Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Études in vivo et in vitro sur le potentiel néphroprotecteur de plantes médicinales anti-diabétiques de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie-James

Notre équipe a identifié le thé Labrador [Rhododendron groenlandicum L. (Ericaceae)] comme une plante potentiellement antidiabétique de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale. Dans la présente étude, nous avons évalué les effets néphroprotecteurs potentiels de la plante. De la microalbuminurie et de la fibrose rénale ont été développées chez des souris alimentées avec une diète grasse (DG). Le R. groenlandicum améliore d’une façon non-significative la microalbuminurie, avec des valeurs de l’aire sous la courbe (ACR) diminuant de 0.69 à 0.53. La valeur de la fibrose rénale qui était, à l’origine, de 4.85 unités arbitraires (UA) dans des souris alimentées à la DG, a chuté à 3.27 UA après avoir reçu un traitement de R. groenlandicum. Le R. groenlandicum a réduit la stéatose rénale de presque la moitié alors que l’expression du facteur de modification Bcl-2 (Bmf) a chuté de 13.96 UA à 9.43 UA. Dans leur ensemble les résultats suggèrent que le traitement avec R. groenlandicum peut améliorer la fonction rénale altérée par DG. Dans l’étude subséquente, notre équipe a identifié 17 espèces de la forêt boréale, de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale, qui ont présenté des activités biologiques prometteuses in vitro et in vivo dans le contexte du DT2. Nous avons maintenant examiné ces 17 extraits afin d’identifier lesquels possèdent un potentiel cytoprotecteur rénale en utilisant des cellules Madin Darby Canine Kidney (MDCK) mises à l’épreuve dans un médium hypertonique. Nous concluons que plusieurs plantes antidiabétiques Cris exercent une activité de protection rénale qui pourrait être pertinente dans le contexte de la néphropathie diabétique (ND) qui affecte une proportion importante des Cris. La G. hispidula et la A. balsamea sont parmi les plantes les plus puissantes dans ce contexte et elles semblent protectrices principalement en inhibant la caspase 9 dans la voie de signalisation apoptotique mitochondriale. Finalement, nous avons utilisé une approche de fractionnement guidée par un test biologique pour identifier les fractions actives et les composés de A. balsamea avec un potentiel de protection rénale in vitro dans des cellules MDCK mises au défi avec un médium hypertonique. La fraction d’hexane (Hex) possède le potentiel le plus élevé parmi toutes les fractions de solvant contre les dommages cellulaires induits par le stress hypertonique. Dans des études précédentes, trois composés purs ont été identifiés à partir de la fraction Hex, à savoir, l’acide abiétique, l’acide déhydroabiétique et le squalène. L’acide abiétique se distinguait par son effet puissant dans le maintien de la viabilité des cellules MDCK (AnnV-/PI-) à un niveau relativement élevé (augmentation de 25.48% relative au stress hypertonique, P<0.0001), ainsi qu’une réduction significative (diminution de 20.20% par rapport au stress hypertonique, P<0.0001) de l’apoptose de stade précoce (AnnV+/PI-). L’acide abiétique peut donc servir à normaliser les préparations traditionnelles d’A. balsamea et à trouver des applications potentielles dans le traitement de la néphropathie diabétique. Les trois études ont été intrinsèquement liées les unes aux autres, par conséquent, nous avons réussi à identifier R. groenlandicum ainsi que A. balsamea comme nouvelles plantes prometteuses contre la néphropathie diabétique. Nous croyons que ces résultats profiteront à la communauté crie pour la gestion des complications diabétiques, en particulier la néphropathie diabétique. En parallèle, nos données pourraient faire avancer l'essai clinique de certaines plantes médicinales de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James orientale du Canada.

