Modulation des souvenirs neutres et émotifs consolidés : rôle du stress et des hormones de stress

Il a été suggéré que lorsqu’une trace de mémoire consolidée est rappelée (réactivée), elle devient instable et sujette aux modifications avant de se stabiliser à nouveau en mémoire à long terme. Nous avons récemment démontré que lorsque la réactivation d’un souvenir négatif est couplée à l’exposition à un stress psychosocial, le souvenir de l’évènement négatif est augmenté de façon durable. En se basant sur ces résultats, le but de cette thèse est de préciser le rôle du stress psychologique et physiologique (hormones de stress) sur la modulation de souvenirs réactivés. Plus précisément, la première étude visait à déterminer si le cortisol, hormone de stress majeure, est un joueur clé dans la modulation des souvenirs réactivés. Pour ce faire, nous avons inhibé pharmacologiquement les niveaux de cortisol au moment de la réactivation d’un souvenir contenant des segments neutres et négatifs. Les résultats démontrent que la réactivation du matériel négatif est amoindrie lorsque les niveaux de cortisol sont inhibés, et cet effet est toujours présent quatre jours plus tard. Étant donné que les stimuli utilisés jusqu’à maintenant ont une faible validité écologique, nous avons voulu déterminer si d’autres types de mémoires pouvaient également être modulables lors de leur réactivation. L’objectif de la deuxième étude était donc de déterminer si les mémoires autobiographiques collectives sont modulables par le stress au moment de leur réactivation. Pour ce faire, nous avons exposé les participants à de vrais extraits de journaux, neutres ou négatifs, afin de réactiver les mémoires collectives associées à ces évènements. Par la suite, tous les participants ont été exposés à un stress psychosocial et leur mémoire des extraits a été évaluée la journée suivante. Les résultats démontrent que les femmes ayant lu les nouvelles négatives avaient une réactivité physiologique accrue face au stresseur et une mémoire augmentée de ces mêmes nouvelles le jour suivant. Ce phénomène n’était cependant pas observable chez les hommes. Le but de la troisième étude était de déterminer si les mémoires autobiographiques personnelles sont modulables par le stress au moment de leur réactivation. Nous avons demandé aux participants de se remémorer deux évènements de leur passé, négatifs ou neutres. Par la suite, ils ont été exposés à un stress psychosocial et leur mémoire pour ces mêmes évènements a été évaluée à nouveau la journée suivante. Les résultats démontrent que les mémoires autobiographiques personnelles réactivées ne semblent pas être modulables par l’exposition à un stresseur. Globalement, les résultats de cette thèse démontrent que le cortisol a la capacité de moduler des souvenirs négatifs réactivés, mais que la nature (extrinsèque vs. intrinsèque) et l'intensité des souvenirs réactivés sont des facteurs déterminants pour que ce phénomène prenne place.

Étude des mécanismes psychophysiologiques de la modulation volontaire de la douleur par le biofeedback et la respiration.

Bien que la douleur soit une expérience subjective universelle, la façon de la percevoir et de l’interpréter est modulée par une multitude de facteurs. Plusieurs interventions cognitives se sont montrées efficaces pour réduire la douleur dans des conditions cliniques et expérimentales. Cette thèse s’intéressera particulièrement aux mécanismes psychophysiologiques impliqués dans les stratégies de modulation volontaire de la douleur. Ces stratégies sont intéressantes puisqu’elles encouragent une prise en charge par l’individu, lui permettant de jouer un rôle actif dans la régulation de sa douleur. La première étude s’intéresse à l’efficacité du biofeedback comme moyen de modulation volontaire de la douleur. Il s’agissait de déterminer si le fait de présenter une rétroaction de l’amplitude du réflex RIII (évoqué par une stimulation électrique du nerf sural) au cours d’un entraînement de plusieurs essais permettrait au participant d’adopter des stratégies de modulation de la douleur et d’activer volontairement des mécanismes de contrôle descendant de la douleur. De façon à évaluer spécifiquement les changements induits par le biofeedback, la modulation du réflexe RIII et de la douleur était comparée dans trois groupes (biofeedback valide, faux biofeedback et groupe contrôle sans rétroaction). Dans les trois groupes, il était suggéré aux participants d’utiliser des stratégies cognitives de modulation de la douleur (attention, modulation de la respiration, réévaluation cognitive et imagerie mentale) afin d’augmenter ou de diminuer leur réflexe RIII comparativement à leur niveau de base. Les résultats de notre étude indiquent que les participants des 3 groupes ont réussi à moduler leur réflexe RIII (p<0,001) ainsi que leurs évaluations de douleur (p<0,001) (intensité et désagrément). Les résultats de notre étude montrent que l’entraînement au biofeedback n’était pas nécessaire pour obtenir une modulation du réflexe RIII et de la douleur, ce qui suggère que l’utilisation de stratégies cognitives pourrait être suffisante pour déclencher des mécanismes de contrôle de la douleur. La deuxième étude découle de la première et s’intéressait à l’influence de la fréquence et de la phase respiratoire sur la nociception spinale, l’activité cérébrale et la perception de douleur. Le contrôle volontaire de la respiration est un moyen commun de régulation des émotions et est fréquemment utilisé en combinaison avec d’autres techniques (ex. : relaxation, méditation) dans le but de réguler la douleur. Les participants étaient invités à synchroniser leur respiration à des indices sonores indiquant le moment de l’inspiration et de l’expiration. Trois patrons de respiration étaient proposés (respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 4 secondes, respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 2 secondes et respiration à 0,2Hz avec une inspiration de 2 secondes. La moitié des stimulations étaient données durant l’inspiration et l’autre moitié durant l’expiration. Afin d’évaluer l’effet de ces manipulations, l’amplitude du RIII, l’évaluation subjective d’intensité de la douleur et de l’anxiété suscitée par le choc en plus des potentiels évoqués étaient mesurés. Les résultats de cette étude démontrent que les évaluations d’intensité de la douleur n’étaient pas affectées par le patron respiratoire (p=0,3), mais étaient statistiquement plus basses durant l’inspiration comparativement à l’expiration (p=0,02). Un effet de phase (p=0,03) était également observé sur les potentiels évoqués durant la condition de respiration à 0,1hHz avec une inspiration de 2 secondes comparativement au patron de respiration de 0,2Hz. Paradoxalement, l’amplitude du réflexe RIII était augmenté durant l’inspiration (p=0,02) comparativement à l’expiration. Ces résultats montrent que la manipulation de la fréquence et de la phase respiratoires (par une synchronisation imposée) a un effet marginal sur les évaluations de douleur et sur l’activité cérébrale et spinale évoquée par une stimulation électrique (douleur aigüe). Cela suggère que d’autres mécanismes contribuent aux effets analgésiques observés dans la relaxation et la méditation. Plus largement, nos résultats font état de la nécessité d’études plus approfondies avec une méthodologie plus rigoureuse afin de contrôler les effets non spécifiques aux traitements évalués. Une meilleure connaissance des mécanismes sous-tendant chaque stratégie permettrait de mieux cibler les clientèles susceptibles d’y répondre et de mieux considérer le ratio coût bénéfice de chaque traitement.

