Distribution of Uranium and Thorium in Dolomitic Gravel Fill and Shale Saprolite

The objectives of this study were to examine (1) the distribution of U and Th in dolomitic gravel fill and shale saprolite, and (2) the removal of uranium from acidic groundwater by dolomitic gravel through precipitation with amorphous basaluminite at the U.S. DOE Oak Ridge Integrated Field Research Challenge (ORIFRC) field site west of the Oak Ridge Y-12 National Security Complex in East Tennessee. Media reactivity and sustainability are a technical concern with the deployment of any subsurface reactive media. Because the gravel was placed in the subsurface and exposed to contaminated groundwater for over 20 years, it provided a unique opportunity to study the solid and water phase geochemical conditions within the media after this length of exposure. This study illustrates that dolomite gravel can remove U from acidic contaminated groundwater with high levels of Al3+, Ca2+, NO3−, and SO42− over the long term. As the groundwater flows through high pH carbonate gravel, U containing amorphous basaluminite precipitates as the pH increases. This is due to an increase in groundwater pH from 3.2 to ∼6.5 as it comes in contact with the gravel. Therefore, carbonate gravel could be considered as a possible treatment medium for removal and sequestration of U and other pH sensitive metals from acidic contaminated groundwater. Thorium concentrations are also high in the carbonate gravel. Thorium generally shows an inverse relationship with U from the surface down into the deeper saprolite. Barite precipitated in the shallow saprolite directly below the dolomitic gravel from barium present in the acidic contaminated groundwater.

Measurement of proton-driven antiport in Escherichia coli

Secondary active transport of substrates across the inner membrane is vital to the bacterial cell. Of the secondary active transporter families, the ubiquitous major facilitator superfamily (MFS) is the largest and most functionally diverse (Reddy et al., 2012). Recently, it was reported that the MFS multidrug efflux protein MdtM from Escherichia coli (E. coli) functions physiologically in protection of bacterial cells against bile salts (Paul et al., 2014). The MdtM transporter imparts bile salt resistance to the bacterial cell by coupling the exchange of external protons (H+) to the efflux of bile salts from the cell interior via an antiport reaction. This protocol describes, using fluorometry, how to detect the bile salt/H+ antiport activity of MdtM in inverted membrane vesicles of an antiporter-deficient strain of E. coli TO114 cells by measuring transmembrane ∆pH. This method exploits the changes that occur in the intensity of the fluorescence signal (quenching and dequenching) of the pH-sensitive dye acridine orange in response to changes in [H+] in the vesicular lumen. Due to low levels of endogenous transporter expression that would normally make the contribution of individual transporters such as MdtM to proton-driven antiport difficult to detect, the method typically necessitates that the transporter of interest be overexpressed from a multicopy plasmid. Although the first section of the protocol described here is very specific to the overexpression of MdtM from the pBAD/Myc-His A expression vector, the protocol describing the subsequent measurement of bile salt efflux by MdtM can be readily adapted for measurement of antiport of other substrates by any other antiporter that exchanges protons for countersubstrate.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Micelles polyioniques ternaires pour la libération intracellulaire d’oligonucleotides

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées.

Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.

Anesthetic Activation of Central Respiratory Chemoreceptor Neurons Involves Inhibition of a THIK-1-Like Background K(+) Current

At surgical depths of anesthesia, inhalational anesthetics cause a loss of motor response to painful stimuli (i.e., immobilization) that is characterized by profound inhibition of spinal motor circuits. Yet, although clearly depressed, the respiratory motor system continues to provide adequate ventilation under these same conditions. Here, we show that isoflurane causes robust activation of CO(2)/pH-sensitive, Phox2b-expressing neurons located in the retrotrapezoid nucleus (RTN) of the rodent brainstem, in vitro and in vivo. In brainstem slices from Phox2b-eGFP mice, the firing of pH-sensitive RTN neurons was strongly increased by isoflurane, independent of prevailing pH conditions. At least two ionic mechanisms contributed to anesthetic activation of RTN neurons: activation of an Na(+)-dependent cationic current and inhibition of a background K(+) current. Single-cell reverse transcription-PCR analysis of dissociated green fluorescent protein-labeled RTN neurons revealed expression of THIK-1 (TWIK-related halothane-inhibited K(+) channel, K(2P)13.1), a channel that shares key properties with the native RTN current (i.e., suppression by inhalational anesthetics, weak rectification, inhibition by extracellular Na(+), and pH-insensitivity). Isoflurane also increased firing rate of RTN chemosensitive neurons in urethane-anesthetized rats, again independent of CO(2) levels. In these animals, isoflurane transiently enhanced activity of the respiratory system, an effect that was most prominent at low levels of respiratory drive and mediated primarily by an increase in respiratory frequency. These data indicate that inhalational anesthetics cause activation of RTN neurons, which serve an important integrative role in respiratory control; the increased drive provided by enhanced RTN neuronal activity may contribute, in part, to maintaining respiratory motor activity under immobilizing anesthetic conditions.