In-vitro Clot Formation and Failure

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Les plasmocytes et leur niche: Étude de la génération de plasmocytes humains in vitro

Chez l’humain, les lymphocytes B mémoires IgG+ et IgA+ sont des cellules clés de l’immunité humorale. Ces cellules mémoires sont maintenues à long-terme dans notre organisme. Elles représentent une défense rapide et efficace contre toutes les infections que nous avons déjà vaincues pendant notre vie. Ces cellules mémoires qui rencontrent à nouveau leur antigène se différencient rapidement en plasmocytes à courte vie, et permettent la sécrétion massive d’immunoglobuline (Ig). La contrepartie mémoire de ces cellules sont les plasmocytes à longue vie qui sont présents dans les niches de la moelle osseuse et y sécrètent en permanence des anticorps protecteurs qui circulent dans le sang. Ces cellules sécrétrices peuvent avoir une durée de vie allant de dizaines d’années à la vie entière de l’individu. Les patients qui reçoivent des traitements de chimiothérapie ou de radiothérapie sont privés de ces cellules mémoires détruites par ces traitements au même titre que les cellules cancéreuses. Ces patients deviennent vulnérables aux infections et leur survie dépend de la régénération rapide de leur système hématopoïétique. Notre équipe a déjà mis au point une méthode pour préparer de grandes quantités des cellules mémoires capables de sécréter des IgG et des IgA. Les présents travaux visent à générer des plasmocytes fonctionnels et capables de survivre à long terme in vitro. La stratégie expérimentale visait à établir des conditions permettant de se rapprocher de l’environnement de la moelle osseuse. Dans un premier temps, nous avons étudié les paramètres permettant la différenciation des lymphocytes B mémoires en plasmocytes. Étant donné l’importance du potentiel redox dans l’environnement de la moelle osseuse, nous avons d’abord tenté d’en contrôler l’impact avec un antioxydant, le N-acétyle cystéine (NAC). Nos résultats ont démontré que le NAC avait un effet significatif et diminuait la phosphorylation de la protéine STAT3 en raison d’une inhibition des kinases JAK2 et JAK3. Étonnamment, cet antioxydant retardait la différenciation de nos lymphocytes B qui étaient stimulés avec une forte interaction CD40-CD154. Par la suite, la comparaison des interactions CD40-CD154 et CD27-CD70 a permis de conclure qu’il était essentiel de réduire à son minimum l’interaction CD40-CD154 et qu’il fallait ajouter les cytokines IL-6 et IL-10. Les cellules CD31+CD38+CD138+ générées présentaient un phénotype similaire à celui des plasmocytes de la moelle osseuse. Malheureusement la fréquence de ces cellules était faible et leur viabilité insuffisante. Afin d’augmenter la survie de ces cellules le dernier volet de nos travaux visait à se rapprocher des niches de la moelle osseuse. Notre but a été atteint en ajoutant des cellules mésenchymateuses issues de la moelle osseuse en présence de 8% de dioxygène (O2). Les cellules CD31+CD38+CD138+ générées ont une excellente viabilité et représentent plus de 50% des cellules totales en culture. De plus, le modèle de culture est maintenant établi dans un milieu exempt de sérum et de protéines animales. Dans l’ensemble, nos résultats permettent de proposer la production ex vivo de plasmocytes autologues avec une perspective thérapeutique pour réduire les risques d’infections des patients devenues immunodéficients, suite à un traitement de radiothérapie ou de chimiothérapie.

Paracrine effects of oocyte secreted factors and stem cell factor on porcine granulosa and theca cells in vitro

