Host Defence Peptide LL-37; Effects of truncation on antimicrobial activity

Background: The oral cavity is an ideal environment for colonisation by micro-organisms. A first line of defence against microbial infection is the secretion of broad spectrum host defence peptides (HDPs). In the current climate of antibiotic resistance, exploiting naturally occurring HDPs or synthetic derivatives (mimetics) to combat infection is particularly appealing. The human cathelicidin, LL-37 is one such HDP expressed ubiquitously by epithelial cells and neutrophils. LL-37 exhibits the ability to bind lipopolysaccharide (LPS) and displays broad spectrum activity against a wide range of bacteria. The current study focuses on truncation of LL-37 and defining the antimicrobial and LPS binding activity of the resultant mimetics. Objectives: To assess the antimicrobial and LPS binding activity of LL-37 and three truncated mimetics (KE-18, EF-14 and KR-12). Methods: Peptides were synthesised in-house by Fmoc solid phase peptide synthesis or obtained commercially. Antimicrobial activity was determined using a radial diffusion assay and ability to bind LPS was determined by indirect ELISA. Results: LL-37 and mimetics displayed antimicrobial activity against Streptococcus mutans and Enterococcus Faecalis. KE-18 and KR-12 were shown to possess antimicrobial activity against both pathogens whereas EF-14 was the least antimicrobial. In terms of LPS binding, KE-18 and KR-12 were both effective whereas EF-14 showed the least activity of the three mimetics. Conclusion: Truncation of LL-37 can yield peptides which retain antimicrobial activities and have the ability to bind LPS. Interestingly in some cases the truncation of LL-37 produced mimetics with greater potency than the parent molecule in terms of antimicrobial activity and LPS binding. This work was funded by DEL and the Diabetes Wellness Foundation.

Engineered alpha-defensin peptides display antimicrobial activity against oral pathogens

Introduction: Human alpha defensins are a family of neutrophil-derived antimicrobial peptides also known as human neutrophil peptides (HNPs). The defensin family of peptides are characterised by six invariant cysteine residues forming three disulphide bridges. The formation of the correct disulphide pairs complicates the synthesis of full length human alpha defensin and limits its therapeutic potential as an antimicrobial peptide. Objectives: The aim of this study was to determine whether truncated alpha defensins displayed antimicrobial activity against a range of micro-organisms including oral pathogens. Methods: Engineered peptides were synthesised by solid-phase methods using standard Fmoc chemistry. Antibacterial assays were performed using a previously described ultra sensitive radial diffusion method. A total of five engineered defensin peptides and full length alpha defensin were tested for their sensitivity against eight micro-organisms, including Gram negative bacteria, Gram positive bacteria and fungal pathogens Results: Antimicrobial activity was identified as clear zones around peptide-containing wells. Zone diameters were used to calculate minimum inhibitory concentrations (MICs) for each peptide. There was considerable variability in the susceptibility of the micro-organisms to the truncated analogues. Bacillus subtilis and Enterococcus faecalis were sensitive to the majority of the engineered peptides whereas Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Candida albicans displayed resistance (defined as an MIC of greater than 250 ug/ml) to the truncated defensins. Of the five engineered peptides synthesised, the 2-aminobenzoic acid (Abz)-containing analogues based on the C-terminal sequence of alpha defensin displayed MIC values closest to that of the full length defensin in 5 out of 8 micro-organisms studied. Conclusion: This study demonstrates that truncated alpha defensins display variable antimicrobial activity against a range of micro-organisms, including oral pathogens. The generation of truncated defensins without disulphide bridges simplifies their synthesis and increases their therapeutic potential.

