Single cell proteomics microchip to profile immune function, with applications in stem cell biology, translational disease mechanism study and clinical therapeutics monitoring

In response to infection or tissue dysfunction, immune cells develop into highly heterogeneous repertoires with diverse functions. Capturing the full spectrum of these functions requires analysis of large numbers of effector molecules from single cells. However, currently only 3-5 functional proteins can be measured from single cells. We developed a single cell functional proteomics approach that integrates a microchip platform with multiplex cell purification. This approach can quantitate 20 proteins from >5,000 phenotypically pure single cells simultaneously. With a 1-million fold miniaturization, the system can detect down to ~100 molecules and requires only ~104 cells. Single cell functional proteomic analysis finds broad applications in basic, translational and clinical studies. In the three studies conducted, it yielded critical insights for understanding clinical cancer immunotherapy, inflammatory bowel disease (IBD) mechanism and hematopoietic stem cell (HSC) biology.

To study phenotypically defined cell populations, single cell barcode microchips were coupled with upstream multiplex cell purification based on up to 11 parameters. Statistical algorithms were developed to process and model the high dimensional readouts. This analysis evaluates rare cells and is versatile for various cells and proteins. (1) We conducted an immune monitoring study of a phase 2 cancer cellular immunotherapy clinical trial that used T-cell receptor (TCR) transgenic T cells as major therapeutics to treat metastatic melanoma. We evaluated the functional proteome of 4 antigen-specific, phenotypically defined T cell populations from peripheral blood of 3 patients across 8 time points. (2) Natural killer (NK) cells can play a protective role in chronic inflammation and their surface receptor – killer immunoglobulin-like receptor (KIR) – has been identified as a risk factor of IBD. We compared the functional behavior of NK cells that had differential KIR expressions. These NK cells were retrieved from the blood of 12 patients with different genetic backgrounds. (3) HSCs are the progenitors of immune cells and are thought to have no immediate functional capacity against pathogen. However, recent studies identified expression of Toll-like receptors (TLRs) on HSCs. We studied the functional capacity of HSCs upon TLR activation. The comparison of HSCs from wild-type mice against those from genetics knock-out mouse models elucidates the responding signaling pathway.

In all three cases, we observed profound functional heterogeneity within phenotypically defined cells. Polyfunctional cells that conduct multiple functions also produce those proteins in large amounts. They dominate the immune response. In the cancer immunotherapy, the strong cytotoxic and antitumor functions from transgenic TCR T cells contributed to a ~30% tumor reduction immediately after the therapy. However, this infused immune response disappeared within 2-3 weeks. Later on, some patients gained a second antitumor response, consisted of the emergence of endogenous antitumor cytotoxic T cells and their production of multiple antitumor functions. These patients showed more effective long-term tumor control. In the IBD mechanism study, we noticed that, compared with others, NK cells expressing KIR2DL3 receptor secreted a large array of effector proteins, such as TNF-α, CCLs and CXCLs. The functions from these cells regulated disease-contributing cells and protected host tissues. Their existence correlated with IBD disease susceptibility. In the HSC study, the HSCs exhibited functional capacity by producing TNF-α, IL-6 and GM-CSF. TLR stimulation activated the NF-κB signaling in HSCs. Single cell functional proteome contains rich information that is independent from the genome and transcriptome. In all three cases, functional proteomic evaluation uncovered critical biological insights that would not be resolved otherwise. The integrated single cell functional proteomic analysis constructed a detail kinetic picture of the immune response that took place during the clinical cancer immunotherapy. It revealed concrete functional evidence that connected genetics to IBD disease susceptibility. Further, it provided predictors that correlated with clinical responses and pathogenic outcomes.

