Inverse Metabolic Engineering of Synechocystis PCC 6803 for Improved Growth Rate and Poly-3-hydroxybutyrate Production

Synechocystis PCC 6803 is a photosynthetic bacterium that has the potential to make bioproducts from carbon dioxide and light. Biochemical production from photosynthetic organisms is attractive because it replaces the typical bioprocessing steps of crop growth, milling, and fermentation, with a one-step photosynthetic process. However, low yields and slow growth rates limit the economic potential of such endeavors. Rational metabolic engineering methods are hindered by limited cellular knowledge and inadequate models of Synechocystis. Instead, inverse metabolic engineering, a scheme based on combinatorial gene searches which does not require detailed cellular models, but can exploit sequence data and existing molecular biological techniques, was used to find genes that (1) improve the production of the biopolymer poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and (2) increase the growth rate. A fluorescence activated cell sorting assay was developed to screen for high PHB producing clones. Separately, serial sub-culturing was used to select clones that improve growth rate. Novel gene knock-outs were identified that increase PHB production and others that increase the specific growth rate. These improvements make this system more attractive for industrial use and demonstrate the power of inverse metabolic engineering to identify novel phenotype-associated genes in poorly understood systems.

Responsive Azobenzene-Containing Polymers and Gels

The photoviscosity effect in aqueous solutions of novel poly(4-methacryloyloxyazobenzene-co-N,N-dimethyl acrylamide) (MOAB-DMA) was demonstrated. The observed significant reduction in the zero-shear viscosity upon UV-irradiation of MOAB-DMA aqueous solutions was due to the dissociation of the interchain azobenzene aggregates. Such phenomena can be advantageously used in photoswitchable fluidic devices and in protein separation. Introduction of enzymatically degradable azo cross-links into Pluronic-PAA microgels allowed for control of swelling due to degradation of the cross-links by azoreductases from the rat intestinal cecum. Dynamic changes in the cross-link density of stimuli-responsive microgels enable novel opportunities for the control of gel swelling, of importance for drug delivery and microgel sensoric applications.

Self-Assembly of Stimuli-Responsive Water-Soluble [60]Fullerene End-Capped Ampholytic Block Copolymer

Well-defined, water-soluble, pH and temperature stimuli-responsive [60]fullerene (C₆₀) containing ampholytic block copolymer of poly((methacrylic acid)-block-(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate))-block–C₆₀ (P(MAA-b-DMAEMA)-b-C₆₀) was synthesized by the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The self-assembly behaviour of the C₆₀ containing polyampholyte in aqueous solution was characterized by dynamic light scattering (DLS), and transmission electron microscopy. This amphiphilic mono-C₆₀ end-capped block copolymer shows enhanced solubility in aqueous medium at room and elevated temperatures and at low and high pH but phase-separates at intermediate pH of between 5.4 and 8.8. The self assembly of the copolymer is different from that of P(MAA-b-DMAEMA). Examination of the association behavior using DLS revealed the co-existence of unimers and aggregates at low pH at all temperatures studied, with the association being driven by the balance of hydrophobic and electrostatic interactions. Unimers and aggregates of different microstructures are also observed at high pH and at temperatures below the lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA. At high pH and at temperatures above the LCST of PDMAEMA, the formation of micelles and aggregates co-existing in solution is driven by the combination of hydrophobic, electrostatic, and charge-transfer interactions.

