Effects of particulate matters on inflammatory markers in the general adult population

Summary: Particulate air pollution is associated with increased cardiovascular risk. The induction of systemic inflammation following particle inhalation represents a plausible mechanistic pathway. The purpose of this study was to assess the associations of short-term exposure to ambient particulate matters of aerodynamic diameter less than 10 μm (PM10) with circulating inflammatory markers in 6183 adults in Lausanne, Switzerland. The results show that short-term exposure to PM10 was associated with higher levels of circulating IL-6 and TNF-α. The positive association of PM10 with markers of systemic inflammation materializes the link between air pollution and cardiovascular risk. Background: Variations in short-term exposure to particulate matters (PM) have been repeatedly associated with daily all-cause mortality. Particle-induced inflammation has been postulated to be one of the important mechanisms for increased cardiovascular risk. Experimental in-vitro, in-vivo and controlled human studies suggest that interleukin 6 (IL-6) and tumor-necrosis-factor alpha (TNF-α) could represent key mediators of the inflammatory response to PM. The associations of short-term exposure to ambient PM with circulating inflammatory markers have been inconsistent in studies including specific subgroups so far. The epidemiological evidence linking short-term exposure to ambient PM and systemic inflammation in the general population is scarce. So far, large-scale population-based studies have not explored important inflammatory markers such as IL-6, IL-1β or TNF-α. We therefore analyzed the associations between short-term exposure to ambient PM10 and circulating levels of high-sensitive CRP (hs-CRP), IL-6, IL-1β and TNF-α in the population-based CoLaus study. Objectives: To assess the associations of short-term exposure to ambient particulate matters of aerodynamic diameter less than 10 μm (PM10) with circulating inflammatory markers, including hs-CRP, IL-6, IL-1β and TNF-α, in adults aged 35 to 75 years from the general population. Methodology: All study subjects were participants to the CoLaus study (www.colaus.ch) and the baseline examination was carried out from 2003 to 2006. Overall, 6184 participants were included. For the present analysis, 6183 participants had data on at least one of the four measured circulating inflammatory markers. The monitoring data was obtained from the website of Swiss National Air Pollution Monitoring Network (NABEL). We analyzed data on PM10 as well as outside air temperature, pressure and humidity. Hourly concentrations of PM10 were collected from 1 January 2003 to 31 December 2006. Robust linear regression (PROC ROBUSTREG) was used to evaluate the relationship between cytokine inflammatory and PM10. We adjusted all analyses for age, sex, body mass index, smoking status, alcohol consumption, diabetes status, hypertension status, education levels, zip code, and statin intake. All data were adjusted for the effects of weather by including temperature, barometric pressure, and season as covariates in the adjusted models. We performed simple and multiple logistic regression analyses. Descriptive statistical analysis used the Wilcoxon rank sum test (for medians). All data analyses were performed using SAS software (version 9.2; SAS Institute Inc., Cary, NC, USA), and a two-sided significance level of 5% was used. Results: PM10 levels averaged over 24 hours were significantly and positively associated with continuous IL-6 and TNF-α levels, in the whole study population both in unadjusted and adjusted analyses. For each cytokine, there was a similar seasonal pattern, with wider confidence intervals in summer than during the other seasons, which might partly be due to the smaller number of participants examined in summer. The associations of PM10 with IL-6 and TNF-α were also found after having dichotomized these cytokines into high versus low levels, which suggests that the associations of PM10 with the continuous cytokine levels are very robust to any distributional assumption and to potential outlier values. In contrast with what we observed for continuous IL-1β levels, high PM10 levels were significantly associated with high IL-1β. PM10 was significantly associated with IL-6 and TNF-α in men, but with TNF-α only in women. However, there was no significant statistical interaction between PM10 and sex. For IL-6 and TNF-α, the associations tended to be stronger in younger people, with a significant interaction between PM10 and age groups for IL-6. PM10 was significantly associated with IL-6 and TNF-α in the healthy group and also in the "non-healthy" group, although the statistical interaction between healthy status and PM10 was not significant. Conclusion: In summary, we found significant independent positive associations of short-term exposure to PM10 with circulating levels of IL-6 and TNF-α in the adult population of Lausanne. Our findings strongly support the idea that short-term exposure to PM10 is sufficient to induce systemic inflammation on a broad scale in the general population. From a public health perspective, the reported association of elevated inflammatory cytokines with short-term exposure to PM10 in a city with relatively clean air such as Lausanne supports the importance of limiting urban air pollution levels.