Oocyte control of granulosa and theca cell function may be mediated by several growth factors via a local feedback loop(s) between these cell types. This study examined both the role of oocyte-secreted factors on granulosa and thecal cells, cultured independently and in co-culture, and the effect of stem cell factor (SCF); a granulosa cell derived peptide that appears to have multiple roles in follicle development. Granulosa and theca cells were isolated from 2-6 mm healthy follicles of mature porcine ovaries and cultured under serum-free conditions, supplemented with: 100 ng/ml LR3 IGF-1, 10 ng/ml insulin, 100 ng/ml testosterone, 0-10 ng/ml SCF, 1 ng/ml FSH (granulosa), 0.01 ng/ml LH (theca) or 1 ng/ml FSH and 0.01 ng/ml LH (co-culture) and with/without oocyte conditioned medium (OCM) or 5 oocytes. Cells were cultured in 96 well plates for 144 h, after which viable cell numbers were determined. Medium was replaced every 48 h and spent medium analysed for steroids.Oocyte secreted factors were shown to stimulate both granulosa cell proliferation (P < 0.001) and oestradiol production (P < 0.001) by granulosa cells throughout culture. In contrast, oocyte secreted factors suppressed granulosa cell progesterone production after both 48 and 144 hours (P < 0.001). Thecal cell numbers were increased by oocyte secreted factors (P = 0.02), together with a suppression in progesterone and androstenedione synthesis after 48 hours (P < 0.001) and after 144 hours (P = 0.02), respectively. Oocyte secreted factors also increased viable cell numbers (P < 0.001) in co-cultures together with suppression of progesterone (P < 0.001) and oestradiol (P < 0.001). In granulosa cell only cultures, SCF increased progesterone production in a dose dependent manner (P < 0.001), whereas progesterone synthesis by theca cells was reduced in a dose dependent manner (P = 0.002). Co-cultured cells demonstrated an increase in progesterone production with increasing SCF dose (P < 0.001) and an increase in oestradiol synthesis at the highest dose of SCF (100 ng/ml). In summary, these findings demonstrate the presence of a co-ordinated paracrine interaction between somatic cells and germ cells, whereby oocyte derived signals interact locally to mediate granulosa and theca cell function. SCF has a role in modulating this local interaction. In conclusion, the oocyte is an effective modulator of granulosa-theca interactions, one role being the inhibition of luteinization

Generation and Characterisation of a Canine EGFP-HMGA2 Prostate Cancer In Vitro Model

The architectural transcription factor HMGA2 is abundantly expressed during embryonic development. In several malignant neoplasias including prostate cancer, high re-expression of HMGA2 is correlated with malignancy and poor prognosis. The let-7 miRNA family is described to regulate HMGA2 negatively. The balance of let-7 and HMGA2 is discussed to play a major role in tumour aetiology. To further analyse the role of HMGA2 in prostate cancer a stable and highly reproducible in vitro model system is precondition. Herein we established a canine CT1258-EGFP-HMGA2 prostate cancer cell line stably overexpressing HMGA2 linked to EGFP and in addition the reference cell line CT1258-EGFP expressing solely EGFP to exclude EGFP-induced effects. Both recombinant cell lines were characterised by fluorescence microscopy, flow cytometry and immunocytochemistry. The proliferative effect of ectopically overexpressed HMGA2 was determined via BrdU assays. Comparative karyotyping of the derived and the initial CT1258 cell lines was performed to analyse chromosome consistency. The impact of the ectopic HMGA2 expression on its regulator let-7a was analysed by quantitative real-time PCR. Fluorescence microscopy and immunocytochemistry detected successful expression of the EGFP-HMGA2 fusion protein exclusively accumulating in the nucleus. Gene expression analyses confirmed HMGA2 overexpression in CT1258-EGFP-HMGA2 in comparison to CT1258-EGFP and native cells. Significantly higher let-7a expression levels were found in CT1258-EGFP-HMGA2 and CT1258-EGFP. The BrdU assays detected an increased proliferation of CT1258-HMGA2-EGFP cells compared to CT1258-EGFP and native CT1258. The cytogenetic analyses of CT1258-EGFP and CT1258-EGFP-HMGA2 resulted in a comparable hyperdiploid karyotype as described for native CT1258 cells. To further investigate the impact of recombinant overexpressed HMGA2 on CT1258 cells, other selected targets described to underlie HMGA2 regulation were screened in addition. The new fluorescent CT1258-EGFP-HMGA2 cell line is a stable tool enabling in vitro and in vivo analyses of the HMGA2-mediated effects on cells and the development and pathogenesis of prostate cancer.