Stimuli-responsive Novel Amphiphilic Polymers for Chemical and Biomedical Applications

Amphiphilic polymers are a class of polymers that self-assemble into different types of microstructure, depending on the solvent environment and external stimuli. Self assembly structures can exist in many different forms, such as spherical micelles, rod-like micelles, bi-layers, vesicles, bi-continuous structure etc. Most biological systems are basically comprised of many of these organised structures arranged in an intelligent manner, which impart functions and life to the system. We have adopted the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique to synthesize various types of block copolymer systems that self-assemble into different microstructure when subject to an external stimuli, such as pH or temperature. The systems that we have studied are: (1) pH responsive fullerene (C60) containing poly(methacrylic acid) (PMAA-b-C60); (2) pH and temperature responsive fullerene containing poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] (C₆₀-b-PDMAEMA); (3) other responsive water-soluble fullerene systems. By varying temperature, pH and salt concentration, different types microstructure can be produced. In the presence of inorganic salts, fractal patterns at nano- to microscopic dimension were observed for negatively charged PMAA-b-C60, while such structure was not observed for positively charged PDMAEMA-b-C60. We demonstrated that negatively charged fullerene containing polymeric systems can serve as excellent nano-templates for the controlled growth of inorganic crystals at the nano- to micrometer length scale and the possible mechanism was proposed. The physical properties and the characteristics of their self-assembly properties will be discussed, and their implications to chemical and biomedical applications will be highlighted.

Targeted Stimuli-Responsive Dextran Conjugates for Doxorubicin Delivery to Hepatocytes

A targeted, stimuli-responsive, polymeric drug delivery vehicle is being developed in our lab to help alleviate severe side-effects caused by narrow therapeutic window drugs. Targeting specific cell types or organs via proteins, specifically, lectin-mediated targeting holds potential due to the high specificity and affinity of receptor-ligand interactions, rapid internalization, and relative ease of processing. Dextran, a commercially available, biodegradable polymer has been conjugated to doxorubicin and galactosamine to target hepatocytes in a three-step, one-pot synthesis. The loading of doxorubicin and galactose on the conjugates was determined by absorbance at 485 nm and elemental analysis, respectively. Conjugation efficiency based on the amount loaded of each reactant varies from 20% to 50% for doxorubicin and from 2% to 20% for galactosamine. Doxorubicin has also been attached to dextran through an acid-labile hydrazide bond. Doxorubicin acts by intercalating with DNA in the nuclei of cells. The fluorescence of doxorubicin is quenched when it binds to DNA. This allows a fluorescence-based cell-free assay to evaluate the efficacy of the polymer conjugates where we measure the fluorescence of doxorubicin and the conjugates in increasing concentrations of calf thymus DNA. Fluorescence quenching indicates that our conjugates can bind to DNA. The degree of binding increases with polymer molecular weight and substitution of doxorubicin. In cell culture experiments with hepatocytes, the relative uptake of polymer conjugates was evaluated using flow cytometry, and the killing efficiency was determined using the MTT cell proliferation assay. We have found that conjugate uptake is much lower than that of free doxorubicin. Lower uptake of conjugates may increase the maximum dose of drug tolerated by the body. Also, non-galactosylated conjugate uptake is lower than that of the galactosylated conjugate. Microscopy indicates that doxorubicin localizes almost exclusively at the nucleus, whereas the conjugates are present throughout the cell. Doxorubicin linked to dextran through a hydrazide bond was used to achieve improved killing efficiency. Following uptake, the doxorubicin dissociates from the polymer in an endosomal compartment and diffuses to the nucleus. The LC₅₀ of covalently linked doxorubicin is 7.4 μg/mL, whereas that of hydrazide linked doxorubicin is 4.4 μg/mL.

Análisis de la frecuencia cardiaca durante la actividad física libre y controlada en alumnos de Enseñanza Secundaria.

Obtuvo Mención especial Antonio Domínguez Ortiz resuelto por el XVII Concurso para el Fomento de la Investigación e Innovación Educativa

Comparación de dos técnicas anestésicas con la producción de metabolitos de estrés en lactantes llevados a cirugía cardiaca