Nucleophile-Catalyzed Additions to Activated Triple Bonds. Protection of Lactams, Imides, and Nucleosides with MocVinyl and Related Groups

Additions of lactams, imides, (S)-4-benzyl-1,3-oxazolidin-2-one, 2-pyridone, pyrimidine-2,4-diones (AZT derivatives), or inosines to the electron-deficient triple bonds of methyl propynoate, tert-butyl propynoate, 3-butyn-2-one, N-propynoylmorpholine, or N-methoxy-N-methylpropynamide in the presence of many potential catalysts were examined. DABCO and, second, DMAP appeared to be the best (highest reaction rates and E/Z ratios), while RuCl3, RuClCp*(PPh3)2, AuCl, AuCl(PPh3), CuI, and Cu2(OTf)2 were incapable of catalyzing such additions. The groups incorporated (for example, the 2-(methoxycarbonyl)ethenyl group that we name MocVinyl) serve as protecting groups for the above-mentioned heterocyclic CONH or CONHCO moieties. Deprotections were accomplished via exchange with good nucleophiles: the 1-dodecanethiolate anion turned out to be the most general and efficient reagent, but in some particular cases other nucleophiles also worked (e.g., MocVinyl-inosines can be cleaved with succinimide anion). Some structural and mechanistic details have been accounted for with the help of DFT and MP2 calculations.

Orthogonal protecting groups in the synthesis of tryptophanyl-hexahydropyrroloindoles

The synthesis of various polycyclic systems containing a C3aNi bond between a hexahydropyrrolo[2,3-b]indole and an indole tryptophan is described here. A series of experiments were performed to determine the best combination of five orthogonal protecting groups and the best reaction conditions for formation of said bond, which is a common feature among many recently discovered marine natural products.

Neuromonitorage après coma aigu aux soins intensifs [Multimodal neuromonitoring for the critical care management of acute coma].

Management of neurocritical care patients is focused on the prevention and treatment of secondary brain injury, i.e. the number of pathophysiological intracerebral (edema, ischemia, energy dysfunction, seizures) and systemic (hyperthermia, disorders of glucose homeostasis) events that occur following the initial insult (stroke, hemorrhage, head trauma, brain anoxia) that may aggravate patient outcome. The current therapeutic paradigm is based on multimodal neuromonitoring, including invasive (intracranial pressure, brain oxygen, cerebral microdialysis) and non-invasive (transcranial doppler, near-infrared spectroscopy, EEG) tools that allows targeted individualized management of acute coma in the early phase. The aim of this review is to describe the utility of multimodal neuromonitoring for the critical care management of acute coma.

Developmental critical period in genetic redox dysregulation: animal and human studies in schizophrenia

Converging evidence favors an abnormal susceptibility to oxidative stress in schizophrenia. Decreased levels of glutathione (GSH), the major cellular antioxidant and redox regulator, was observed in cerebrospinal-fluid and prefrontal cortex of patients. Importantly, abnormal GSH synthesis of genetic origin was observed: Two case-control studies showed an association with a GAG trinucleotide repeat (TNR) polymorphism in the GSH key synthesizing enzyme glutamate-cysteine-ligase (GCL) catalytic subunit (GCLC) gene. The most common TNR genotype 7/7 was more frequent in controls, whereas the rarest TNR genotype 8/8 was three times more frequent in patients. The disease associated genotypes (35% of patients) correlated with decreased GCLC protein, GCL activity and GSH content. Similar GSH system anomalies were observed in early psychosis patients. Such redox dysregulation combined with environmental stressors at specific developmental stages could underlie structural and functional connectivity anomalies. In pharmacological and knock-out (KO) models, GSH deficit induces anomalies analogous to those reported in patients. (a) morphology: spine density and GABA-parvalbumine immunoreactivity (PV-I) were decreased in anterior cingulate cortex. KO mice showed delayed cortical PV-I at PD10. This effect is exacerbated in mice with increased DA from PD5-10. KO mice exhibit cortical impairment in myelin and perineuronal net known to modulate PV connectivity. (b) physiology: In cultured neurons, NMDA response are depressed by D2 activation. In hippocampus, NMDA-dependent synaptic plasticity is impaired and kainate induced g-oscillations are reduced in parallel to PV-I. (c) cognition: low GSH models show increased sensitivity to stress, hyperactivity, abnormal object recognition, olfactory integration and social behavior. In a clinical study, GSH precursor N-acetyl cysteine (NAC) as add on therapy, improves the negative symptoms and decreases the side effects of antipsychotics. In an auditory oddball paradigm, NAC improves the mismatched negativity, an evoked potential related to pre-attention and to NMDA receptors function. In summary, clinical and experimental evidence converge to demonstrate that a genetically induced dysregulation of GSH synthesis combined with environmental insults in early development represent a major risk factor contributing to the development of schizophrenia

MRE11-RAD50-NBS1 is a critical regulator of FANCD2 stability and function during DNA double-strand break repair.