The locus coeruleus and central chemosensitivity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Aqueous solution behavior of thermosensitive (N-isopropylacrylamide-acrylic acid-ethyl methacrylate) terpolymers

A series of N-isopropylacrylamide (NIPAM)-acrylic acid-ethyl methacrylate terpolymers with varied monomer compositions was prepared by radical polymerization. The solution behavior of these polymers was studied in dilute aqueous solution using spectrophotometry, fluorescence spectroscopy and high-sensitivity differential scanning calorimetry. The results obtained revealed that the lower critical solution temperatures depend strongly on the copolymer composition, solution pH and ionic strength. At a high pH, the ionization of acrylic acid (AA) units leads to an increase in solution cloud points (T-c). Solutions of polymers containing 10% or less of AA display a constant T-c for pH above 5.5, with 15% there is a continuous increase in T-c with pH and, for higher AA contents, no clouding was observed within the studied temperature range. Fluorescence probe studies were conducted by following the I (1)/I (3) ratio of pyrene vibronic bands and the emission of anilinonaphtalene sulfonic acid, sodium salt (ANS), both approaches revealing the existence of hydrophobic domains for polymers with higher ethyl methacrylate content at temperatures lower than T-c, suggesting some extent of aggregation and/or a coil-to-globule transition. Scanning calorimetry measurements showed an endothermic transition at temperatures agreeing with the previously detected cloud points. Moreover, the transition curves became broader and with a smaller transition enthalpy, as both the AA content and the solution pH were increased. These broader transitions were interpreted to be the result of a wider molecular distribution upon polymer ionization, hence, displaying varied solution properties. The decrease in transition enthalpy was rationalized as a consequence of reminiscent hydration of NIPAM units, even after phase separation, owing to the presence of electric charges along the polymer chain.

Pyrearinus termitilluminans larval click beetle luciferase: Active site properties, structure and function relationships and comparison with other beetle luciferases

Several beetle luciferases have been cloned and sequenced. However, most studies on structure and function relationships and bioanalytical applications were done with firefly luciferases, which are pH sensitive. Several years ago we cloned Pyrearinus termitilluminans larval click beetle luciferase, which displays the most blue-shifted bioluminescence among beetle luciferases and is pH insensitive. This enzyme was expressed in E. coli, purified, and its properties investigated. This luciferase shows slower luminescence kinetics, KM values comparable to other beetle luciferases and high catalytic constant. Fluorescence studies with 8-anilino-1-naphtalene-sulfonic acid (1,8-ANS) and modeling studies suggest that the luciferin binding site of this luciferase is very hydrophobic, supporting the solvent and orientation polarizability effects as determining mechanisms for bioluminescence colors. Although pH insensitive in the range between pH 6-8, at pH 10 this luciferase displays a remarkable red-shift and broadening of the bioluminescence spectrum. Modeling studies suggest that the residue C312 may play an important role in bioluminescence color modulation. Compared to other beetle luciferases, Pyrearinus termitilluminans luciferase also displays higher thermostability and sustained luminescence in a bacterial cell environment, which makes this luciferase particularly suitable for in vivo cell analysis and bioimaging. © The Royal Society of Chemistry and Owner Societies 2009.