Developing peptide based capture agents for diagnostics and therapeutics

Iterative in situ click chemistry (IISCC) is a robust general technology for development of high throughput, inexpensive protein detection agents. In IISCC, the target protein acts as a template and catalyst, and assembles its own ligand from modular blocks of peptides. This process of ligand discovery is iterated to add peptide arms to develop a multivalent ligand with increased affinity and selectivity. The peptide based protein capture agents (PCC) should ideally have the same degree of selectivity and specificity as a monoclonal antibody, along with improved chemical stability. We had previously reported developing a PCC agent against bovine carbonic anhydrase II (bCAII) that could replace a polyclonal antibody. To further enhance the affinity or specificity of the PCC agent, I explore branching the peptide arms to develop branched PCC agents against bCAII. The developed branched capture agents have two to three fold higher affinities for the target protein. In the second part of my thesis, I describe the epitope targeting strategy, a strategy for directing the development of a peptide ligand against specific region or fragment of the protein. The strategy is successfully demonstrated by developing PCC agents with low nanomolar binding affinities that target the C-terminal hydrophobic motif of Akt2 kinase. One of the developed triligands inhibits the kinase activity of Akt. This suggests that, if targeted against the right epitope, the PCC agents can also influence the functional properties of the protein. The exquisite control of the epitope targeting strategy is further demonstrated by developing a cyclic ligand against Akt2. The cyclic ligand acts as an inhibitor by itself, without any iteration of the ligand discovery process. The epitope targeting strategy is a cornerstone of the IISCC technology and opens up new opportunities, leading to the development of protein detection agents and of modulators of protein functions.

Comparação in vitro do desgaste dental em função da dureza de três diferentes tipos de materiais antagonistas

O objetivo deste estudo foi comparar in vitro o desgaste dental de pré-molares (PM) e molares (M) e sua relação com o valor de dureza Vickers dos materiais utilizados como antagonistas em uma máquina de abrasão simulada para provocar o desgaste nos dentes testados. Os materiais antagonistas utilizados foram VeraBond II (liga de Ni-Cr), Solidex (resina composta) e IPS Empress 2 (cerâmica). Para cada ensaio de dureza, foram preparados seis corpos-de-prova de cada material, os quais foram polidos sob refrigeração, com ciclo de 20 min para cada granulação. Num microdurômetro (HMV-2), foram realizadas três mossas por quadrante, cada uma sob carga de 19,614 N por 30 s, totalizando 12 mossas de base quadrada com ângulo de 136 entre os planos. O teste de abrasão foi realizado numa máquina simuladora de abrasão, freqüência de 265 ciclos/min e 4,4 Hz, com um percurso do antagonista de 10 mm à velocidade de 88 mm/s. Cada dente foi testado em oposição a um antagonista (foram 6 pares dente/material para cada grupo), em água deionizada, sob carga de 5 N, por 150 min, num total de 39.750 ciclos. Foram utilizados dezenove dentes 1 pré-molares, dezenove 3 molares e confeccionados doze antagonistas em cada material em forma de pastilha. Cada grupo de seis dentes foi testado em oposição a seis antagonistas do mesmo material. Ademais, um dente 1 pré-molar (PM) e um dente 3 molar (M) foram testados em oposição ao Plexiglass. Com relação ao desgaste do esmalte dentário (PM+M) segundo o material antagonista, o teste de Kruskal-Wallis evidenciou diferença significativa com p-valor < 0,001 e o teste de Mann-Whitney evidenciou diferença significativa nas comparações PM+M/resina X PM+M/metal (p-valor < 0,001), PM+M/resina X PM+M/cerâmica (p-valor < 0,001) e PM+M/metal X PM+M/cerâmica (p-valor = 0,002). A análise isolada, considerando pré-molares e molares separadamente, encontrou diferença significativa em relação ao desgaste do esmalte dentário no teste de Kruskall-Wallis, porém não detectou diferença significativa no teste de comparação múltipla Mann-Whitney quando comparou o desgaste sofrido pelo PM/metal em relação ao PM/cerâmica. Em relação à dureza Vickers detectou-se diferença significativa da dureza dos materiais no teste de Kruskall-Wallis (p-valor < 0,001) e também no teste de Mann-Whitney nas comparações múltiplas com p-valor = 0,002. Comparando-se a dureza com a perfilometria, observou-se uma correlação estatisticamente significativa (p ≤ 0,05) na correlação negativa (ρ= -0,829) entre a dureza do metal como material antagonista e o desgaste do esmalte dentário do dente molar. Os resultados sugeriram que todo material restaurador indireto estudado causou desgaste ao esmalte dentário quando submetido a forças de simulação de abrasão com carga. Embora tenha sido observada correlação entre dureza e resistência à abrasão, essa correlação foi pouco significativa.

