of milk.

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.

Novos derivados porfirínicos: síntese e potenciais aplicações em PDT

O trabalho apresentado nesta dissertação descreve estudos desenvolvidos segundo três metodologias para a funcionalização de meso-tetra-arilporfirinas; uma delas baseada na funcionalização com diazo compostos, outra na reacção de Suzuki-Miyaura e a terceira na reacção de metátese. O presente documento é composto por quatro partes distintas. Na primeira parte são feitas considerações gerais sobre propriedades e aplicações de macrociclos porfirínicos. Na segunda parte é apresentado o trabalho realizado na funcionalização de porfirinas com diazo compostos através de reacções de inserção com um catalisador de ródio(II). Este estudo envolveu a preparação de duas porfirinas com grupos O-H e N-H nas posições para dum substituinte meso-fenilo. Os estudos iniciaram-se com a reacção de 5-(4-hidroxifenil)-10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com diazoacetato de etilo na presença de Rh2(OAc)4. Obteve-se o produto esperado de inserção com bons rendimentos. A reacção de 5-(4-aminofenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com esse diazo composto na presença de Rh2(OAc)4 mostrou um perfil diferente do da reacção com o outro porfirinato. Foram obtidos três produtos, a saber: produto de bis-inserção e dois outros contendo o grupo funcional amida. Este capítulo descreve ainda a síntese de glicoporfirinas e de glicoclorinas através de reacções de inserção e de ciclopropanação envolvendo, respectivamente, os complexos 5-(4-hidroxifenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) e 5,10,15,20- tetraquis(pentafluorofenil)porfirinatozinco(II) com α-diazoacetatos com substituintes sacarídicos. Foram usados, como catalisadores, Rh2(OAc)4 e CuCl, respectivamente, na reacção de inserção e na de ciclopropanação. Tendo em vista a sua aplicação em PDT, os novos produtos foram descomplexados e a unidade glicosídica foi desprotegida. Estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que os compostos obtidos são bons geradores dessa espécie citotóxica. Foram também realizados estudos de avaliação da actividade fotodinâmica em células humanas tumorais HeLa e em células humanas saudáveis HaCaT. Estudos de viabilidade celular, após tratamento fotodinâmico, mostraram que as glicoclorinas são mais eficazes na fotoinactivação das células tumorais. Apenas o derivado da clorina com a unidade de galactose mostrou selectividade para a linha celular tumoral, inibindo o crescimento desta e não causando efeito significativo na linha celular saudável. Este fotossensibilizador não foi tóxico na ausência de luz e depois do tratamento fotodinâmico e em condições sub-letais, provocou vacuolização citoplasmática e retracção pronunciada nas células tumorais, enquanto que nas células saudáveis os danos sofridos foram escassos. Nos estudos de localização celular este fotossensibilizador localizou-se na membrana citoplasmática e nos lisossomas tanto nas células HeLa como nas HaCaT. Na terceira parte deste trabalho são descritos os resultados obtidos nos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de Suzuki-Miyaura. O complexo 2-(4,4,5,5,-tetrametil-1,3,2-dioxaborolan-2-il)-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) foi o composto escolhido como reagente de partida. Usando a reacção de Suzuki foi possível sintetizar complexos β-bromoarilporfirínicos em bons rendimentos. Estes complexos foram sujeitos à reacção de Suzuki com pinacolborano, tendo sido possível obter os produtos de acoplamento esperados e ainda derivados diméricos de complexos porfirínicos ligados por unidades fenileno. Esta metodologia reacional, catalisada por paládio, permitiu ainda sintetizar novos derivados quinolona-porfirina através da reacção do complexo porfirínico β-borilado anteriormente referido com bromo-quinolonas Nsubstiuídas com grupos alquílicos e glicosídicos. Deste modo foram obtidos derivados quinolona-porfirina em bons rendimentos. Com vista a realizar estudos de potencial aplicação em PACT, foram hidrolisados os grupos éster da unidade de quinolona e clivados os grupos protectores das unidades glicosídicas desses derivados. No estudo por MS Tandem (MS/MS) foi possível verificar que os isómeros dos derivados quinolona-porfirina sofrem as mesmas vias de fragmentação, confirmando as suas estruturas análogas. Foi possível ainda distinguir os derivados em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da posição C-6 da quinolona daqueles em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da sua posição C-7. Os estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que as porfirinas β- substituídas com unidades de quinolona são melhores geradoras desta espécie citotóxica do que a tetrafenilporfirina e que a eficiência que têm em gerar essa espécie é afectada pela posição da ligação entre a porfirina e a quinolona, assim como com o tipo do N-substituinte da quinolona. As bases livres dos conjugados quinolona-porfirinatos foram testadas como fotossensibilizadores em PACT em células do parasita Leishmania Braziliensis, tendo-se observado que estes compostos têm capacidade para fotoinactivar este parasita. Na quarta parte deste trabalho são descritos os resultados dos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de metátese com catalisador de Grubbs, visando a obtenção de novos macrociclos com grupos triazolilo. Verificouse que a eficiência da reacção de metátese cruzada entre 2-vinil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) e 4-vinil-1,2,3-triazóis N-substituídos dependia das condições reaccionais e do triazol usado em cada caso. Foi possível ainda concluir que o impedimento estéreo das espécies envolvidas é um dos responsáveis pelo ciclo catalítico prosseguir por uma via secundária, originando uma espécie de ruténio pouco eficiente como catalisador. Este estudo foi estendido à reacção dos 4-vinil-1,2,3-triazois seleccionados com 2-butadienil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatoniquel(II); em cada caso foi possível obter uma mistura de isómeros dos derivados triazol-porfirina, geralmente em maiores rendimentos globais do que na reacção com 2-vinil-5,10,15,20-tetrafenilporfirinatozinco(II). Este facto será indicativo de que a reacção de metátase com esse derivado porfirínico segue, predominantemente, a via mais eficiente.