Caraterização in vitro dos efeitos tóxicos da patulina na integridade do epitélio intestinal e potenciais efeitos protetores da cisteína

A mucosa intestinal é a primeira barreira biológica encontrada pelas micotoxinas presentes nos alimentos, sendo a patulina, uma micotoxina produzida por fungos do género Penicillium spp., uma preocupação particular atendendo a que a exposição humana a esta micotoxina pode conduzir a efeitos imunológicos, neurológicos e gastrointestinais. Considerando estes efeitos para a saúde, o presente estudo tem como objetivos a avaliação do efeito tóxico da exposição intestinal a patulina, bem como a determinação do potencial efeito protetor da coadministração de patulina e cisteína na membrana intestinal, utilizando para o efeito células Caco-2. A integridade da membrana intestinal foi determinada pela medição da resistência elétrica transepitelial (TEER). Os resultados evidenciaram um decréscimo acentuado nos valores de TEER após 24 horas de exposição celular a 95 μM de patulina. Para as concentrações mais reduzidas verificou-se uma redução máxima inferior a 25% após 24 horas de exposição. A coadministração de patulina (95 μM) e cisteína (40 μM) revelou um decréscimo nos valores de TEER. O tratamento com cisteína em concentrações superiores ( 400 μM) revelou efeito protetor da membrana intestinal, tendo em conta os valores de TEER. Estes resultados contribuem para uma avaliação do risco mais precisa associada à exposição a contaminantes alimentares.

Caracterização in vitro de um dosímetro de fibra ótica para braquiterapia de HDR

Recentemente foi desenvolvido um dosímetro baseado em fibras cintilantes (BCF-12 da companhia Saint Gobain Crystals com 1 e 0,5 mm de diâmetro e 5 mm de comprimento) para braquiterapia de baixa taxa de dose, em particular a braquiterapia direcionada para o tratamento do cancro da próstata. Este utiliza um novo fotomultiplicador de estado sólido dado pelo nome de MPPC - MultiPixel Photon Counter da companhia Hamamatsu Photonics (Japão). Nesta dissertação é estudado o mesmo dosímetro para a modalidade de braquiterapia de elevada taxa de dose (HDR). A informação sobre a dose neste tipo de dosímetros é obtida a partir de sinais óticos (em vez de sinais elétricos), que são imunes a interferências elétricas e eletromagnéticas. Adicionalmente as pequenas dimensões das fibras oferecem uma excelente resolução espacial e uma invasão mínima para uso em dosimetria in vivo, permitindo medir a dose diretamente ou próximo ao tumor e em tempo real. A sua utilização em braquiterapia para o cancro da próstata constitui-se assim como uma vantagem, uma vez que as fibras podem ser inseridas diretamente nos aplicadores utilizados neste tipo de tratamentos. Apesar de tudo, este tipo de dosímetros possui algumas desvantagens, como por exemplo a luz de Cherenkov e a fluorescência (forma de ruído dada pelo nome de stem effect) que, e a contrário da luz produzida pela fibra cintilante, não são diretamente proporcionais à energia depositada. Contudo, e para energias praticadas em braquiterapia de HDR, nesta dissertação, mostrou-se que este problema é pouco significativo dado que a percentagem de contribuição destes efeitos para o sinal medido é menor que 1% (ou 5% para distâncias menores que 25 mm). Ao longo desta dissertação é feita a caraterização do dosímetro (em modo corrente e impulso) e das suas várias partes em ambiente de laboratório e clínico. Nestes estudos o dosímetro, além de exibir uma boa reprodutibilidade (variação máxima de 3% entre medidas), mostrou uma alta linearidade para uma ampla gama de doses, assim como uma sensibilidade (µGy) semelhante à de uma câmara de ionização, tornando-o adequado para braquiterapia de HDR (tratamento que envolve altos gradientes de dose). Complementarmente, a sua grande versatilidade e simples utilização possibilita a sua aplicação prática em outras modalidades radioterapêuticas.