Avaliação in vitro do efeito remineralizante de diferentes princípios bioativos no esmalte dental bovino submetido à erosão

O objetivo deste estudo in vitro foi avaliar por meio da fluorescência de Raios X, oefeito remineralizante de dois diferentes princípios bioativos contidos no Desensibilize Nano P (nanopartículas de hidroxiapatita de cálcio) e no GC Tooth Mousse (CPP-ACP,fosfopeptídios de caseína e fosfato de cálcio amorfo) assim como da saliva artificial e do fluoreto de sódio gel neutro no esmalte dental bovino submetido a desafio erosivo. Foram utilizados 20 incisivos bovinos, seccionados na linha amelo-cementária, fixados em resina epóxi e padronizados pela planificação da superfície. Foram obtidos 20 corpos de prova (CP) que foram divididos aleatoriamente em 4 grupos. Todos os dentes foram avaliadosinicialmente para a obtenção da contagem dos elementos fósforo (P), cálcio (Ca) e estrôncio (Sr) interpretados a partir de um espectro de Fluorescência de Raios X obtidos pelo Artax 800. Após uma semana da medição inicial, cada grupo de amostras foi imerso em uma solução de 10 ml de ácido cítrico a 2% (pH 2,6) por 90 minutos. Imediatamente após obtenção dos espectros dos dentes submetidos ao desafio erosivo, cada grupo recebeu seus tratamentos correspondentes. Grupo 1 (Saliva) - saliva; Grupo 2 (Flúor) - Flúor; Grupo 3 (Nano P) - Desensibilize Nano P; Grupo 4 (Recaldent) - GC Tooth Mousse. A leitura e os tratamentos eram realizados a cada sete dias sendo repetidos por de 3 semanas. Foi utilizado inicialmente o teste de Bonferroni para comparação das médias de P, Ca e Sr dentro de cada grupo, com um nível de significância de 0,05 (p=0,05), que demonstrou remineralização efetiva na terceira semana de tratamento no grupo Nano P. Posteriormente foi utilizado o teste T-Student para comparação das médias de P, Ca e Sr entre os diferentes grupos, também com um nível de significância de 0,05 (p=0,05). O grupo Nano P foi mais efetivo do que todos os outros grupos e o grupo Saliva menos efetivo que Fluor e Recaldent após três semanas de tratamento. Nestas condições expirimentais in vitro a pasta Desensibilize Nano P foi eficaz noprocesso de remineralização dental desde a primeira semana de tratamento e estável após 3 semanas de tratamento do que os tratamentos com Saliva, Flúor e GC Tooth Mousse.

Development of osteoinductive Si-based coatings to improve dental implants' performance

290 p.

Avaliação do potencial remineralizante de pastas e soluções com compostos bioativos no esmalte dental bovino submetido a ciclos de desafio erosivo

O objetivo deste estudo foi avaliar in vitro por meio da Fluorescência de Raios X por Dispersão de Energia (XRF), Microdureza Vickers (MV) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) o efeito remineralizante de diferentes princípios bioativos, tais quais, nanopartículas de hidroxiapatita de cálcio (nanoHAp) associadas ou não a fluoreto, fosfopeptídeos de caseína do leite e fosfato de cálcio amorfo (CPP-ACP) associados ou não a fluoreto, fluoreto de sódio e saliva no esmalte dental bovino submetido a ciclagem des-remineralizante simulando lesão erosiva por alto desafio ácido. Foram obtidos 58 corpos de prova (CP) a partir de 58 incisivos bovinos que foram divididos aleatoriamente em 8 grupos, com 7 CP cada um e 2 CP para obtenção de imagem em MEV do esmalte hígido. Cada grupo foi denominado conforme os respectivos tratamentos a serem utilizados. Grupo 1 (G1) Controle; Grupo 2 (G2) Desensibilize Nano P experimental (nanopartículas de hidroxiapatita de cálcio); Grupo 3 (G3) Desensibilize Nano P (nanopartículas de hidroxiapatita de cálcio e flúor); Grupo4 (G4) GC Tooth Mousse (CPP-ACP, fosfopeptídios de caseína e fosfato de cálcio amorfo Recaldent ); Grupo 5 (G5) GC Tooth Mousse Plus (CPP-ACP, fosfopeptídios de caseína e fosfato de cálcio amorfo Recaldent + 900 ppm de flúor); Grupo 6 (G6) solução aquosa de fluoreto de sódio (0,05%); Grupo 7 (G7) solução aquosa de nanopartículas de hidroxiapatita de cálcio (0,375%) e Grupo 8 (G8) solução aquosa de nanopartículas de hidroxiapatita de cálcio (0,375%) + flúor (0,05%). Foram obtidos os valores de XRF e MV antes e depois do tratamento. Durante um período experimental de 10 dias, os CPs foram submetidos a um processo cíclico de des-remineralização incluindo vários ataques diários com ácido cítrico 0,05M (pH 2,3), 6 vezes de 2 minutos ao dia, bem como as aplicações das soluções teste e períodos de remineralização em saliva artificial. O tempo entre os ciclos era de 1,5 h. Foram obtidas imagens em MEV para análise da superfície após o tratamento. Através da análise estatística pelo teste t student (p = 0,05), foram encontrados os seguintes resultados: o grupo controle teve uma desmineralização considerada severa; houve aumento na contagem de P em todos os grupos que receberam tratamento, exceto o G1, igualando ou até mesmo aumentando no caso do G5, em relação a contagem inicial; houve aumento na contagem de Ca em todos os grupos que receberam tratamento, exceto no G1, igualando ou até mesmo aumentando no caso do G4, em relação a contagem inicial; houve perda de microdureza superficial em todos os grupos; o G7 teve comportamento similar ao G1 e o G3 teve comportamento inferior ao G5 em relação ao P. E todos os outros grupos tiveram comportamento superior ao controle; o G4 e o G5 tiveram um comportamento superior ao G2 em relação ao Ca. O G5 teve comportamento superior ao G3 também em relação ao Ca e todos os grupos foram superiores ao controle; o G7 teve comportamento similar ao controle em relação a microdureza superficial e todos os outros grupos foram superiores ao controle.