Design, synthesis and validation of an inhibitor of CGRP degradation

Introduction: In addition to their afferent role in detection and signalling noxious stimuli, neuropeptide-containing sensory nerves may initiate and maintain chronic inflammation in diseases such as periodontitis by an efferent process known as neurogenic inflammation. Neuropeptides are susceptible to cleavage by peptidases, and therefore, the exact location and level of expression of peptidases are major determinants of neuropeptide action. Previous studies in our laboratory showed that enzyme components of gingival crevicular fluid (GCF) from periodontitis sites selectively inactivated the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP), known to have a role in inhibiting osteoclastic bone resorption. Objectives: The aim of this study was to design and synthesise a specific inhibitor to prevent the degradation of CGRP by components of GCF. Methods: A hydroxamate-based inhibitor with a biotinylated tag was designed to ensure selectivity for CGRP and ease of use for future purification strategies. The biotinylated peptide hydroxamate contained the P1-P4 amino acid sequence of the potential CGRP cleavage site and was synthesised by solid-phase methods using standard Fmoc chemistry. Inhibition of CGRP metabolism by GCF was determined by MALDI-mass spectrometry (MALDI-MS) using pooled GCF samples from periodontitis patients as a crude source of the CGRP-degrading enzyme. Results: MALDI-MS analysis of CGRP degradation showed almost complete inhibition in the presence of the biotinylated inhibitor. Our results showed that the rate-limiting step in the cleavage of CGRP is endopeptidase cleavage, followed by carboxypeptidase attack. Conclusion: This study demonstrates that the enzyme component of GCF responsible for the degradation of CGRP can be inhibited by a biotinylated hydroxamate modelled on a potential endopeptidase cleavage site. The biotin tag on the inhibitor will facilitate our future purification of the CGRP-cleavage enzyme using a streptavidin-agarose column.

Numerical modelling of radionuclide migration in near-surface systems

Em todo o mundo são usados, hoje em dia, modelos numéricos hidrogeoquímicos para simular fenómenos naturais e fenómenos decorrentes de actividades antrópicas. Estes modelos ajudam-nos a compreender o ambiente envolvente, a sua variabilidade espacial e evolução temporal. No presente trabalho apresenta-se o desenvolvimento de modelos numéricos hidrogeoquímicos aplicados no contexto do repositório geológico profundo para resíduos nucleares de elevada actividade. A avaliação da performance de um repositório geológico profundo inclui o estudo da evolução geoquímica do repositório, bem como a análise dos cenários de mau funcionamento do repositório, e respectivas consequências ambientais. Se se escaparem acidentalmente radionuclídeos de um repositório, estes poderão atravessar as barreiras de engenharia e barreiras naturais que constituem o repositório, atingindo eventualmente, os ecosistemas superficiais. Neste caso, os sedimentos subsuperficiais constituem a última barreira natural antes dos ecosistemas superficiais. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos que integram processos biogeoquímicos, geoquímicos, hidrodinâmicos e de transporte de solutos, para entender e quantificar a influência destes processos na mobilidade de radionuclídeos em sistemas subsuperficiais. Os resultados alcançados reflectem a robustez dos instrumentos numéricos utilizados para desenvolver simulações descritivas e predictivas de processos hidrogeoquímicos que influenciam a mobilidade de radionuclídeos. A simulação (descritiva) de uma experiência laboratorial revela que a actividade microbiana induz a diminuição do potencial redox da água subterrânea que, por sua vez, favorece a retenção de radionuclídeos sensíveis ao potencial redox, como o urânio. As simulações predictivas indicam que processos de co-precipitação com minerais de elementos maioritários, precipitação de fases puras, intercâmbio catiónico e adsorção à superfície de minerais favorecem a retenção de U, Cs, Sr e Ra na fase sólida de uma argila glaciar e uma moreia rica em calcite. A etiquetagem dos radionuclídeos nas simulações numéricas permitiu concluir que a diluição isotópica joga um papel importante no potencial impacte dos radionuclídeos nos sistemas subsuperficiais. A partir dos resultados das simulações numéricas é possivel calcular coeficientes de distribuição efectivos. Esta metodologia proporciona a simulação de ensaios de traçadores de longa duração que não seriam exequíveis à escala da vida humana. A partir destas simulações podem ser obtidos coeficientes de retardamento que são úteis no contexto da avaliação da performance de repositórios geológicos profundos.