Rôle et implication du système cannabinoïde dans la modulation périphérique de la douleur inflammatoire et neuropathique

Les dérivés de l’opium (opioïdes) et du cannabis (cannabinoïdes) présentent de nombreuses propriétés intéressantes. Suite à l’identification de leurs récepteurs respectifs, diverses stratégies pharmacologiques ont tenté d’exploiter leurs propriétés analgésiques. Le clonage des récepteurs cannabinoïdes CB1 et CB2 a favorisé la découverte de composés endogènes pour ces récepteurs, les endocannabinoïdes, dont les deux plus étudiés sont l’anandamide et le 2-arachidonyl glycérol (2-AG). Cette découverte a également mené à l’identification d’enzymes qui catalysent l’inactivation de ces cannabinoïdes endogènes : une amidohydrolase des acides gras ou FAAH ainsi qu’une monoacylglycérol lipase ou MAGL. Le système cannabinoïde endogène est régulé à la hausse dans une variété de processus pathologiques, tels que les douleurs inflammatoire et neuropathique. Cette augmentation est habituellement interprétée comme une réaction physiologique visant à rétablir l’homéostasie et elle a notamment été observée en périphérie. Les endocannabinoïdes semblent donc agir de façon spécifique à des moments clés dans certains tissus ciblés afin de minimiser les conséquences reliées au déclenchement de ces douleurs. Cette observation est très intéressante d’un point de vue thérapeutique puisqu’elle suggère la possibilité de cibler les enzymes de dégradation des endocannabinoïdes dans le but d’augmenter leurs concentrations locales et d’ainsi prolonger leur action neuromodulatrice. En périphérie, l’activation des récepteurs cannabinoïdes induit des effets antinociceptifs bénéfiques tout en minimisant les effets indésirables souvent associés à leur activation centrale. Nous avons orienté nos travaux vers la modulation périphérique de ce système endogène à l’aide d’inhibiteurs des enzymes de dégradation des endocannabinoïdes afin d’évaluer leur potentiel thérapeutique et d’élucider les mécanismes d’action qui sous-tendent leurs effets dans des modèles animaux de douleurs inflammatoire et neuropathique. Nous avons démontré que cette approche permet de soulager les symptômes associés à ces deux types de douleurs, et ce via les récepteurs CB1 et CB2. Les systèmes cannabinoïde et opioïde présentent des similitudes, dont des localisations similaires le long des voies de la douleur, des mécanismes d’action relayés par des récepteurs couplés aux protéines G et des propriétés pharmacologiques communes telles que l’analgésie. Le système opioïde est impliqué dans les effets antinociceptifs induits par les cannabinoïdes. À l’inverse, le rôle joué par le système cannabinoïde dans ceux induits par la morphine demeure incertain. Nous avons démontré que les effets antinociceptifs périphériques et spinaux produits par la morphine sont diminués chez les souris génétiquement modifiées chez lesquelles l’expression des récepteurs CB1 ou CB2 a été éliminée, laissant supposer un rôle pour ces récepteurs dans les effets de la morphine. Nous avons de plus démontré que la diminution de l'analgésie produite par la morphine dans ces souris n'est pas causée par un dysfonctionnement des récepteurs opioïdes mu (MOP) ni par une régulation à la baisse de ces récepteurs. Nos résultats confirment l'existence d'interactions fonctionnelles entre les systèmes cannabinoïde et opioïde au niveau périphérique et spinal. Ces observations sont prometteuses d’un point de vue thérapeutique puisqu’une modulation périphérique ciblée des niveaux d’endocannabinoïdes et d’opioïdes endogènes permettrait de produire des effets analgésiques bénéfiques potentiellement synergiques tout en minimisant les effets indésirables associés à l’activation centrale de ces systèmes.