Avaliação clínico visual de três técnicas de clareamento dental

O objetivo deste estudo in vivo foi avaliar comparativamente três técnicas de clareamento de dentes polpados quanto ao grau de cor final alcançado, sensibilidade dental e satisfação pessoal de operadores e pacientes. Indivíduos jovens de mesma faixa etária e padrão de higiene bucal foram selecionados e divididos aleatoriamente entre os grupos (G1; n=7) caseiro, com regime de uso de 8 h/dia/4 semanas; (G2; n=7) consultório, com regime de clareamento de 4 sessões semanais de 2 aplicações de 15 min cada e; (G3; n=6) associado, com caseiro e consultório combinados. Para as técnicas caseira e de consultório foram utilizados peróxido de carbamida a 16% (WhitegoldHome/Dentsply) e peróxido de hidrogênio a 35% (Whitegold Office/Dentsply), respectivamente. Os registros de cor foram obtidos por um único operador antes e após o emprego da cada técnica utilizando escala de cores Vita Bleachedguide 3D-Master e máquina fotográfica digital profissional (EOS Rebel XT Canon), com ajustes de iluminação, flash e distância focal padronizados. O nível de clareamento foi avaliado por unidades de mudança de cor (luminosidade) na escala de cores, além do número de tons alcançados nas imagens digitais e mudança de cor no sistema CIE L*a*b* por meio do software ScanWhite. Os dados foram tratados estatisticamente pelos testes não paramétricos de Kruskal Wallis e dos sinais (p≤0,05). Os registros de sensibilidade dental trans e pós operatória e da satisfação pessoal dos operadores e pacientes foram preenchidos individualmente em questionário unidimensional ao final de cada sessão. Foram atribuídos escores para a avaliação final da sensibilidade dental, conforme: 0=ausente; 1=leve; 2=moderada e; 3=severa. Os dados foram tratados estatisticamente pelo teste Kruskal Wallis. As médias das variações de unidades de mudança de cor da escala Vita e do software foram, respectivamente: G1) 4,57 (IC1,34), 27,14 (IC12,03); G2) 2,86 (IC0,99), 21,29 (IC14,27); G3) 4 (IC1,82), 25,33 (IC10,70). Na comparação entre os métodos de avaliação de cor, os p-valores do teste dos sinais foram 0,453, 0,453 e 0,687 para os grupos 1, 2 e 3, respectivamente. As médias da variação total de cor (∆E) foram, respectivamente: G1) 8,79(IC4,18), G2) 7,10(IC3,53) e G3) 9,74 (IC4,07). Não foi determinada diferença estatisticamente significante entre os grupos. Os postos médios do nível de sensibilidade foram: G1 = 9,64; G2 = 11,58; e G3 = 10,43, e o p-valor = 0,807. Não houve diferença estatisticamente significante entre grupos. Conclui-se que as técnicas caseiro, consultório e associada foram igualmente eficazes quanto ao nível de cor final, de acordo com os métodos objetivos e subjetivos utilizados. O nível de sensibilidade dental foi o mesmo independentemente da técnica utilizada. Todos os indivíduos registraram satisfação ao final do clareamento.