Maturação de lamas vulcânicas açorianas e sua aplicação em peloterapia

Em Portugal, nomeadamente nos Açores (Centro Termal das Furnas), durante vários anos foram utilizados pelóides naturais (lamas/argilas obtidos após conveniente maturação com água mineral) como agentes terapêuticos. Apesar das evidências empíricas da aplicação das argilas para fins terapêuticos, o suporte científico é ainda escasso. Além disso, contrariamente ao que se verifica para águas minerais utilizadas para fins termais, no campo da peloterapia, não existe regulamentação que estabeleça critérios quanto à qualidade padrão de um pelóide. Este trabalho visou a avaliação das características biológicas, físico-químicas e mineralógicas de lamas vulcânicas das ilhas de São Miguel e da Terceira para aplicação em peloterapia antes e após maturação. A área de amostragem foi caracterizada sob o ponto de vista geomorfológico, geológico, hidrológico e climático. A análise dos materiais colhidos contemplou estudos de granulometria e de mineralogia da amostra total e da fracção argilosa; caracterização química; e determinação de outras propriedades tais como índice de abrasividade, superfície específica, pH, capacidade de troca catiónica e catiões de troca, limites de consistência (plasticidade e liquidez e índice de plasticidade) e taxa de arrefecimento. A caracterização biológica das lamas incluiu a identificação e quantificação relativa de diatomáceas e a determinação do teor em coliformes totais e microrganismos cultiváveis a 37 ºC e a 22 ºC. Estudos efectuados em amostras comerciais argilosas e em recursos naturais açorianos precederam os ensaios de maturação. Estes estudos visaram, fundamentalmente, aferir as características apropriadas dos materiais para aplicação tópica e detectar e caracterizar a presença de comunidades diatomológicas em locais próximos dos materiais a serem sujeitos a maturação. O estudo de maturação foi desenvolvido em duas etapas sequenciais e complementares com vista à optimização do processo de maturação de lamas vulcânicas açorianas. Foi testada a influência de algumas condições abióticas na maturação e fez-se variar a fracção granulométrica, proporção fase sólida:fase líquida e o tempo de maturação entre os dois ensaios. O uso da granulometria <63 μm, proporção de 2:1 (fase sólida:fase líquida) e condições de luminosidade, sem agitação parecem ser as mais adequadas à maturação dos materiais analisados. A maturação revela-se um processo que promove a melhoria de características importantes dos materiais para aplicação em peloterapia, tais como aumento dos tempos de arrefecimento e da quantidade de catiões de troca. Existe uma comunidade de microalgas e bacteriana capaz de se desenvolver em materiais geológicos vulcânicos durante a maturação e cujo contributo para a acção terapêutica do pelóide deverá ser aferida. Após comparação com materiais de referência, a amostra das Furnas revela as características mais adequadas para aplicação em peloterapia.

Acrylic bone cements modified with bioactive and biodegradable fillers

O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese.

Volatile terpenoids and C13 norisoprenoids in wines: development of rapid methods of analysis and evaluation of the sesquiterpenoids biological potential