Extração e estrutura dos polissacarídeos do resíduo do café com atividade imunoestimuladora

As galactomananas das infusões de café apresentam atividade imunoestimuladora in vitro, sendo esta atividade semelhante à das mananas acetiladas extraídas de Aloe vera. As galactomananas presentes no resíduo de café também possuem atividade imunoestimuladora in vitro quando são parcialmente acetiladas. Como as galactomananas são o componente maioritário do resíduo de café e como o café é um produto de largo consumo a nível mundial, o reaproveitamento deste resíduo como fonte de galactomananas com atividade imunoestimuladora deve ser considerado. Esta dissertação procura dar resposta a duas questões: 1. Quais são as estruturas das galactomananas responsáveis pela atividade imunoestimuladora destes polissacarídeos; e 2. Como é que as galactomananas podem ser extraídas quantitativamente do resíduo de café de modo a serem solúveis em água à temperatura ambiente e, assim, poderem ser utilizadas como ingredientes alimentares com atividade imunoestimuladora. A questão 1 foi respondida pela caracterização estrutural de quatro galactomananas, de três origens: a) as galactomananas das infusões de café e do resíduo que apresentaram atividade imunoestimuladora; b) a galactomanana da goma de alfarroba (LBG), que não apresentou atividade imunoestimuladora; e c) a manana acetilada de Aloe vera, que apresentou atividade imunoestimuladora. Estes polissacarídeos foram submetidos à análise de açúcares e de ligações glicosídicas e a hidrólise por endo-β-D- (1→4)-mananase. Os fragmentos de oligossacarídeos mais pequenos foram ainda analisados por espetrometria de massa por ionização de electrospray e espetrometria de massa tandem. As galactomananas das infusões de café, do resíduo de café e do Aloe vera apresentaram grau de ramificação e peso molecular semelhantes, enquanto as galactomananas da LBG apresentaram grau de ramificação e de polimerização maiores. Todas as galactomananas apresentaram resíduos de arabinose como ramificação. O grau de acetilação das galactomananas da LBG foi vestigial enquanto as galactomananas do Aloe vera apresentaram um grau de acetilação de 2,08; para as galactomananas do resíduo de café o grau de acetilação foi de 0,98 e para as infusões foi de 0,08. A localização dos grupos acetilo foi irregular em todos os polímeros. Os resultados obtidos permitem inferir que baixos níveis de ramificação, cadeias pequenas e alguma acetilação parecem promover a atividade imunoestimuladora atribuída às galactomananas. Para responder à questão 2, foi testada uma metodologia que envolveu a torra do resíduo de café a 160 ºC e a 220 ºC e a sua extração com água quente e com soluções de 4 M NaOH à temperatura de 20, 60 e 120 ºC. A torra do resíduo a 160 ºC e a extração sequencial permitiu extrair 56% das galactomananas presentes no resíduo de café e, simultaneamente, 54% das arabinogalactanas. As galactomananas mantiveram a sua estrutura caraterística de polissacarídeo acetilado composto por uma cadeira principal de resíduos de manose em ligação β-(1→4) e resíduos de Gal e Ara nas cadeias laterais. A 220 ºC, as galactomananas foram parcialmente degradadas e o rendimento de extração foi muito menor do que a 160 ºC. No entanto, mesmo a esta temperatura as galactomananas apresentaram resíduos acetilados e a presença de pentoses nas cadeias laterais, o que permite inferir a elevada resistência destes polissacarídeos à temperatura e aos reagentes alcalinos. De forma a melhor compreender a estabilidade térmica das galactomananas do resíduo de café e a influência que a presença de arabinogalactanas pode ter na sua estabilidade, foi feita uma análise termogravimétrica aos polissacarídeos extraídos do resíduo de café assim como a polissacarídeos relacionados estruturalmente com estes, como a celulose, a galactomanana de LBG e a goma arábica, uma arabinogalactana. As galactomananas são termicamente estáveis durante 3 h a 200 ºC, enquanto as arabinogalactanas são estáveis a 180 ºC. De acordo com os perfis dos termogramas obtidos, e pelo cálculo das energias de ativação da degradação térmica, o resíduo de café apresenta uma estabilidade térmica menor do que a galactomanana, possivelmente devido à presença de arabinogalactanas. Apesar de não se ter verificado alterações no termograma da galactomanana do café submetida a um tratamento térmico de 200 ºC durante 3 h, verificam-se alterações estruturais que envolvem a formação de novas ligações glicosídicas, nomeadamente, a formação de resíduos de manose ligados em O-2 e em O-6, reações de transglicosilação, despolimerização, formação de resíduos de anidro-hexoses no terminal redutor e isomerização manose-glucose. Estas alterações promovem a solubilização das galactomananas. Os resultados obtidos permitem propor que o resíduo de café possa ser submetido a uma torra seguida de extração com reagentes alcalinos a quente para obtenção das galactomananas com rendimentos elevados. Estes polissacarídeos podem tornar-se solúveis em água após tratamento térmico a 200 ºC, permitindo assim a sua utilização em formulações alimentares, nomeadamente, por preparação de compostos acetilados com baixos níveis de ramificação e cadeias pequenas de modo a promover a sua atividade imunoestimuladora.