A través del tiempo las técnicas anestésicas basadas en opioides y especialmente en fentanyl han sido las más frecuentemente utilizadas en cirugía cardiaca pediátrica con circulación extracorpórea (CEC). La población pediátrica y en especial los niños menores de 10 kilos de peso tienen mayor susceptibilidad a las complicaciones postoperatorias, una de las razones para esta especial susceptibilidad es la respuesta al estrés y la reacción inflamatoria sistémica que desencadena la CEC en estos pacientes. La utilización de nuevos opioides (Remifentanil) más potentes, puede tener un impacto importante en la disminución del estrés metabólico desencadenado por la cirugía cardiaca. Mediante un estudio de cohortes realizado con los pacientes menores de 10 kilogramos de peso llevados a cirugía cardiaca con CEC se expusieron a dos diferentes técnicas anestésicas: la técnica “tradicional” basada en Fentanyl y otra basada en Remifentanil, se midieron las covariables que pudieran provocar altos niveles de estrés metabólico y se tomaron niveles basales y postoperatorios de tres metabolitos relacionados con el estrés (Lactato, Glucosa y Cortisol). Los resultados del estudio muestran grupos comparables en las mediciones basales de metabolitos de estrés y características clínicas, además de una relación, estadísticamente significativa, entre una menor producción de glucosa durante la CEC en los pacientes que son anestesiados con infusiones de remifentanil, los demás metabolitos no tuvieron relación con la técnica anestésica. Estos resultados abren caminos para la realización de estudios clínicos con el objetivo de establecer terapéuticas que permitan la disminución de la morbi-mortalidad asociada a cirugía cardiaca.

Dexmedetomidina vs Remifentanil en fast track (transito rápido) durante cirugía cardiaca

Actualmente las técnicas de anestesia de tránsito rápido en cirugía cardiaca se basan en la utilización de remifentanil, sin embargo este al tener una vida media tan corta hace que sea necesaria la utilización de opioides durante el posoperatorio inmediato presentandose el riesgo de depresión ventilatoria, y complicaciones respiratorias, es por esto que la dexmedetomidina podría ser una opción bastante atractiva debida a que no produce depresión de los centros respiratorios, y disminuye el consumo de opioides en el postoperatorio hasta un 66%. Previa aprobación del comité de ética se realizó un estudio clínico controlado y aleatorizado en dos grupos de 20 pacientes, El primer grupo recibió inducción con propofol 2mg/Kg, pancuronio 0.8mg/kg, y fentanil 2mcg/kg seguido de un bolo de dexmedetomidina de 0.5mcg/kg y una infusión de 0.3 - 0.7 mcg/kg/h la cual fue suspendida al finalizar la colocación de los alambres esternales, el grupo de remifentanil recibió una inducción con propofol y pancuronio a las mismas dosis, seguido de una infusión de remifentanil de 0.1 - 0.5 mcg/kg/min suspendida al finalizar el cierre de la piel, ambos grupos recibieron analgesia con dipirona 50mg/kg, morfina 0.1mg/kg seguida de dosis de rescate de 3mg según necesidad, e infiltración de la herida quirurgica con 40cc de Bupivacaina al 0.25%. Se midio el tiempo y lugar de extubación, el consumo de medicamentos vasopresores y vasodilatadores durante la cirugiaasi como el consumo de morfina el VAS y la incidencia de nausea y vomito durante las primeras 24h posoperatorias. El 85% de los pacientes fueron extubados en salas de cirugia, sin encontrarse diferencias estadiscamente significativas entre los tiempos de extubación de ambos grupos (11.7min) para remifentanil, y (9.6min) para dexmedetomidina, en cuanto al consumo de morfina este fue significativamente menor en el grupo de dexmedetomidina 4mg vs 15mg en el grupo de remifentanil así como también lo fue la incidencia de nausea y vomito 42.9% remifentanil vs 5.2% dexmedetomidina p:0.00009. A nuestro saber este es el primer estudio clínico en la literatura en el cual se ha propuesto a la dexmedetomidina como una alternativa para técnicas anestésicas de transito rápido en cirugia cardiaca. Los resultados sugieren que es tan eficaz como el remifentanil para permitir la extubación temprana de este grupo de pacientes con una menor consumo de morfina y una menor incidencia de nauseas y vomito durante el posoperatorio. Se recomiendan la realización de estudios adicionales que permitan ratificar los resultados previamente encontrados.