The specific in vivo role of PPARgamma and its downstream signaling pathway in the pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est une maladie articulaire dégénérative, avec une pathogenèse inconnue. Des études récentes suggèrent que l'activation du facteur de transcription du récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est une cible thérapeutique pour ce maladie. Les agonistes du PPARγ inhibent l'inflammation et réduisent la synthèse des produits de dégradation du cartilage in vitro et in vivo. Cependant, des études utilisant des agonistes du PPARγ n’élucident pas les effets exacts médiés par ce gène complexe. En effet, certains de ces agonistes ont la capacité de régulariser d'autres voies de signalisation indépendantes de PPARγ, ainsi entraînant des effets secondaires graves. Afin d'obtenir une efficacité thérapeutique avec potentiellement moins de problèmes de sécurité, il est donc essentiel d'élucider, in vivo, le rôle exact de PPARγ dans la physiopathologie OA. Mon projet de thèse permettra de déterminer, pour la première fois, le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la physiopathologie OA. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle du gène PPARγ dans le cartilage. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Pour tester cette hypothèse, j'ai généré deux types de souris avec une délétion au PPARγ, (a) une suppression du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage germinale pour l'étude de l'arthrose liée au développement et à l'âge et (b) la suppression inductible du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage chez la souris adulte pour les études OA. L’étude précédente dans notre laboratoire, utilisant ces souris ayant une délétion au gène PPARγ germinales, montre que ces souris présentent des anomalies du développement du cartilage. J'ai également exploré si ces souris qui présentent des défauts précoces du développement ont toutes les modifications phénotypiques dans le cartilage au cours du vieillissement. Mes résultats ont montré que les souris adultes, ayant une délétion au gène PPARγ, ont présenter un phénotype de l'arthrose spontanée associée à une dégradation du cartilage, l’hypocellularité, la fibrose synoviale. Cette étude a montré que PPARγ est un régulateur essentiel pour le cartilage, et c’est le manque (l’absence) de ce dernier qui conduit à un phénotype de l'arthrose spontanée accélérée (American Journal of Pathologie). A partir de ce but de l'étude, on n’a pas pu vérifier si ces souris présentaient l’OA spontanée en raison des défauts de développement ou à la suite de la délétion du gène PPARγ. Pour contourner les défauts de développement, j'ai généré des souris ayant une délétion du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage inductible avec le système Col2rTACre. Ces souris ont été soumises à modèle de la chirurgie OA (DMM: déstabilisation du ménisque médial) et les résultats révèlent que les souris PPARγ KO ont une dégradation accélérée du cartilage, une hypocellularité, une fibrose synoviale et une augmentation de l'expression des marqueurs cataboliques et des marqueurs inflammatoire. La perte de PPAR dans le cartilage articulaire est un évènement critique qui initie la dégradation de cartilage dans OA. Les études récentes suggèrent que le procès d’autophagie, une forme de survie cellulaire programmée, est altéré pendant l’OA et peut contribuer vers une protection diminuée des cellules, résultant la dégradation du cartilage. J’ai donc exploré le rôle de PPARγ dans la protection des cellules en déterminant l’effet de manque de PPARγ dans le cartilage par l’expression de mTOR (régulateur négatif principal d’autophagie) et les gènes d’autophagie durant OA. Mes résultats ont montré que les souris KO PPARγ présentent également une augmentation sur l'expression de mTOR et une diminution sur l’expression des marqueurs autophagiques en comparaison avec les chondrocytes articulaires isolés des souris contrôles OA. J'ai suggéré l'hypothèse que PPARγ contrôle la régulation de la signalisation de mTOR/autophagie, et finalement la mort des chondrocytes et l’expression des facteurs cataboliques et les facteurs inflammatoire. Pour tester cette hypothèse, j’ai fait la transfection des chondrocytes arthrosiques PPARγ-KO avec le vecteur d’expression de PPARγ pour déterminer si la restauration de l'expression de PPARγ peut sauver le phénotype des cellules PPARγ-KO OA. J'ai observé que la restauration de l'expression de PPARγ dans les cellules PPARγ-KO en présence du vecteur d'expression PPARγ, a pu considérablement régulariser négativement l'expression de mTOR et mettre en règle positivement l'expression des gènes autophagiques ainsi que le sauvetage significative de l'expression du collagène de type II et l’aggrecan et de baisser de manière significative l'expression de marqueurs cataboliques critiques et des marqueurs inflammatoires. Pour prouver que l’augmentation de la signalisation de mTOR et la diminution de l'autophagie est responsable du phénotype OA accélérée observée dans les souris PPARγ KO in vivo, j'ai généré les souris doubles KO PPARγ- mTOR inductible spécifique du cartilage en utilisant le système Col2 - rtTA -Cre et soumis ces souris à DMM modèle de l'arthrose. Mes résultants démontrent que les souris avec PPARγ- mTOR doubles KO ont été significativement protégés contre les OA DMM induites associées à une protection significative contre la destruction du cartilage, la perte de protéoglycanes et la perte de chondro-cellularité par rapport aux souris témoins. Considérant que mTOR est un répresseur majeur de l'autophagie, j'ai trouvé que l'expression de deux marqueurs de l'autophagie critiques (ULK1 et LC3B) a été significativement plus élevée dans les chondrocytes extraits les souris doubles KO PPARγ-mTOR par rapport aux souris témoins. En plus, les études de sauvetage in vitro en utilisant le vecteur d'expression PPAR et les études in vivo utilisant les souris doubles KO PPARγ- mTOR montrent que PPARγ est impliqué dans la régulation de la protéine signalant de mTOR/autophagie dans le cartilage articulaire. Ces résultats contournent PPARγ et sa signalisation en aval de mTOR/autophagie en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement de l'arthrose.