Metrical dental analysis on golden monkey (Rhinopithecus roxellana)

Dental variation in the Chinese golden monkey (Rhinopithecus roxellana) is here evaluated by univariate, bivariate, and multivariate analyses. Allometric analyses indicate that canines and P3s are positively, but other dimensions negatively scaled to mandible and maxilla, and to body size. With the exception of the mesiodistal dimensions of I-1 and M-3, and the buccolingual dimension of Pq, mandibular dental variables show similar scaling relative to body size. Analysis of residuals shows that males have significantly larger canine, P-3 and buccolingual dimensions of the postcanine teeth (M-2 and M-3) than females. A significant difference in shape between the sexes is found in the buccolingual dimension of the upper teeth, but not in the mandible. Unlike the situation in some other species, Female golden monkeys do nor exhibit relatively larger postcanine teeth than males, in fact, the reverse is true, especially for M(2)s and M(3)s. The fact that most of the dental variables show low negative allometry to body size might be related a cold environment that has led to the development of larger body size with I-educed energy loss. When the raw data are examined by Discriminant Function Analysis the sexes are clearly distinguishable.

Physical properties of a hybrid and a nanohybrid dental light-cured resin composite.

This work was aimed at the study of some physical properties of two current light-cured dental resin composites, Rok (hybrid) and Ice (nanohydrid). As filler they both contain strontium aluminosilicate particles, however, with different size distribution, 40 nm-2.5 mum for Rok and 10 nm-1 mum for Ice. The resin matrix of Rok consists of UDMA, that of Ice of UDMA, Bis-EMA and TEGDMA. Degree of conversion was determined by FT-IR analysis. The flexural strength and modulus were measured using a three-point bending set-up according to the ISO-4049 specification. Sorption, solubility and volumetric change were measured after storage of composites in water or ethanol/water (75 vol%) for 1 day, 7 or 30 days. Thermogravimetric analysis was performed in air and nitrogen atmosphere from 30 to 700 degrees C. Surface roughness and morphology of the composites was studied by atomic force microscopy (AFM). The degree of conversion was found to be 56.9% for Rok and 61.0% for Ice. The flexural strength of Rok does not significantly differ from that of Ice, while the flexural modulus of Rok is higher than that of Ice. The flexural strengths of Rok and Ice did not show any significant change after immersion in water or ethanol solution for 30 days. The flexural modulus of Rok and Ice did not show any significant change either after immersion in water for 30 days, while it decreased significantly, even after 1 day immersion, in ethanol solution. Ice sorbed a higher amount of water and ethanol solution than Rok and showed a higher volume increase. Thermogravimetric analysis showed that Rok contains about 80 wt% inorganic filler and Ice about 75 wt%.

Starch grains from dental calculus reveal ancient plant foodstuffs at Chenqimogou site, Gansu Province

National Natural Science Foundation of China [40771205]; National Science Fund for Distinguished Young Scholars [40625002]; Chinese Academy of Sciences [KZCX2-YW-315]

Coal-burning roasted corn and chili as the cause of dental fluorosis for children in southwestern China

To find the pathologic cause of the children's dental fluorosis in southwestern China, diet structure before the age of 6 and prevalence rate of dental fluorosis (DF) of 405 children were investigated, and the fluorine and arsenic content of several materials were determined. The prevalence rate of DF of children living on roasted corn before the age of 6 is 100% with nearly 95% having the mild to severe DF; while that of children living on non-roasted corn or rice is less than 5% with all having very mild DF. The average fluorine and arsenic concentration are 20.26 mg/kg and 0.249 mg/kg in roasted corn, which are about 16 times and 35 times more than in non-roasted corn, respectively. The average fluorine concentration is 78 mg/kg in coal, 1116 mg/kg in binder clay and 313 mg/kg in briquette (coal mixed with clay). The average arsenic concentration of coal is 5.83 mg/kg, the binder clay is 20.94 mg/kg, with 8.52 mg/kg in the briquette. Living on roasted corn and chili is the main pathologic cause of endemic fluorosis in southwestern China. The main source of fluorine and arsenic pollution of roasted corn and chill is the briquette of coal and binder clay. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of immersion in various media on the sorption, solubility, elution of unreacted monomers, and flexural properties of two model dental composite compositions

Immersion in various media has different effect on the properties of dental composites, such as sorption, solubility, elution of unreacted monomers, flexural strength, and flexural elastic modulus. In the present work, the effect of immersion in various media and the relationship between the variation of these properties and the components of dental composite were investigated.