Vitis vinifera L., the most widely cultivated fruit crop in the world, was the starting point for the development of this PhD thesis. This subject was exploited following on two actual trends: i) the development of rapid, simple, and high sensitive methodologies with minimal sample handling; and ii) the valuation of natural products as a source of compounds with potential health benefits. The target group of compounds under study were the volatile terpenoids (mono and sesquiterpenoids) and C13 norisoprenoids, since they may present biological impact, either from the sensorial point of view, as regards to the wine aroma, or by the beneficial properties for the human health. Two novel methodologies for quantification of C13 norisoprenoids in wines were developed. The first methodology, a rapid method, was based on the headspace solid-phase microextraction combined with gas chromatography-quadrupole mass spectrometry operating at selected ion monitoring mode (HS-SPME/GC-qMS-SIM), using GC conditions that allowed obtaining a C13 norisoprenoid volatile signature. It does not require any pre-treatment of the sample, and the C13 norisoprenoid composition of the wine was evaluated based on the chromatographic profile and specific m/z fragments, without complete chromatographic separation of its components. The second methodology, used as reference method, was based on the HS-SPME/GC-qMS-SIM, allowing the GC conditions for an adequate chromatographic resolution of wine components. For quantification purposes, external calibration curves were constructed with β-ionone, with regression coefficient (r2) of 0.9968 (RSD 12.51 %) and 0.9940 (RSD of 1.08 %) for the rapid method and for the reference method, respectively. Low detection limits (1.57 and 1.10 μg L-1) were observed. These methodologies were applied to seventeen white and red table wines. Two vitispirane isomers (158-1529 L-1) and 1,1,6-trimethyl-1,2-dihydronaphthalene (TDN) (6.42-39.45 μg L-1) were quantified. The data obtained for vitispirane isomers and TDN using the two methods were highly correlated (r2 of 0.9756 and 0.9630, respectively). A rapid methodology for the establishment of the varietal volatile profile of Vitis vinifera L. cv. 'Fernão-Pires' (FP) white wines by headspace solid-phase microextraction combined with comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry (HS-SPME/GCxGC-TOFMS) was developed. Monovarietal wines from different harvests, Appellations, and producers were analysed. The study was focused on the volatiles that seem to be significant to the varietal character, such as mono and sesquiterpenic compounds, and C13 norisoprenoids. Two-dimensional chromatographic spaces containing the varietal compounds using the m/z fragments 93, 121, 161, 175 and 204 were established as follows: 1tR = 255-575 s, 2tR = 0,424-1,840 s, for monoterpenoids, 1tR = 555-685 s, 2tR = 0,528-0,856 s, for C13 norisoprenoids, and 1tR = 695-950 s, 2tR = 0,520-0,960 s, for sesquiterpenic compounds. For the three chemical groups under study, from a total of 170 compounds, 45 were determined in all wines, allowing defining the "varietal volatile profile" of FP wine. Among these compounds, 15 were detected for the first time in FP wines. This study proposes a HS-SPME/GCxGC-TOFMS based methodology combined with classification-reference sample to be used for rapid assessment of varietal volatile profile of wines. This approach is very useful to eliminate the majority of the non-terpenic and non-C13 norisoprenic compounds, allowing the definition of a two-dimensional chromatographic space containing these compounds, simplifying the data compared to the original data, and reducing the time of analysis. The presence of sesquiterpenic compounds in Vitis vinifera L. related products, to which are assigned several biological properties, prompted us to investigate the antioxidant, antiproliferative and hepatoprotective activities of some sesquiterpenic compounds. Firstly, the antiradical capacity of trans,trans-farnesol, cis-nerolidol, α-humulene and guaiazulene was evaluated using chemical (DPPH• and hydroxyl radicals) and biological (Caco-2 cells) models. Guaiazulene (IC50= 0.73 mM) was the sesquiterpene with higher scavenger capacity against DPPH•, while trans,trans-farnesol (IC50= 1.81 mM) and cis-nerolidol (IC50= 1.48 mM) were more active towards hydroxyl radicals. All compounds, with the exception of α-humulene, at non-cytotoxic levels (≤ 1 mM), were able to protect Caco-2 cells from oxidative stress induced by tert-butyl hydroperoxide. The activity of the compounds under study was also evaluated as antiproliferative agents. Guaiazulene and cis-nerolidol were able to more effectively arrest the cell cycle in the S-phase than trans,trans-farnesol and α-humulene, being the last almost inactive. The relative hepatoprotection effect of fifteen sesquiterpenic compounds, presenting different chemical structures and commonly found in plants and plant-derived foods and beverages, was assessed. Endogenous lipid peroxidation and induced lipid peroxidation with tert-butyl hydroperoxide were evaluated in liver homogenates from Wistar rats. With the exception of α-humulene, all the sesquiterpenic compounds under study (1 mM) were effective in reducing the malonaldehyde levels in both endogenous and induced lipid peroxidation up to 35% and 70%, respectively. The developed 3D-QSAR models, relating the hepatoprotection activity with molecular properties, showed good fit (R2LOO > 0.819) with good prediction power (Q2 > 0.950 and SDEP < 2%) for both models. A network of effects associated with structural and chemical features of sesquiterpenic compounds such as shape, branching, symmetry, and presence of electronegative fragments, can modulate the hepatoprotective activity observed for these compounds. In conclusion, this study allowed the development of rapid and in-depth methods for the assessment of varietal volatile compounds that might have a positive impact on sensorial and health attributes related to Vitis vinifera L. These approaches can be extended to the analysis of other related food matrices, including grapes and musts, among others. In addition, the results of in vitro assays open a perspective for the promising use of the sesquiterpenic compounds, with similar chemical structures such as those studied in the present work, as antioxidants, hepatoprotective and antiproliferative agents, which meets the current challenges related to diseases of modern civilization.