Characterization of in vitro effects of patulin on intestinal epithelial and immune cells

The intestinal mucosa is the first biological barrier encountered by natural toxins, and could possibly be exposed to high amounts of dietary mycotoxins. Patulin (PAT), a mycotoxin produced by Penicillium spp. during fruit spoilage, is one of the best known enteropathogenic mycotoxins able to alter functions of the intestine (Maresca et al., 2008). This study evaluated the effects of PAT on barrier function of the gut mucosa utilizing the intestinal epithelial cell model Caco-2, and scrutinized immunomodulatory effects using human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and human blood monocyte-derived dendritic cells (moDCs) as test systems. PAT exposure reduced Caco-2 cell viability at concentrations above 12 mM. As expected, the integrity of a polarized Caco-2 monolayer was affected by PAT exposure, as demonstrated by a decrease in TER values, becoming more pronounced at 50 mM. No effects were detected on the expression levels of the tight junction proteins occludin, claudin-1 and claudin-3 at 50 mM. However, the expression of zonula occludens-1 (ZO-1) and myosin light chain 2 (MLC2) declined. Also, levels of phospho-MLC2 (p-MLC2) increased after 24 h of exposure to 50 mM of PAT. T cell proliferation was highly sensitive to PAT with major effects for concentrations above 10 nM of PAT. The same conditions did not affect the maturation of moDC. PAT causes a reduction in Caco-2 barrier function mainly by perturbation of ZO-1 levels and the phosphorylation of MLC. Low doses of PAT strongly inhibited T cell proliferation induced by a polyclonal activator, but had no effect on the maturation of moDC. These results provide new information that strengthens the concept that the epithelium and immune cells of the intestinal mucosa are important targets for the toxic effects of food contaminants like mycotoxins

MULTIPLICAÇÃO E ALONGAMENTO IN VITRO DE CLONES HÍBRIDOS DE Eucalyptus globulus

Os híbridos de Eucalyptus globulus representam uma excelente alternativa para o setor de celulose e papel, em razão dos ganhos em qualidade da madeira para a fabricação de celulose. Entretanto, estes híbridos têm apresentado recalcitrância ao enraizamento adventício. Assim, a micropropagação é apontada como a técnica para o rejuvenescimento desses híbridos adultos, viabilizando a propagação clonal dos mesmos. O presente trabalho avaliou o cultivo in vitro de três clones de Eucalyptus grandis x Eucalyptus globulus e de três clones de Eucalyptus urophylla x Eucalyptus globulus, em relação à multiplicação in vitro, no meio MS suplementado com 0,5 mg L-1 de BAP e 0,01 mg L-1 de ANA, bem como o efeito das concentrações de 0,25; 0,50; 0,75 e 1,0 mg L-1 de AIB e dos meios de cultura MS e JADS no alongamento in vitro das brotações. Os clones diferiram quanto à multiplicação in vitro das brotações e apresentaram uma taxa de multiplicação média dos clones de 3,0 tufos de brotações em cada subcultivo, ao longo dos 25 subcultivos realizados. No alongamento in vitro, os clones diferiram quanto às concentrações de AIB adequadas para provocar o alongamento, bem como em relação aos meios de cultura MS e JADS. O intervalo médio entre 0,40 e 0,80 mg L-1 de AIB proporcionou o maior número e comprimento das brotações alongadas in vitro e com maior vigor.

In vivo and in vitro disappearance of energy and nutrients in novel carbohydrates and cereal grains by pigs