Aplicação de derivados de quitosana como agentes de transfecção para transferência gênica não viral

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Phox2b-expressing retrotrapezoid neurons and the integration of central and peripheral chemosensory control of breathing in conscious rats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Stimuli-Responsive Biointerface Based on Polymer Brushes for Glucose Detection

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Liberação de componentes do extrato de Casearia sylvestris Swartz empregando membranas de látex natural como suporte

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Poly(lactide): from hyperbranched copolyesters to new block copolymers with functional methacrylates

The prologue of this thesis (Chapter 1.0) gives a general overview on lactone based poly(ester) chemistry with a focus on advanced synthetic strategies for ring-opening polymerization, including the emerging field of organo catalysis. This section is followed by a presentation of the state-of the art regarding the two central fields of the thesis: (i) polyfunctional and branched poly(ester)s in Chapter 1.1 as well as (ii) the development of new poly(ester) based block copolymers with functional methacrylates (Chapter 1.2). Chapter 2 deals with the synthesis of new, non-linear poly(ester) structures. In Chapter 2.1, the synthesis of poly(lactide)-based multiarm stars, prepared via a grafting-from method, is described. The hyperbranched poly(ether)-poly(ol) poly(glycerol) is employed as a hydrophilic core molecule. The resulting star block copolymers exhibit potential as phase transfer agents and can stabilize hydrophilic dyes in a hydrophobic environment. In Chapter 2.2, this approach is expanded to poly(glycolide) multiarm star polymers. The problem of the poor solubility of linear poly(glycolide)s in common organic solvents combined with an improvement of the thermal properties has been approached by the reduction of the total chain length. In Chapter 2.3, the first successful synthesis of hyperbranched poly(lactide)s is presented. The ring-opening, multibranching copolymerization of lactide with the “inimer” 5HDON (a hydroxyl-functional lactone monomer) was carefully examined. Besides a precise molecular characterization involving the determination of the degree of branching, we were able to put forward a reaction model for the formation of branching during polymerization. Several innovative approaches to amphiphilic poly(ester)/poly(methacrylate)-based block copolymers are presented in the third part of the thesis (Chapter 3). Block copolymer build-up especially relies on the combination of ring-opening and living radical polymerization. Atom transfer radical polymerization has been successfully combined with lactide ring-opening, using a “double headed” initiator. This strategy allowed for the realization of poly(lactide)-block-poly(2-hydroxyethyl methacrylate) copolymers, which represent promising materials for tissue engineering scaffolds with anti-fouling properties (Chapter 3.1). The two-step/one-pot approach forgoes the use of protecting groups for HEMA by a careful selection of the reaction conditions. A series of potentially biocompatible and partially biodegradable homo- and block copolymers is described in Chapter 3.2. In order to create a block copolymer with a comparably strong hydrophilic character, a new acetal-protected glycerol monomethacrylate monomer (cis-1,3- benzylidene glycerol methacrylate/BGMA) was designed. The hydrophobic poly(BGMA) could be readily transformed into the hydrophilic and water-soluble poly(iso-glycerol methacrylate) (PIGMA) by mild acidic hydrolysis. Block copolymers of PIGMA and poly(lactide) exhibited interesting spherical aggregates in aqueous environment which could be significantly influenced by variation of the poly(lactide)s stereo-structure. In Chapter 3.3, pH-sensitive poly(ethylene glycol)-b-PBGMA copolymers are described. At slightly acidic pH values (pH 4/37°C), they decompose due to a polarity change of the BGMA block caused by progressing acetal cleavage. This stimuli-responsive behavior renders the system highly attractive for the targeted delivery of anti-cancer drugs. In Chapter 3.4, which was realized in cooperation, the concept of biocompatible, amphiphilic poly(lactide) based polymer drug conjugates, was pursued. This was accomplished in the form of fluorescently labeled poly(HPMA)-b-poly(lactide) copolymers. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) of partially biodegradable block copolymer aggregates exhibited fast cellular uptake by human cervix adenocarcinoma cells without showing toxic effects in the examined concentration range (Chapter 4.1). The current state of further projects which will be pursued in future studies is addressed in Chapter 4. This covers the synthesis of biocompatible star block copolymers (Chapter 4.2) and the development of new methacrylate monomers for biomedical applications (Chapters 4.3 and 4.4). Finally, the further investigation of hydroxyl-functional lactones and carbonates which are promising candidates for the synthesis of new hydrophilic linear or hyperbranched biopolymers, is addressed in Chapter 4.5.