Modulation allostérique du récepteur FP dans le cancer colorectal

Les prostaglandines modulent d’importants rôles physiologiques. Elles sont aussi impliquées dans le développement d’une variété de conditions pathologiques telles l’inflammation, la douleur et le cancer. La prostaglandine PGF2α et son récepteur (récepteur FP) se trouvent impliqué dans la modulation de nombreuses pathologies tels lors de l’accouchement préterme et le cancer colorectal. Récemment, nous avons fait partie d’un groupe de recherche ayant développé des modulateurs allostériques du récepteur FP. Dans une première étude, l’action du PGF2α sur le déclenchement des contractions myométriales a été évaluée, car peu d’information est connue sur la signalisation de cette prostaglandine lors de l’accouchement. Ainsi, nous avons utilisé un peptidomimétique de la deuxième boucle extracellulaire, dénommée PDC113.824. Nos résultats ont démontré que le PDC113.824 permettait de retarder la mise bas chez des souris gestantes, mais agissait de manière différente sur les multiples voies de signalisation de la PGF2α. Ainsi, le PDC113.824 inhibait la voie RhoA-ROCK, dépendante de l’activation de la protéine Gα12 par le. Les protéines RhoA-ROCK sont des acteurs clés dans le remodelage du cytosquelette d’actine et des contractions myométriales lors de l’accouchement. De plus, le PDC113.824 en présence de PGF2α agit comme un modulateur positif sur la voie dépendante de l’activation de la protéine Gαq. Le PDC113.824 serait donc un modulateur allostérique non compétitif possédant des actions à la fois de modulateurs positifs et négatifs sur la signalisation du récepteur FP Dans une seconde étude, des analogues du PDC113.824 ont été conçus et analysés dans un second modèle pathologique, le cancer colorectal. Ce cancer possède de hauts niveaux de récepteur FP. Nous avons donc étudié le rôle du récepteur FP dans le développement et la progression du cancer colorectal et l’effet de modulateurs allostériques. Il est généralement accepté que dans le cancer colorectal, la prostaglandine PGE2 permet la croissance et l’invasion tumorale, ainsi que l’angiogenèse. Toutefois, peu d’informations sont connues sur le rôle du PGF2α dans le cancer colorectal. C’est dans ce contexte que nous avons décidé d’examiner la contribution de ce récepteur dans la progression du cancer colorectal et cherché à déterminer si la modulation des fonctions du récepteur FP a un impact sur la croissance de tumeurs colorectales. Nos recherches ont révélé que l’activation du récepteur FP permet la migration et la prolifération de plusieurs lignées cellulaires humaines et murines d’adénocarcinomes colorectaux. Dans ce contexte, nos expériences ont démontré que la migration des cellules cancéreuses était dépendante de l’activation de la voie Rho. Nos résultats démontrent qu’en effet, l’activation de RhoA, une petite GTPase clé de la voie Gα12, est inhibée de façon sélective par nos composés. De plus, nos molécules allostériques sont également efficaces pour inhiber la voie de signalisation de la ß-caténine, une protéine impliquée dans la genèse du cancer colorectal. In vivo, le traitement de souris avec un des ces modulateurs a permis une inhibition effective de la croissance tumorale. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent donc que les modulateurs allostériques des récepteurs FP pourraient constituer une nouvelle classe de médicaments utilisés pour le traitement du cancer colorectal.

Nonlinear Dynamics of Semiconductor LasersControl and Synchronization of Chaos:

Nonlinear dynamics of laser systems has become an interesting area of research in recent times. Lasers are good examples of nonlinear dissipative systems showing many kinds of nonlinear phenomena such as chaos, multistability and quasiperiodicity. The study of these phenomena in lasers has fundamental scientific importance since the investigations on these effects reveal many interesting features of nonlinear effects in practical systems. Further, the understanding of the instabilities in lasers is helpful in detecting and controlling such effects. Chaos is one of the most interesting phenomena shown by nonlinear deterministic systems. It is found that, like many nonlinear dissipative systems, lasers also show chaos for certain ranges of parameters. Many investigations on laser chaos have been done in the last two decades. The earlier studies in this field were concentrated on the dynamical aspects of laser chaos. However, recent developments in this area mainly belong to the control and synchronization of chaos. A number of attempts have been reported in controlling or suppressing chaos in lasers since lasers are the practical systems aimed to operated in stable or periodic mode. On the other hand, laser chaos has been found to be applicable in high speed secure communication based on synchronization of chaos. Thus, chaos in laser systems has technological importance also. Semiconductor lasers are most applicable in the fields of optical communications among various kinds of laser due to many reasons such as their compactness, reliability modest cost and the opportunity of direct current modulation. They show chaos and other instabilities under various physical conditions such as direct modulation and optical or optoelectronic feedback. It is desirable for semiconductor lasers to have stable and regular operation. Thus, the understanding of chaos and other instabilities in semiconductor lasers and their xi control is highly important in photonics. We address the problem of controlling chaos produced by direct modulation of laser diodes. We consider the delay feedback control methods for this purpose and study their performance using numerical simulation. Besides the control of chaos, control of other nonlinear effects such as quasiperiodicity and bistability using delay feedback methods are also investigated. A number of secure communication schemes based on synchronization of chaos semiconductor lasers have been successfully demonstrated theoretically and experimentally. The current investigations in these field include the study of practical issues on the implementations of such encryption schemes. We theoretically study the issues such as channel delay, phase mismatch and frequency detuning on the synchronization of chaos in directly modulated laser diodes. It would be helpful for designing and implementing chaotic encryption schemes using synchronization of chaos in modulated semiconductor laser