In vivo and in vitro experiments were conducted to determine digestibility of GE and nutrients, as well as DE and ME of carbohydrates fed to growing pigs. The objective of Exp. 1 was to determine the DE and ME of 4 novel carbohydrates fed to pigs. The 4 novel carbohydrates were 2 sources of resistant starch (RS 60 and RS 70), soluble corn fiber (SCF), and pullulan. These carbohydrates were produced to increase total dietary fiber (TDF) intake by humans. Maltodextrin (MD) was used as a highly digestible control carbohydrate. The DE and ME for RS 60 (1,779 and 1,903 kcal/kg, respectively), RS 75(1,784 and 1,677 kcal/kg, respectively), and SCF (1,936 and 1,712 kcal/kg, respectively) were less (P < 0.05) than for MD (3,465 and 3,344 kcal/kg, respectively) and pullulan (2,755 and 2,766 kcal/kg, respectively), and pullulan contained less (P < 0.05) DE and ME than MD. However, there was no difference in the DE and ME for RS 60, RS 75, and SCF. The varying degrees of small intestinal digestibility and differences in fermentability among these novel carbohydrates may explain the differences in the DE and ME among carbohydrates. Therefore, the objectives of Exp. 2 were to determine the effect of these 4 novel carbohydrates and cellulose on apparent ileal (AID) and apparent total tract (ATTD) disappearance, and hindgut disappearance (HGD) of GE, TDF, and nutrients when added to diets fed to ileal-cannulated pigs. The second objective was to measure the endogenous flow of TDF to be able to calculate the standardized ileal disappearance (SID) and standardized total tract (STTD) disappearance of TDF in the 4 novel fibers fed to pigs. Results of the experiment indicated that the AID of GE and DM in diets containing cellulose or the novel fibers was less (P < 0.05) than of the maltodextrin diet, but the ATTD of GE and DM was not different among diets. The addition of RS 60, RS 75, and SCF did not affect the AID of acid hydrolysed ether extract (AEE), CP, or ash, but the addition of cellulose and pullulan reduced (P < 0.01) the AID of CP. The average ileal and total tract endogenous losses of TDF were calculated to be 25.25 and 42.87 g/kg DMI, respectively. The SID of TDF in diets containing RS 60, SCF, and pullulan were greater (P < 0.01) than the SID of TDF in the cellulose diet, but the STTD of the SCF diet was greater (P < 0.05) than for the cellulose and pullulan diets. Results of this experiment indicate that the presence of TDF reduces small intestinal disappearance of total carbohydrates and energy which may reduce the DE and ME of diets and ingredients. Therefore, the objective of Exp. 3 was to determine the DE and ME in yellow dent corn, Nutridense corn, dehulled barley, dehulled oats, polished rice, rye, sorghum, and wheat fed to growing pigs and to determine the AID and ATTD of GE, OM, CP, AEE, starch, total carbohydrates, and TDF in these cereal grains fed to pigs. Results indicated that the AID of GE, OM, and total carbohydrates was greater (P < 0.001) in rice than in all other cereal grains. The AID of starch was also greater (P < 0.001) in rice than in yellow dent corn, dehulled barley, rye, and wheat. The ATTD of GE was greater (P < 0.001) in rice than in yellow dent corn, rye, sorghum, and wheat. With a few exceptions, the AID and ATTD of GE and nutrients in Nutridense corn was not different from the values for dehulled oats. Likewise, with a few exceptions, the AID, ATTD, and HGD of GE, OM, total carbohydrates, and TDF in yellow corn, sorghum, and wheat were not different from each other. The AID of GE and AEE in dehulled barley was greater (P < 0.001) than in rye. The ATTD of GE and most nutrients was greater (P < 0.001) in dehulled barley than in rye. Dehulled oats had the greatest (P < 0.001) ME (kcal/kg DM) whereas rye had the least ME (kcal/kg DM) among the cereal grains. Results of the experiment indicate that the presence of TDF and RS may reduce small intestinal digestibility of starch in cereal grains resulting in reduced DE and ME in these grains. Digestibility experiments involving animals are time consuming and expensive. Therefore, the objective of Exp. 4 was to correlate DM and OM digestibility obtained from 3 in vitro procedures with ATTD of GE and with the concentration of DE in 50 corn samples that were fed to growing pigs. The second objective was to develop a regression model that can predict the ATTD of GE or the concentration of DE in corn. The third objective was to evaluate the suitability of using the DaisyII incubator as an alternative to the traditional water bath when determining in vitro DM and OM digestibility. Results indicated that corn samples incubated with Viscozyme for 48 h in the DaisyII incubator improved (P < 0.001) the ability of the procedure to detect small differences in the ATTD of GE or to detect small differences in the concentration of DE in corn. Likewise, compared with using cellulase or fecal inoculum, the variability in the ATTD of GE and the variability in the DE in corn was better (R2 = 0.56; P < 0.05 and R2 = 0.53; P < 0.06, respectively) explained if Viscozyme was used than if cellulase or fecal inoculum was used. A validated regression model that predicted the DE in corn was developed using Viscozyme and with the corn samples incubated in the DaisyII incubator for a 48 h. In conclusion, this present work used the pig as a model for human gastrointestinal function and evaluates carbohydrates from 2 different nutritional perspectives – humans and animals. The addition of novel carbohydrates reduced the digestibility of energy in the diets without necessarily reducing the digestibility of other nutrients. Thus, supplementation of novel carbohydrates in the diets may be beneficial for the management of diabetes. Aside from diabetic management, cereal grains such as rye and sorghum, may also help in BW management because of there low caloric value, but for undernourished individuals, dehulled oats, dehulled barley, and rice are the ideal grains. From an animal nutrition standpoint, high concentration of dietary fiber is undesirable because it reduces feed efficiency. Therefore, the inclusion of feed ingredients that have a high concentration of dietary fiber is often limited in animal diets. Although in vivo determination is ideal, in vitro procedures are useful tools to determine caloric value of food and feed ingredients.

