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.

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.

HPLC Determination of Angiotensin-Converting Enzyme Activity on Toyopearl HW-40S Column

Angiotensin-converting enzyme (EC3.4.15. I; ACE), isa membrane-bounddipeptidyl carboxypeptidase that mediates the cleavage of the C-terminal dipeptide His-Leu of the decapeptide angiotensin, generating the most powerful endogenous vaso-constricting angiotensin.
Some ACE inhibitors, such as Captopril, have been used as anti-hypertensive drugs. Moreover in recent years, large quantities of ACE inhibitors have been identijied and isolated from peptides derivedfrom food material such as casein, soy protein, jish protein and so on. Functional food with hypotensive effect has been developed on the basis of these works.
Typicalprocedures for screening hypotensive peptides offood origins are separationof products of peptic and tryptic digestion of proteins followed by inhibitory activitydetermination of each fraction. A method developed by Cushman has been the mostwidely used, in which ACE activity is determined by the amount of hippuric acid
generated as a product of enzymatic reaction of ACE with tripeptide of hippuryl-Lhistidyl-L-leucine. Hippuric acid is determined spectrophotometrically at 228 nm after its isolation from the reaction system by ethylacetate extraction, which not only requires alarge quantity of reagent but also results in large error.
An improved method based on Cushman ’s method is proposed in this paper. In this method, an enzymatic reaction system is based on Cushman’s method, while isolation and determination of hippuric acid is performed by medium perjormance gel chromatography on a Toyopearl HW-40s column. Due to the size exclusion nature of the column with somewhat hydrophobic properties, complete separation of four existing fractions in the reaction system is obtained within a smallfraction of the time necessary in Cushman’s method, with ideal reproducibility.