Nonlinear Dynamics of Multiple Quantum Well Lasers: Chaos and Multistability

This thesis presents analytical and numerical results from studies based on the multiple quantum well laser rate equation model. We address the problem of controlling chaos produced by direct modulation of laser diodes. We consider the delay feedback control methods for this purpose and study their performance using numerical simulation. Besides the control of chaos, control of other nonlinear effects such as quasiperiodicity and bistability using delay feedback methods are also investigated.A number of secure communication schemes based on synchronization of chaos semiconductor lasers have been successfully demonstrated theoretically and experimentally. The current investigations in these field include the study of practical issues on the implementations of such encryption schemes. We theoretically study the issues such as channel delay, phase mismatch and frequency detuning on the synchronization of chaos in directly modulated laser diodes. It would be helpful for designing and implementing chaotic encryption schemes using synchronization of chaos in modulated semiconductor lasers.

Adrenergic and muscarinic receptor subtypes functional regulation during diabetogenesis: Effect of curcumin and vitamin D3 pre-treatment

In the present study, the initial phase was directed to confirm the effects of curcumin and vitamin D3 in preventing or delaying diabetes onset by studying the blood glucose and insulin levels in the pre-treated and diabetic groups. Behavioural studies were conducted to evaluate the cognitive and motor function in experimental rats. The major focus of the study was to understand the cellular and neuronal mechanisms that ensure the prophylactic capability of curcumin and vitamin D3. To elucidate the mechanisms involved in conferring the antidiabetogenesis effect, we examined the DNA and protein profiles using radioactive incorporation studies for DNA synthesis, DNA methylation and protein synthesis. Furthermore the gene expression studies of Akt-1, Pax, Pdx-1, Neuro D1, insulin like growth factor-1 and NF-κB were done to monitor pancreatic beta cell proliferation and differentiation. The antioxidant and antiapoptotic actions of curcumin and vitamin D3 were examined by studying the expression of antioxidant enzymes - SOD and GPx, and apoptotic mediators like Bax, caspase 3, caspase 8 and TNF-α. In order to understand the signalling pathways involved in curcumin and vitamin D3 action, the second messengers, cAMP, cGMP and IP3 were studied along with the expression of vitamin D receptor in the pancreas. The neuronal regulation of pancreatic beta cell maintenance, proliferation and insulin release was studied by assessing the adrenergic and muscarinic receptor functional regulation in the pancreas, brain stem, hippocampus and hypothalamus. The receptor number and binding affinity of total muscarinic, muscarinic M1, muscarinic M3, total adrenergic, α adrenergic and β adrenergic receptor subtypes were studied in pancreas, brain stem and hippocampus of experimental rats. The mRNA expression of muscarinic and adrenergic receptor subtypes were determined using Real Time PCR. Immunohistochemistry studies using confocal microscope were carried out to confirm receptor density and gene expression results. Cell signalling alterations in the pancreas and brain regions associated with diabetogenesis and antidiabetogenesis were assessed by examining the gene expression profiles of vitamin D receptor, CREB, phospholipase C, insulin receptor and GLUT. This study will establish the anti-diabetogenesis activity of curcumin and vitamin D3 pre-treatment and will attempt to understand the cellular, molecular and neuronal control mechanism in the onset of diabetes.Administration of MLD-STZ to curcumin and vitamin D3 pre-treated rats induced only an incidental prediabetic condition. Curcumin and vitamin D3 pretreated groups injected with MLD-STZ exhibited improved circulating insulin levels and behavioural responses when compared to MLD-STZ induced diabetic group. Activation of beta cell compensatory response induces an increase in pancreatic insulin output and beta cell mass expansion in the pre-treated group. Cell signalling proteins that regulate pancreatic beta cell survival, insulin release, proliferation and differentiation showed a significant increase in curcumin and vitamin D3 pre-treated rats. Marked decline in α2 adrenergic receptor function in pancreas helps to relent sympathetic inhibition of insulin release. Neuronal stimulation of hyperglycemia induced beta cell compensatory response is mediated by escalated signalling through β adrenergic, muscarinic M1 and M3 receptors. Pre-treatment mediated functional regulation of adrenergic and cholinergic receptors, key cell signalling proteins and second messengers improves pancreatic glucose sensing, insulin gene expression, insulin secretion, cell survival and beta cell mass expansion in pancreas. Curcumin and vitamin D3 pre-treatment induced modulation of adrenergic and cholinergic signalling in brain stem, hippocampus and hypothalamus promotes insulin secretion, beta cell compensatory response, insulin sensitivity and energy balance to resist diabetogenesis. Pre-treatment improved second messenger levels and the gene expression of intracellular signalling molecules in brain stem, hippocampus and hypothalamus, to retain a functional neuronal response to hyperglycemia. Curcumin and vitamin D3 protect pancreas and brain regions from oxidative stress by their indigenous antioxidant properties and by their ability to stimulate cellular free radical defence system. The present study demonstrates the role of adrenergic and muscarinic receptor subtypes functional regulation in curcumin and vitamin D3 mediated anti-diabetogenesis. This will have immense clinical significance in developing effective strategies to delay or prevent the onset of diabetes.