Análise toxicológica in vitro e in vivo de uma fucana antitrombótica da alga marrom Spatoglossum schdöederi

Fucan is a term used to denominate a family of sulfated polysaccharides rich in L-fucose. They are extracted mainly from the extracellular matrix of brown algae and echinoderms. The brown alga Spatoglossum schröederi (Dictyotaceae) has three heterofucans named A, B and C. Our research group have been extracted non anticoagulant heterofucan from S. schröederi which possess antithrombotic activity in vivo. However, their toxicity in vitro and in vivo has not yet been determined. For the results in toxicity in vitro, we observed that the fucan A at 20, 500 and 1000 μg/plate showed no mutagenic activity in Kado test (Microsuspension), when the bacterial strains TA97a, TA98, TA100 and TA102, with and without S9 were used. The comet assay showed that fucan A (from 20 to 1000 μg/mL) did not cause any genotoxic effect on CHO cells. There was no damage to the DNA of these cells, as evidenced by the tail length and tail moment, which were similar to that found for the negative control. The fucan A from S. schröederi was administered at 20 μg/g of rat (dose which it showed high antithrombotic activity) during two months. After that, the animals were killed and examined. The data showed that fucan A did not cause any change in biochemistry and hematological parameters, as well as, in the morphology and size of the rat s organs analyzed. In conclusion, this study indicates that fucan is a compound with potential pharmacological that has no toxicity