Tratamiento de sangrado postoperatorio en cirugía cardiaca con Factor VII Recombinante

El sangrado posterior a cirugía cardiaca es una complicación importante dada la alta morbimortalidad asociada. La hemotransfusión es la terapia mandatoria, pero la administración masiva de hemoderivados también es un factor de riesgo independiente de morbimortalidad. El factor VIIr se ha propuesto para disminuir las trasfusiones y controlar sangrado. El propósito de este estudio fue determinar si el factor VIIr es una herramienta útil para disminuir el consumo de hemoderivados en sangrado postoperatorio durante cirugía cardiaca sin riesgo de complicaciones tromboembólicas o falla renal aguda. Es un estudio de cohorte retrospectivo realizado durante dos años, comparando el consumo de hemoderivados y las complicaciones postoperatorias en la cohorte que recibió factor VIIa y en la que no. Se realizó muestreo por comparación de medias emparejadas y se describieron variables cualitativas mediante distribuciones de frecuencias y porcentuales, variables cuantitativas con medidas de tendencia central como promedio y mediana, medidas de dispersión como la desviación estándar. Para determinar normalidad se utilizó prueba Kolgomorov Smirnov con nivel de significancia a=10%; de no cumplir normalidad se utilizaron pruebas t-student y U de Mann-Whitney con nivel de significancia a=5%. Se recolectaron 54 pacientes de los cuales a 14 se les aplicó factor VIIr. Un promedio cinco unidades de glóbulos rojos, nueve de plasma, seis de plaquetas y cuatro de crioprecipitados fueron transfundidas sin diferencias significativas en los grupos. Si se aprecia disminución del sangrado en 24 horas postoperatorias, corrección de los tiempos de coagulación, y menor mortalidad. Las complicaciones tromboembólicas y falla renal no fueron estadísticamente significativas.

Acido tranexamico y convulsiones luego de cirugia cardiaca

En cirugía cardiaca el sangrado perioperatorio y por consiguiente la necesidad de transfundir productos sanguíneos son el mayor contribuyente al incremento de la morbimortalidad en este grupo de pacientes. Existen estrategias para disminuir el sangrado y el requerimiento de transfusiones, como el uso de de ácido tranexamico (AT) el cual parece estar implicado en el desarrollo de convulsiones luego de cirugía cardiaca. En este estudio retrospectivo desarrollado en la Fundación Cardio Infantil (FCI) examinamos la relación entre el uso de AT y la aparición de convulsiones luego de cirugía cardiaca. Nuestra revisión fue hecha en 679 pacientes de los cuales 20 presentaron episodios convulsivos luego de cirugía cardiaca, sin demostrarse lesiones isquémicas en la valoración imagenológica (TAC) en un periodo que comprendía desde abril 1del 2008 hasta mayo 31 del 2009. Nosotros encontramos que la incidencia de convulsiones después de cirugía cardiaca en nuestra institución en este periodo fue de 2.9 % y encontramos una asociación estadísticamente significativa entre el uso de AT y la presencia de falla renal (p=0.006) con un incremento lineal en la probabilidad de convulsionar con los valores de creatinina (p=0.036). Nosotros concluimos que la incidencia de convulsiones es baja y multifactorial siendo el principal factor de riesgo la presencia de falla renal, posiblemente por ser esta la principal vía de eliminación del medicamento, generando así un incremento de las concentraciones séricas del mismo y produciendo antagonismo del receptor GABA asociado a vasoespasmo que desencadenaría clínicamente un evento convulsivo.