Effects of tillage on processes of organic matter sequestration

To increase the organic matter (OM) content in the soil is one main goal in arable soil management. The adoption of tillage systems with reduced tillage depth and/or frequency (reduced tillage) or of no-tillage was found to increase the concentration of soil OM compared to conventional tillage (CT; ploughing to 20-30 cm). However, the underlying processes are not yet clear and are discussed contradictorily. So far, few investigations were conducted on tillage systems with a shallow tillage depth (minimum tillage = MT; maximum tillage depth of 10 cm). A better understanding of the interactions between MT implementation and changes in OM transformation in soils is essential in order to evaluate the possible contribution of MT to a sustainable management of arable soils. The objectives of the present thesis were (i) to compare OM concentrations, microbial biomass, water-stable aggregates, and particulate OM (POM) between CT and MT soils, (ii) to estimate the temporal variability of water-stable aggregate size classes occurring in the field and the dynamics of macroaggregate (>250 µm) formation and disruption under controlled conditions, (iii) to investigate whether a lower disruption or a higher formation rate accounts for a higher occurrence of macroaggregates under MT compared to CT, (iv) to determine which fraction is the major agent for storing the surplus of OM found under MT compared to CT, and (v) to observe the early OM transformation after residue incorporation in different tillage systems simulated. Two experimental sites (Garte-Süd and Hohes Feld) near Göttingen, Germany, were investigated. Soil type of both sites was a Haplic Luvisol. Since about 40 years, both sites receive MT by a rotary harrow (to 5-8 cm depth) and CT by a plough (to 25 cm depth). Surface soils (0-5 cm) and subsoils (10-20 cm) of two sampling dates (after fallow and directly after tillage) were investigated for concentrations of organic C (Corg) and total N (N), different water-stable aggregate size classes, different density fractions (for the sampling date after fallow only), microbial biomass, and for biochemically stabilized Corg and N (by acid hydrolysis; for the sampling date after tillage only). In addition, two laboratory incubations were performed under controlled conditions: Firstly, MT and CT soils were incubated (28 days at 22°C) as bulk soil and with destroyed macroaggregates in order to estimate the importance of macroaggregates for the physical protection of the very labile OM against mineralization. Secondly, in a microcosm experiment simulating MT and CT systems with soil <250 µm and with 15N and 13C labelled maize straw incorporated to different depths, the mineralization, the formation of new macroaggregates, and the partitioning of the recently added C and N were followed (28 days at 15°C). Forty years of MT regime led to higher concentrations of microbial biomass and of Corg and N compared to CT, especially in the surface soil. After fallow and directly after tillage, a higher proportion of water-stable macroaggregates rich in OM was found in the MT (36% and 66%, respectively) than in the CT (19% and 47%, respectively) surface soils of both sites (data shown are of the site Garte-Süd only). The subsoils followed the same trend. For the sampling date after fallow, no differences in the POM fractions were found but there was more OM associated to the mineral fraction detected in the MT soils. A large temporal variability was observed for the abundance of macroaggregates. In the field and in the microcosm simulations, macroaggregates were found to have a higher formation rate after the incorporation of residues under MT than under CT. Thus, the lower occurrence of macroaggregates in CT soils cannot be attributed to a higher disruption but to a lower formation rate. A higher rate of macroaggregate formation in MT soils may be due to (i) the higher concentrated input of residues in the surface soil and/or (ii) a higher abundance of fungal biomass in contrast to CT soils. Overall, as a location of storage of the surplus of OM detected under MT compared to CT, water-stable macroaggregates were found to play a key role. In the incubation experiment, macroaggregates were not found to protect the very labile OM against mineralization. Anyway, the surplus of OM detected after tillage in the MT soil was biochemically degradable. MT simulations in the microcosm experiment showed a lower specific respiration and a less efficient translocation of recently added residues than the CT simulations. Differences in the early processes of OM translocation between CT and MT simulations were attributed to a higher residue to soil ratio and to a higher proportion of fungal biomass in the MT simulations. Overall, MT was found to have several beneficial effects on the soil structure and on the storage of OM, especially in the surface soil. Furthermore, it was concluded that the high concentration of residues in the surface soil of MT may alter the processes of storage and decomposition of OM. In further investigations, especially analysis of the residue-soil-interface and of effects of the depth of residue incorporation should be emphasised. Moreover, further evidence is needed on differences in the microbial community between CT and MT soils.