Development of novel therapeutics and in vitro models for spinal cord injury

Spinal cord injury (SCI) is a devastating condition, which results from trauma to the cord, resulting in a primary injury response which leads to a secondary injury cascade, causing damage to both glial and neuronal cells. Following trauma, the central nervous system (CNS) fails to regenerate due to a plethora of both intrinsic and extrinsic factors. Unfortunately, these events lead to loss of both motor and sensory function and lifelong disability and care for sufferers of SCI. There have been tremendous advancements made in our understanding of the mechanisms behind axonal regeneration and remyelination of the damaged cord. These have provided many promising therapeutic targets. However, very few have made it to clinical application, which could potentially be due to inadequate understanding of compound mechanism of action and reliance on poor SCI models. This thesis describes the use of an established neural cell co-culture model of SCI as a medium throughput screen for compounds with potential therapeutic properties. A number of compounds were screened which resulted in a family of compounds, modified heparins, being taken forward for more intense investigation. Modified heparins (mHeps) are made up of the core heparin disaccharide unit with variable sulphation groups on the iduronic acid and glucosamine residues; 2-O-sulphate (C2), 6-O-sulphate (C6) and N-sulphate (N). 2-O-sulphated (mHep6) and N-sulphated (mHep7) heparin isomers were shown to promote both neurite outgrowth and myelination in the SCI model. It was found that both mHeps decreased oligodendrocyte precursor cell (OPC) proliferation and increased oligodendrocyte (OL) number adjacent to the lesion. However, there is a difference in the direct effects on the OL from each of the mHeps; mHep6 increased myelin internode length and mHep7 increased the overall cell size. It was further elucidated that these isoforms interact with and mediate both Wnt and FGF signalling. In OPC monoculture experiments FGF2 treated OPCs displayed increased proliferation but this effect was removed when co-treated with the mHeps. Therefore, suggesting that the mHeps interact with the ligand and inhibit FGF2 signalling. Additionally, it was shown that both mHeps could be partially mediating their effects through the Wnt pathway. mHep effects on both myelination and neurite outgrowth were removed when co-treated with a Wnt signalling inhibitor, suggesting cell signalling mediation by ligand immobilisation and signalling activation as a mechanistic action for the mHeps. However, the initial methods employed in this thesis were not sufficient to provide a more detailed study into the effects the mHeps have on neurite outgrowth. This led to the design and development of a novel microfluidic device (MFD), which provides a platform to study of axonal injury. This novel device is a three chamber device with two chambers converging onto a central open access chamber. This design allows axons from two points of origin to enter a chamber which can be subjected to injury, thus providing a platform in which targeted axonal injury and the regenerative capacity of a compound study can be performed. In conclusion, this thesis contributes to and advances the study of SCI in two ways; 1) identification and investigation of a novel set of compounds with potential therapeutic potential i.e. desulphated modified heparins. These compounds have multiple therapeutic properties and could revolutionise both the understanding of the basic pathological mechanisms underlying SCI but also be a powered therapeutic option. 2) Development of a novel microfluidic device to study in greater detail axonal biology, specifically, targeted axonal injury and treatment, providing a more representative model of SCI than standard in vitro models. Therefore, the MFD could lead to advancements and the identification of factors and compounds relating to axonal regeneration.

Nanotubos de carbono de parede simples funcionalizados com polietilenoglicol: avaliação de parâmetros in vivo e in vitro

Os nanomateriais apresentam uma escala na qual ao menos uma das dimensões varia entre 1 e 100 nm e possuem propriedades químicas, físicas ou biológicas dependentes da nanoestrutura e que lhes confere características funcionais de interesse para fins comerciais ou aplicações na área médica. Dentre os nanomateriais mais estudados e utilizados, destacam-se os de carbono, que incluem os fulerenos e os nanotubos de carbono (NT). Uma potencial utilização dos nanomateriais de carbono é na área biomédica, já que estes podem interagir com os sistemas biológicos em nível molecular e supramolecular com alto grau de especificidade. Em contrapartida, é importante considerar que os nanotubos de carbono podem exercer efeitos tóxicos, tendo como possível mecanismo o estresse oxidativo. Sendo assim, o objetivo desse trabalho foi investigar a ação dos nanotubos de carbono de parede única funcionalizados com polietilenoglicol (SWNT-PEG) em Danio rerio “zebrafish” (Teleostei, Cyprinidae). Avaliaram-se parâmetros bioquímicos, histológicos, comportamentais e de biodistribuição para entender como esse material se comporta in vitro e in vivo. Foi observado que o tipo de funcionalização é determinante para a ação desse material em meio biológico. No experimento in vitro o SWNT-PEG não mostrou efeito pró-oxidante nas avaliações de peroxidação lipídica, capacidade antioxidante total, conteúdo de GSH e atividade de GCL. Na exposição intraperitoneal em zebrafish constatou-se a agregação e geração de processo inflamatório, o que sugere que a cadeia de PEG utilizada para a funcionalização dos NT possui um tamanho inadequado e/ou uma funcionalização ineficiente para manter a estabilidade do material em meio biológico e evitar uma resposta inflamatória por parte do organismo exposto. Possivelmente devido a esta característica do nanomaterial, nas análises de biodistribuição, através de espectroscopia Raman, não se observou distribuição de SWNT-PEG no sistema nervoso central de zebrafish. No entanto, através da análise histológica foi observado processo inflamatório no tecido nervoso central, bem como alterações comportamentais avaliadas na tarefa de campo aberto.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.