Extubación temprana en cirugía cardiaca pediátrica

En los 80s se impulsó el concepto de la anestesia fast-track en cirugía cardiaca, en la cual los pacientes son extubados en las primeras 6 horas del postoperatorio, favoreciendo tiempos de estancia más cortos en la UCIP y una menor incidencia de complicaciones. Objetivo: determinar si la extubación en salas de cirugía permite acortar más la duración de la estancia en UCIP. Metodología: estudio de cohorte, prospectivo. Población: niños sometidos a cirugía cardiaca abierta electiva en la FCI entre enero 1 y julio 31 de 2009. El tamaño de la muestra calculado fue de 74 pacientes. Se les hizo seguimiento y se registró la información requerida. Resultados: 37 pacientes ingresaron al grupo de extubación en UCIP (grupo 1), y 37 ingresaron al grupo de extubación en salas (grupo 2). En el grupo 1 la duración de la estancia en la UCIP fue 2.72 +/- 1.63 días y 1.65 +/- 0.86 días en el grupo 2 (p=0.001). El tiempo de estancia en la UCIP se re-categorizó a mayor de 48 horas y menor de 48 horas y se midió el RR crudo y el ajustado con un análisis estratificado de Mantel – Haenszel. Al ajustar por categoría de RACHS-1, esta asociación permanece, pero no hubo diferencia estadísticamente significativa. RR combinado (Mantel – Haenszel) = 1.27 -IC 95% (0.86 – 1.86)-. Conclusiones: la extubación en salas, tras cirugía cardiaca pediátrica, no reduce la duración de estancia en UCIP.

Manejo de cardiomiopatia chagasica : revisión sistemática (1996-2010)

La cardiomiopatía chagásica es la más importante y severa manifestación de la enfermedad crónica, los pacientes pueden cursar con falla cardiaca, arritmias, bloqueos cardiacos, tromboembolismo y muerte súbita. El diagnóstico es tardío, debido a que se confunden con cardiopatías de otra etiología y el manejo se realiza con base en guías y protocolos dirigidos hacia el tratamiento de falla cardiaca de origen no chagásico. Métodos: Se realizó una revisión sistemática y tuvo como objetivo responder a las siguientes Preguntas clínicas: PREGUNTA 1. ¿El manejo actual para la cardiomiopatía chagásica (betabloqueadores, IECA, ARA II, Diuréticos, Inhibidores de la fosfodiesterasa, Estatinas, antiagragantes plaquetarios) que es extrapolado del manejo de falla cardiaca de origen no chagásico tiene impacto en la calidad de vida, sobrevida, seguridad, estancia hospitalaria y disminución del número de hospitalizaciones, mejoría de síntomas, de los pacientes adultos con cardiopatía chagásica?. PREGUNTA 2. ¿En pacientes con cardiomiopatía chagásica el uso de fármacos tripanocidas mejora la sobrevida, calidad de vida, estancia hospitalaria, disminución del número de hospitalizaciones, y resolución de síntomas? PREGUNTA 3. ¿En pacientes con cardiomiopatía chagásica el uso de cardiodesfibriladores mejora la sobrevida, calidad de vida, estancia hospitalaria, disminución del número de hospitalizaciones, y resolución de síntomas? PREGUNTA 4. ¿En pacientes con cardiomiopatía chagásica el uso de marcapasos mejora la sobrevida, calidad de vida, estancia hospitalaria, disminución del número de hospitalizaciones, y resolución de síntomas? PREGUNTA 5. ¿En pacientes con cardiomiopatía chagásica el uso de trasplante de corazón mejora la sobrevida, calidad de vida, estancia hospitalaria, disminución del número de hospitalizaciones, y resolución de síntomas? Se realizaron búsquedas en: MEDLINE, Colaboración Cochrane, Trip database, y otras importantes bases de datos desde 1996 hasta 2010, limitando la búsqueda. Los estudios se seleccionaron de acuerdo a criterios de pertinencia PICO y se evaluó la calidad, usando la metodología recomendada en Scottish Intercollegiate Guidelines Network. Resultados: Se encontraron 21 estudios, que incluyen revisiones sistemáticas, ensayos clínicos controlados y aleatorizados, ensayos clínicos, cohortes y, casos y controles. Estos estudios cumplieron con los criterios de inclusión. Discusión: En esta revisión sistemática se presenta un consolidado de la evidencia disponible acerca de la eficacia de las siguientes intervenciones: Betabloqueadores, IECAS, PDE, Digoxina, nitroderivados, cardiodesfibriladores, marcapasos y trasplante de corazón, en pacientes con cardiopatía chagásica; los estudios encontrados en su mayoría son de baja evidencia.