Soft tissue sarcoma: biology and therapeutic correlates

Soft tissue sarcomas (STS) comprise a heterogenenous group of greater than 50 malignancies of putative mesenchymal cell origin and as such they may arise in diverse tissue types in various anatomical locations throughout the whole body. Collectively they account for approximately 1% of all human malignancies yet have a spectrum of aggressive behaviours amongst their subtypes. They thus pose a particular challenge to manage and remain an under investigated group of cancers with no generally applicable new therapies in the past 40 years and an overall 5-year survival rate that remains stagnant at around 50%. From September 2000 to July 2006 I undertook a full time post-doctoral level research fellowship at the MD Anderson Cancer Center, Houston, Texas, USA in the department of Surgical Oncology to investigate the biology of soft tissue sarcoma and test novel anti- sarcoma adenovirus-based therapy in the preclinical nude rat model of isolated limb perfusion against human sarcoma xenografts. This work, in collaboration with colleagues as indicated herein, led to a number of publications in the scientific literature furthering our understanding of the malignant phenotype of sarcoma and reported preclinical studies with wild-type p53, in a replication deficient adenovirus vector, and oncolytic adenoviruses administered by isolated limb perfusion. Additional collaborative and pioneering preclinical studies reported the molecular imaging of sarcoma response to systemically delivered therapeutic phage RGD-4c AAVP. Doxorubicin chemotherapy is the single most active broadly applicable anti-sarcoma chemotherapeutic yet only has an approximate 30% overall response rate with additional breakthrough tumour progression and recurrence after initial chemo-responsiveness further problematic features in STS management. Doxorubicin is a substrate for the multi- drug resistance (mdr) gene product p-glycoprotein drug efflux pump and exerts its main mode of action by induction of DNA double-strand breaks during the S-phase of the cell cycle. Two papers in my thesis characterise different aspects of chemoresistance in sarcoma. The first shows that wild-type p53 suppresses Protein Kinase Calpha (PKCα) phosphorylation (and activation) of p-glycoprotein by transcriptional repression of PKCα through a Sp-1 transcription factor binding site in its -244/-234 promoter region. The second paper demonstrates that Rad51 (a central mediator of homologous recombination repair of double strand breaks) has elevated levels in sarcoma and particularly in the S- G2 phase of the cell cycle. Suppression of Rad51 with small interfering RNA in sarcoma cell culture led to doxorubicin chemosensitisation. Reintroduction of wild-type p53 into STS cell lines resulted in decreased Rad51 protein and mRNA expression via transcriptional repression of the Rad51 promoter through increased AP-2 binding. In light of poor response rates to chemotherapy, escape from local control portends a poor prognosis for patients with sarcoma. Two papers in my thesis characterise aspects of sarcoma angiogenesis, invasion and metastasis. Human sarcoma samples were found to have high levels of matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) with expression levels that correlated with p53 mutational status. MMP-9 is known to degrade extracellular collagen, contribute to the control of the angiogenic switch necessary in primary tumour progression and facilitate invasion and metastasis. Reconstitution of wild-type p53 function led to decreased levels of MMP-9 protein and mRNA as well as zymography-assessed MMP-9 proteolytic activity and decreased tumour cell invasiveness. Reintroduction of wild-type p53 into human sarcoma xenografts in-vivo decreased tumour growth and MMP-9 protein expression. Wild-type p53 was found to suppress mmp-9 transcription via decreased binding of NF-κB to its -607/-595 mmp-9 promoter element. Studies on the role of the VEGF165 in sarcoma found that sarcoma cells stably transfected with VEGF165 formed more aggressive xenografted tumours with increased vascularity, growth rate, metastasis, and resistance to chemotherapy. Use of the anti-VEGFR2 antibody DC101 enhanced doxorubicin sensitivity at sub-conventional dosing, inhibited tumour growth, decreased development of metastases, and reduced tumour micro-vessel density while increasing the vessel maturation index. These effects were explained primarily through effects on endothelial cells (e.c.s), rather than the tumour cells per se, where DC101 induced e.c. sensitivity to doxorubicin and suppressed e.c. production of MMPs. The p53 tumour suppressor pathway is the most frequently mutated pathway in sarcoma. Recapitulation of wild-type p53 function in sarcoma exerts a number of anti-cancer outcomes such as growth arrest, resensitisation to chemotherapy, suppression of invasion, and attenuation of angiogenesis. Using a modified nude rat-human sarcoma xenograft model for isolated limb perfusion (ILP) delivery of wild-type p53 in a replication deficient adenovirus vector I showed that functionally competent wild-type p53 could be delivered to and detected in human leiomyosarcoma xenografts confirming preclinical feasibility - although not efficacious due to low transgene expression. Viral fibre modification to express the RGD tripeptide motif led to greater viral uptake by sarcoma cells in vitro (transductional targeting) and changing the transgene promoter to a response element active in cells with active telomerase expression restricted the transgene expression to the tumour intracellular environment (transcriptional targeting). Delivery of the fibre-modified, selectively replication proficient oncolytic adenovirus Ad.hTC.GFP/ E1a.RGD by ILP demonstrated a more robust, and tumour-restricted, transgene expression with evidence of anti-sarcoma effect confirmed microscopically. Collaborative studies using the fibre modified phage RGD-4C AAVP confirmed that systemic delivery specifically, efficiently, and repeatedly targets human sarcoma xenografts, binds to αv integrins in tumours, and demonstrates a durable, though heterogeneous, transgene expression of 1-4 weeks. Incorporation of the Herpes Simplex Virus thymidine kinase (HSVtk) transgene into RGD-4C AAVP permitted CT-PET spatial and temporal molecular imaging in vivo of transgene expression and allowed quantification of tumour metabolic activity both before and after interval administration of a systemic cytotoxic with predictable and measurable response to treatment before becoming apparent clinically. These papers further the medical and scientific community’s understanding of the biology of soft tissue sarcoma and report preclinical studies with novel and promising anti- sarcoma therapeutics.