Effects of priority and emerging pollutants on river biofilms

L'activitat humana representa una de les majors causes d'entrada d'una gran varietat de substàncies en els ecosistemes fluvials. L'objectiu principal d'aquest treball es investigar els efectes que els tòxics orgànics poden exercir en els biofilms fluvials. El riu Llobregat ha estat sotmès a fortes pressions, fet que l'ha portat a uns nivells molt elevats de contaminació. En aquest estudi s'ha observat una influència dels plaguicides presents al riu en la distribució de la comunitat de diatomees, així com efectes en el biofilm a nivell funcional i estructural. Experiments amb canals experimentals han mostrat que l'herbicida diuron i el bactericida triclosan poden ocasionar una cadena d'efectes en els biofilms, incloent efectes directes i també efectes indirectes en les relacions entre els components del biofilm. Experiments amb cultius algals han mostrat que aquests tòxics, aplicats en barreja, poden tenir una major toxicitat de la prevista pels models, resultant en efectes sinèrgics.

Scope and Limitations of The Co-Drug Approach to Topical Drug Delivery

Many currently available drugs show unfavourable physicochemical properties for delivery into or across the skin and temporary chemical modulation of the penetrant is one option to achieve improved delivery properties. Pro-drugs are chemical derivatives of an active drug which is covalently bonded to an inactive pro-moiety in order to overcome pharmaceutical and pharmacokinetic barriers. A pro-drug relies upon conversion within the body to release the parent active drug (and pro-moiety) to elicit its pharmacological effect. The main drawback of this approach is that the pro-moiety is essentially an unwanted ballast which, when released, can lead to adverse effects. The term ‘co-drug’ refers to two or more therapeutic compounds active against the same disease bonded via a covalent chemical linkage and it is this approach which is reviewed for the first time in the current article. For topically applied co-drugs, each moiety is liberated in situ, either chemically or enzymatically, once the stratum corneum barrier has been overcome by the co-drug. Advantages include synergistic modulation of the disease process, enhancement of drug delivery and pharmacokinetic properties and the potential to enhance stability by masking of labile functional groups. The amount of published work on co-drugs is limited but the available data suggest the co-drug concept could provide a significant therapeutic improvement in dermatological diseases. However, the applicability of the co-drug approach is subject to strict limitations pertaining mainly to the availability of compatible moieties and physicochemical properties of the overall molecule.

Prebiotic effects: metabolic and health benefits

The different compartments of the gastrointestinal tract are inhabited by populations of micro-organisms. By far the most important predominant populations are in the colon where a true symbiosis with the host exists that is a key for well-being and health. For such a microbiota, 'normobiosis' characterises a composition of the gut 'ecosystem' in which micro-organisms with potential health benefits predominate in number over potentially harmful ones, in contrast to 'dysbiosis', in which one or a few potentially harmful micro-organisms are dominant, thus creating a disease-prone situation. The present document has been written by a group of both academic and industry experts (in the ILSI Europe Prebiotic Expert Group and Prebiotic Task Force, respectively). It does not aim to propose a new definition of a prebiotic nor to identify which food products are classified as prebiotic but rather to validate and expand the original idea of the prebiotic concept (that can be translated in 'prebiotic effects'), defined as: 'The selective stimulation of growth and/or activity(ies) of one or a limited number of microbial genus(era)/species in the gut microbiota that confer(s) health benefits to the host.' Thanks to the methodological and fundamental research of microbiologists, immense progress has very recently been made in our understanding of the gut microbiota. A large number of human intervention studies have been performed that have demonstrated that dietary consumption of certain food products can result in statistically significant changes in the composition of the gut microbiota in line with the prebiotic concept. Thus the prebiotic effect is now a well-established scientific fact. The more data are accumulating, the more it will be recognised that such changes in the microbiota's composition, especially increase in bifidobacteria, can be regarded as a marker of intestinal health. The review is divided in chapters that cover the major areas of nutrition research where a prebiotic effect has tentatively been investigated for potential health benefits. The prebiotic effect has been shown to associate with modulation of biomarkers and activity(ies) of the immune system. Confirming the studies in adults, it has been demonstrated that, in infant nutrition, the prebiotic effect includes a significant change of gut microbiota composition, especially an increase of faecal concentrations of bifidobacteria. This concomitantly improves stool quality (pH, SCFA, frequency and consistency), reduces the risk of gastroenteritis and infections, improves general well-being and reduces the incidence of allergic symptoms such as atopic eczema. Changes in the gut microbiota composition are classically considered as one of the many factors involved in the pathogenesis of either inflammatory bowel disease or irritable bowel syndrome. The use of particular food products with a prebiotic effect has thus been tested in clinical trials with the objective to improve the clinical activity and well-being of patients with such disorders. Promising beneficial effects have been demonstrated in some preliminary studies, including changes in gut microbiota composition (especially increase in bifidobacteria concentration). Often associated with toxic load and/or miscellaneous risk factors, colon cancer is another pathology for which a possible role of gut microbiota composition has been hypothesised. Numerous experimental studies have reported reduction in incidence of tumours and cancers after feeding specific food products with a prebiotic effect. Some of these studies (including one human trial) have also reported that, in such conditions, gut microbiota composition was modified (especially due to increased concentration of bifidobacteria). Dietary intake of particular food products with a prebiotic effect has been shown, especially in adolescents, but also tentatively in postmenopausal women, to increase Ca absorption as well as bone Ca accretion and bone mineral density. Recent data, both from experimental models and from human studies, support the beneficial effects of particular food products with prebiotic properties on energy homaeostasis, satiety regulation and body weight gain. Together, with data in obese animals and patients, these studies support the hypothesis that gut microbiota composition (especially the number of bifidobacteria) may contribute to modulate metabolic processes associated with syndrome X, especially obesity and diabetes type 2. It is plausible, even though not exclusive, that these effects are linked to the microbiota-induced changes and it is feasible to conclude that their mechanisms fit into the prebiotic effect. However, the role of such changes in these health benefits remains to be definitively proven. As a result of the research activity that followed the publication of the prebiotic concept 15 years ago, it has become clear that products that cause a selective modification in the gut microbiota's composition and/or activity(ies) and thus strengthens normobiosis could either induce beneficial physiological effects in the colon and also in extra-intestinal compartments or contribute towards reducing the risk of dysbiosis and associated intestinal and systemic pathologies.