Factores de riesgo para convulsiones tras cirugía cardiaca con acido tranexamico: estudio de casos y controles, FCI

La cirugía cardiaca con circulación extracorpórea tiene riesgo de lesión del sistema nervioso central que impacta negativamente el desenlace postoperatorio. Su espectro es variable siendo lo más frecuente la lesión isquémica. Sin embargo esta no es la única complicación neurológica, las convulsiones también tienen un impacto significativo sobre la morbimortalidad y se asocian a un incremento de la estancia hospitalaria. Mientras que los eventos isquémicos tras cirugía cardiaca están bien caracterizados, existen pocos datos acerca de las convulsiones postoperatorias de origen no isquémico. Dentro de las teorías postuladas para explicar estos fenómenos llama la atención el potencial epileptogénico de los medicamentos antifibrinolíticos, ampliamente utilizados con el objetivo de minimizar el sangrado y reducir la exposición a hemoderivados. Numerosos reportes sugieren que el ácido tranexámico puede inducir actividad convulsiva en el postoperatorio. El objetivo de este estudio retrospectivo de casos y controles fue examinar los factores asociados con convulsiones postoperatorias en pacientes sometidos a cirugía cardiaca con circulación extracorpórea que recibieron ácido tranexámico. Todos los pacientes sometidos a cirugía cardiaca con circulación extracorpórea entre Enero de 2008 y Diciembre de 2009 fueron identificados. Los casos se definieron como aquellos pacientes que convulsionaron y requirieron inicio de anticonvulsivantes dentro de las 48 horas post-quirúrgicas. Los criterios de exclusión incluyeron epilepsia preexistente y pacientes con alguna lesión isquémica nueva en neuroimágen. Los controles fueron seleccionados aleatoriamente a partir de la cohorte inicial. Se analizaron un total de 28 casos y 112 controles. Se evidenció una asociación entre disfunción renal, valores elevados de creatinina preoperatoria y convulsiones postoperatorias.

Morbimortalidad, función ventricular e incidencia del rechazo celular en el trasplante cardíaco en la Clínica Abood Shaio

INTRODUCCION: El trasplante cardiaco es una terapia efectiva para los pacientes con falla cardiaca terminal . Al momento no hay registros Colombianos actualizados y publicados de la morbimortalidad del trasplante cardiaco en relación a los episodios de rechazo celular. MATERIALES Y METODOS: Estudio descriptivo retrospectivo de mayores de 18 años trasplantados en la Clínica Shaio. Se realizaron cálculos de frecuencia, promedios y curvas de Kaplan Meier. RESULTADOS: La edad promedio fue 46,7 años +/- 13.La indicaciones fueron miocardiopatía dilatada 45%, coronaria 30%, miocarditis 9%, Chagas 9%, valvular 7%. El rechazo celular en los tres primeros años: 57%, 54% y 41% que se reduce 25% entre los tres y cinco años. Las causas de muerte fueron falla del trasplante 46%, infecciones y falla cardiaca 23%, rechazo 8%.El primer año la mortalidad fue 65%, principalmente falla del injerto. La mortalidad a 30 días 29,5%, y supervivencia del 90% al año, 64% a 5 años, 48% a 10 años y 15% a 13 años. La supervivencia media fue 8 años. La vasculopatía fue 33%. La función ventricular 53,5% +/- 12,6 el primer año; 58,4 +/- 5,4% al tercer año; 51,7 +/- 11,9 % al quinto año 46% +/- 15,8 al decimo año. DISCUSION: Se observo mayor frecuencia de rechazo celular, ocasionando mas falla cardiaca y muerte.