Development of new approaches for the synthesis and decoding of one-bead one-compound cyclic peptide libraries

La plupart des processus cellulaires et biologiques reposent, à un certain niveau, sur des interactions protéine-protéine (IPP). Leur manipulation avec des composés chimiques démontre un grand potentiel pour la découverte de nouveaux médicaments. Malgré la demande toujours croissante en molécules capables d’interrompre sélectivement des IPP, le développement d’inhibiteurs d’IPP est fortement limité par la grande taille de la surface d’interaction. En considérant la nature de cette surface, la capacité à mimer des structures secondaires de protéines est très importante pour lier une protéine et inhiber une IPP. Avec leurs grandes capacités peptidomimétiques et leurs propriétés pharmacologiques intéressan-tes, les peptides cycliques sont des prototypes moléculaires de choix pour découvrir des ligands de protéines et développer de nouveaux inhibiteurs d’IPP. Afin d’exploiter pleinement la grande diversité accessible avec les peptides cycliques, l’approche combinatoire «one-bead-one-compound» (OBOC) est l’approche la plus accessible et puissante. Cependant, l’utilisation des peptides cycliques dans les chimiothèques OBOC est limitée par les difficultés à séquencer les composés actifs après le criblage. Sans amine libre en N-terminal, la dégradation d’Edman et la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) ne peuvent pas être utilisées. À cet égard, nous avons développé de nouvelles approches par ouverture de cycle pour préparer et décoder des chimiothèques OBOC de peptides cycliques. Notre stratégie était d’introduire un résidu sensible dans le macrocycle et comme ancrage pour permettre la linéarisation des peptides et leur largage des billes pour le séquençage par MS/MS. Tout d’abord, des résidus sensibles aux nucléophiles, aux ultraviolets ou au bromure de cyanogène ont été introduits dans un peptide cyclique et leurs rendements de clivage évalués. Ensuite, les résidus les plus prometteurs ont été utilisés dans la conception et le développement d’approches en tandem ouverture de cycle / clivage pour le décodage de chimiothèques OBOC de peptides cycliques. Dans la première approche, une méthionine a été introduite dans le macrocycle comme ancrage pour simultanément permettre l’ouverture du cycle et le clivage des billes par traitement au bromure de cyanogène. Dans la seconde approche, un résidu photosensible a été utilisé dans le macrocycle comme ancrage pour permettre l’ouverture du cycle et le clivage suite à une irradiation aux ultraviolets. Le peptide linéaire généré par ces approches peut alors être efficacement séquencé par MS/MS. Enfin, une chimiothèque OBOC a été préparée et criblée la protéine HIV-1 Nef pour identifier des ligands sélectifs. Le développement de ces méthodologies permttra l’utilisation de composés macrocycliques dans les chimiothèques OBOC et constitue une contribution importante en chimie médicinale pour la découverte de ligands de protéines et le développement d’inhibiteurs d’IPP.

Cystathionine beta-synthase variants : identification, characterization and modulation by thiol compounds

Tese de doutoramento, Farmácia (Bioquímica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014