The Nutritional Significance of Lipid Rafts

The structure, size, stability, and functionality of lipid rafts are still in debate, but recent techniques allowing direct visualization have characterized them in a wide range of cell types. Lipid rafts are potentially modifiable by diet, particularly (but not exclusively) by dietary fatty acids. However, it is not clear whether dietary polyunsaturated fatty acids (PUFAs) are incorporated into raft lipids or whether their low affinity to cholesterol disallows this and causes phase separation from rafts and displacement of raft proteins. This review examines the potential for dietary modification of raft structure and function in the immune system, brain and retinal tissue, the gut, and in cancer cells. Although there is increasing evidence to suggest that membrane microdomains, and their modulation, have an impact in health and disease, it is too early to judge whether modulation of lipid rafts is responsible for the immunomodulatory effects of n-3 PUFA. In addition to dietary fatty acids, gangliosides and cholesterol may also modulate microdomains in a number of tissues, and recent work has highlighted sphingolipids in membrane microdomains as potential targets for inhibition of tumor growth by n-3 PUFA. The roles of fatty acids and gangliosides in cognitive development, age-related cognitive decline, psychiatric disorders, and Alzheimer's disease are poorly understood and require clarification, particularly with respect to the contribution of lipid rafts. The roles of lipid rafts in cancer, in microbial pathogenesis, and in insulin resistance are only just emerging, but compelling evidence indicates the growing importance of membrane microdomains in health and disease.

Neuroinflammation and its modulation by flavonoids

There is increasing evidence to suggest that neuroinflammatory processes contribute to the cascade of events that lead to the progressive neuronal damage observed in neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. Therefore, treatment regimes aimed at modulating neuroinflammatory processes may act to slow the progression of these debilitating brain disorders. Recently, a group of dietary polyphenols known as flavonoids have been shown to exert neuroprotective effects in vivo and in neuronal cell models. In this review we discuss the evidence relating to the modulation of neuroinflammation by flavonoids. We highlight the evidence which suggests their mechanism of action involves: 1) attenuation of the release of cytokines, such as interleukin-1β (IL-1β) and tumor necrosis factor-alpha (TNF-α); 2) an inhibitory action against inducible nitric oxide synthase (iNOS) induction and subsequent nitric oxide (NO•) production; 3) inhibition of the activation of NADPH oxidase and subsequent reactive oxygen species generation; 4) a capacity to down-regulate the activity of pro-inflammatory transcription factors such as nuclear factor-κB (NF-κB); and 5) the potential to modulate signalling pathways such as mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade. We also consider the potential of these dietary compounds to represent novel therapeutic agents by considering their metabolism in the body and their ability to access the brain via the blood brain barrier. Finally, we discuss future areas of study which are necessary before dietary flavonoids can be established as therapeutic agents against neuroinflammation.

The reaction of flavanols with nitrous acid protects against N-nitrosamine formation and leads to the formation of nitroso derivatives which inhibit cancer cell growth

Studies have suggested that diets rich in polyphenols Such as flavonoids may lead to a reduced risk of gastrointestinal cancers. We demonstrate the ability of monomeric and dimeric flavanols to scavenge reactive nitrogen species derived from nitrous acid. Both epicatechin and dimer B2 (epicatechin dimer) inhibited nitrous acid-induced formation of 3-nitrotyrosine and the formation of the carcinogenic N-nitrosamine, N-nitrosodimethylamine. The reaction of monomeric and dimeric epicatechin with nitrous acid led to the formation of mono- and di-nitroso flavanols, whereas the reaction with hesperetin resulted primarily in the formation of nitrated products. Although, epicatechin was transferred across the jejunum of the small intestine yielding metabolites, its nitroso form was not absorbed. Dimer B2 but not epicatechin monomer inhibited the proliferation of, and triggered apoptosis in, Caco-2 cells. The latter was accompanied by caspase-3 activation and reductions in Akt phosphorylation, suggesting activation of apoptosis via inhibition of prosurvival signaling. Furthermore, the dinitroso derivative of dimer B2, and to a lesser extent the dinitroso-epicatechin, also induced significant toxic effects in Caco-2 cells. The inhibitory effects on cellular proliferation were paralleled by early inhibition of ERK 1/2 phosphorylation and later reductions in cyclin D I levels, indicating modulation of cell cycle regulation in Caco-2 cells. These effects highlight multiple routes in which dietary derived flavanols may exert beneficial effects in the gastrointestinal tract. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.