Glutathione Transferases as Detoxification Agents: Structural and Functional Studies

Glutathione transferases (GSTs) are a diverse family of enzymes that catalyze the glutathione-dependent detoxification of toxic compounds. GSTs are responsible for the conjugation of the tripeptide glutathione (GSH) to a wide range of electrophilic substrates. These include industrial pollutants, drugs, genotoxic carcinogen metabolites, antibiotics, insecticides and herbicides. In light of applications in biomedicine and biotechnology as cellular detoxification agents, detailed structural and functional studies of GSTs are required. Plant tau class GSTs play crucial catalytic and non-catalytic roles in cellular xenobiotic detoxification process in agronomically important crops. The abundant existence of GSTs in Glycine max and their ability to provide resistance to abiotic and biotic stresses such as herbicide tolerance is of great interest in agriculture because they provide effective and suitable tools for selective weed control. Structural and catalytic studies on tau class GST isoenzymes from Glycine max (GmGSTU10-10, GmGSTU chimeric clone 14 (Sh14), and GmGSTU2-2) were performed. Crystal structures of GmGSTU10-10 in complex with glutathione sulfenic acid (GSOH) and Sh14 in complex with S-(p-nitrobenzyl)-glutathione (Nb-GSH) were determined by molecular replacement at 1.6 Å and 1.75 Å, respectively. Major structural variations that affect substrate recognition and catalytic mechanism were revealed in the upper part of helix H4 and helix H9 of GmGSTU10-10. Structural analysis of Sh14 showed that the Trp114Cys point mutation is responsible for the enhanced catalytic activity of the enzyme. Furthermore, two salt bridges that trigger an allosteric effect between the H-sites were identified at the dimer interface between Glu66 and Lys104. The 3D structure of GmGSTU2-2 was predicted using homology modeling. Structural and phylogenetic analysis suggested GmGSTU2-2 shares residues that are crucial for the catalytic activity of other tau class GSTs–Phe10, Trp11, Ser13, Arg20, Tyr30, Leu37, Lys40, Lys53, Ile54, Glu66 and Ser67. This indicates that the catalytic and ligand binding site in GmGSTU2-2 are well-conserved. Nevertheless, at the ligandin binding site a significant variation was observed. Tyr32 is replaced by Ser32 in GmGSTU2-2 and thismay affect the ligand recognition and binding properties of GmGSTU2-2. Moreover, docking studies revealed important amino acid residues in the hydrophobic binding site that can affect the substrate specificity of the enzyme. Phe10, Pro12, Phe15, Leu37, Phe107, Trp114, Trp163, Phe208, Ile212, and Phe216 could form the hydrophobic ligand binding site and bind fluorodifen. Additionally, side chains of Arg111 and Lys215 could stabilize the binding through hydrogen bonds with the –NO2 groups of fluorodifen. GST gene family from the pathogenic soil bacterium Agrobacterium tumefaciens C58 was characterized and eight GST-like proteins in A. tumefaciens (AtuGSTs) were identified. Phylogenetic analysis revealed that four members of AtuGSTs belong to a previously recognized bacterial beta GST class and one member to theta class. Nevertheless, three AtuGSTs do not belong to any previously known GST classes. The 3D structures of AtuGSTs were predicted using homology modeling. Comparative structural and sequence analysis of the AtuGSTs showed local sequence and structural characteristics between different GST isoenzymes and classes. Interactions at the G-site are conserved, however, significant variations were seen at the active site and the H5b helix at the C-terminal domain. H5b contributes to the formation of the hydrophobic ligand binding site and is responsible for recognition of the electrophilic moiety of the xenobiotic. It is noted that the position of H5b varies among models, thus providing different specificities. Moreover, AtuGSTs appear to form functional dimers through diverse modes. AtuGST1, AtuGST3, AtuGST4 and AtuGST8 use hydrophobic ‘lock–and–key’-like motifs whereas the dimer interface of AtuGST2, AtuGST5, AtuGST6 and AtuGST7 is dominated by polar interactions. These results suggested that AtuGSTs could be involved in a broad range of biological functions including stress tolerance and detoxification of toxic compounds.