Optimisation of an aptamer-biosensor to detect C-reactive protein

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2009

Validation of a method for the analysis of volatile organic compounds in water

Dissertação de mestrado, Qualidade em Análises, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Péptidos para a detecção de agregados de alfa-sinucleína

Tese de mestrado, Química Farmacêutica e Terapêutica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2013

Desenvolvimento de uma tecnologia de produção de iogurtes funcionais com leite de cabra contendo fibra Beta vulgaris e frutos de Vaccinium cylindraceum

Dissertação de Mestrado, Tecnologia e Segurança Alimentar, 02 de Junho de 2014, Universidade dos Açores.

Projecto de pré-dimensionamento de uma ETAR em Luanda - Angola

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Hidráulica

Development of a SPME-GC-ECD methodology for selected pesticides in must and wine samples

A method for the determination of some pesticide residues in must and wine samples was developed using solid-phase microextraction (SPME) and gas chromatography – electron capture detection (GC/ECD). The procedure only needs dilution as sample pre-treatment and is therefore simple, fast and solvent-free. Eight fungicides (vinclozolin, procymidone, iprodione, penconazole, fenarimol, folpet, nuarimol and hexaconazole), one insecticide (chlorpyriphos) and two acaricides (bromopropylate and tetradifon) can be quantified. Good linearity was observed for all the compounds in the range 5–100 µg/L. The reproducibility of the measurements was found acceptable (with RSD’s below 20%). Detection limits of 11 µg/L, on average, are sufficiently below the proposed maximum residue limits (MRL’s) for these compounds in wine. The analytical method was applied to the determination of these compounds in Portuguese must and wine samples from the Demarcated Region of Alentejo, where any residues could be detected.

Simulação de processos de adsorção recorrendo ao Aspen Chromatography

As operações de separação por adsorção têm vindo a ganhar importância nos últimos anos, especialmente com o desenvolvimento de técnicas de simulação de leitos móveis em colunas, tal como a cromatografia de Leito Móvel Simulado (Simulated Moving Bed, SMB). Esta tecnologia foi desenvolvida no início dos anos 60 como método alternativo ao processo de Leito Móvel Verdadeiro (True Moving Bed, TMB), de modo a resolver vários dos problemas associados ao movimento da fase sólida, usuais nestes métodos de separação cromatográficos de contracorrente. A tecnologia de SMB tem sido amplamente utilizada em escala industrial principalmente nas indústrias petroquímica e de transformação de açúcares e, mais recentemente, na indústria farmacêutica e de química fina. Nas últimas décadas, o crescente interesse na tecnologia de SMB, fruto do alto rendimento e eficiente consumo de solvente, levou à formulação de diferentes modos de operação, ditos não convencionais, que conseguem unidades mais flexíveis, capazes de aumentar o desempenho de separação e alargar ainda mais a gama de aplicação da tecnologia. Um dos exemplos mais estudados e implementados é o caso do processo Varicol, no qual se procede a um movimento assíncrono de portas. Neste âmbito, o presente trabalho foca-se na simulação, análise e avaliação da tecnologia de SMB para dois casos de separação distintos: a separação de uma mistura de frutose-glucose e a separação de uma mistura racémica de pindolol. Para ambos os casos foram considerados e comparados dois modos de operação da unidade de SMB: o modo convencional e o modo Varicol. Desta forma, foi realizada a implementação e simulação de ambos os casos de separação no simulador de processos Aspen Chromatography, mediante a utilização de duas unidades de SMB distintas (SMB convencional e SMB Varicol). Para a separação da mistura frutose-glucose, no quediz respeito à modelização da unidade de SMB convencional, foram utilizadas duas abordagens: a de um leito móvel verdadeiro (modelo TMB) e a de um leito móvel simulado real (modelo SMB). Para a separação da mistura racémica de pindolol foi considerada apenas a modelização pelo modelo SMB. No caso da separação da mistura frutose-glucose, procedeu-se ainda à otimização de ambas as unidades de SMB convencional e Varicol, com o intuito do aumento das suas produtividades. A otimização foi realizada mediante a aplicação de um procedimento de planeamento experimental, onde as experiências foram planeadas, conduzidas e posteriormente analisadas através da análise de variância (ANOVA). A análise estatística permitiu selecionar os níveis dos fatores de controlo de modo a obter melhores resultados para ambas as unidades de SMB.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química