Monoubiquitination of the Fanconi anaemia protein FANCD2 is a key event leading to repair of interstrand cross-links. It was reported earlier that FANCD2 co-localizes with NBS1. However, the functional connection between FANCD2 and MRE11 is poorly understood. In this study, we show that inhibition of MRE11, NBS1 or RAD50 leads to a destabilization of FANCD2. FANCD2 accumulated from mid-S to G2 phase within sites containing single-stranded DNA (ssDNA) intermediates, or at sites of DNA damage, such as those created by restriction endonucleases and laser irradiation. Purified FANCD2, a ring-like particle by electron microscopy, preferentially bound ssDNA over various DNA substrates. Inhibition of MRE11 nuclease activity by Mirin decreased the number of FANCD2 foci formed in vivo. We propose that FANCD2 binds to ssDNA arising from MRE11-processed DNA double-strand breaks. Our data establish MRN as a crucial regulator of FANCD2 stability and function in the DNA damage response.

End User Perspective to ERP Implementation

Toiminnanohjausjärjestelmät ovat oleellinen osa yrityksien liiketoimintaa. Järjestelmän päivittäminen uudempaan versioon tai kokonaan uuden järjestelmän käyttöönotto saattavat yrityksen ydintoiminnot ja prosessit hyvin haavoittuvaiseen asemaan. Järjestelmien kokonaisvaltaisuus yhdessä reaaliaikaisen käyttöönoton kanssa tekevät näistä projekteista erityisen haasteellisia. Tämä pro gradu -tutkielman tapaustutkimuskohteena toimi Andritz Oy. Tapaustutkimuksen tavoitteena oli arvioida kesäkuussa 2005 suoritettua toiminnanohjausjärjestelmän käyttöönottoa ja sitä kuinka hyvin tässä onnistuttiin. Tutkimus toteutettiin loppukäyttäjännäkökulmasta. Loppukäyttäjä omalla työllään voi vaikuttaa miten hyvin järjestelmästä tavoitellut hyödyt pystytään lunastamaan. Tutkimus on laadullinen tapaustutkimus. Tutkimuksessa kiinnitetään huomiota erityisestiprojektitiimin, johdon ja käyttäjien eroaviin näkemyksiin käyttöönoton onnistumisesta.

Convergent Approaches for the Synthesis of the Anti-tumoral Peptide, Kahalalide F. Study of Orthogonal Protecting Groups

Kahalalide compounds are peptides that are isolated from a Hawaiian herbivorous marine species of mollusc, Elysia rufescens, and its diet, the green alga Bryopsis sp. Kahalalide F and its synthetic analogues are the most promising compounds of the Kahalalide family because they show anti-tumoral activity. Linear solid-phase syntheses of Kahalalide F have been reported. Here we describe several new improved synthetic routes based on convergent approaches with distinct orthogonal protection schemes for the preparation of Kahaladide analogues. These strategies allow a better control and characterization of the intermediates because more reactions are performed in solution. Five derivatives of Kahalalide F were synthesized using several convergent approaches.

A prospective, randomized, and controlled study of fluid management in children with severe head injury: lactated Ringer's solution versus hypertonic saline.

OBJECTIVES: Resuscitation in severe head injury may be detrimental when given with hypotonic fluids. We evaluated the effects of lactated Ringer's solution (sodium 131 mmol/L, 277 mOsm/L) compared with hypertonic saline (sodium 268 mmol/L, 598 mOsm/L) in severely head-injured children over the first 3 days after injury. DESIGN: An open, randomized, and prospective study. SETTING: A 16-bed pediatric intensive care unit (ICU) (level III) at a university children's hospital. PATIENTS: A total of 35 consecutive children with head injury. INTERVENTIONS: Thirty-two children with Glasgow Coma Scores of <8 were randomly assigned to receive either lactated Ringer's solution (group 1) or hypertonic saline (group 2). Routine care was standardized, and included the following: head positioning at 30 degrees; normothermia (96.8 degrees to 98.6 degrees F [36 degrees to 37 degrees C]); analgesia and sedation with morphine (10 to 30 microg/kg/hr), midazolam (0.2 to 0.3 mg/kg/hr), and phenobarbital; volume-controlled ventilation (PaCO2 of 26.3 to 30 torr [3.5 to 4 kPa]); and optimal oxygenation (PaO2 of 90 to 105 torr [12 to 14 kPa], oxygen saturation of >92%, and hematocrit of >0.30). MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: Mean arterial pressure and intracranial pressure (ICP) were monitored continuously and documented hourly and at every intervention. The means of every 4-hr period were calculated and serum sodium concentrations were measured at the same time. An ICP of 15 mm Hg was treated with a predefined sequence of interventions, and complications were documented. There was no difference with respect to age, male/female ratio, or initial Glasgow Coma Score. In both groups, there was an inverse correlation between serum sodium concentration and ICP (group 1: r = -.13, r2 = .02, p < .03; group 2: r = -.29, r2 = .08, p < .001) that disappeared in group 1 and increased in group 2 (group 1: r = -.08, r2 = .01, NS; group 2: r = -.35, r2 =.12, p < .001). Correlation between serum sodium concentration and cerebral perfusion pressure (CPP) became significant in group 2 after 8 hrs of treatment (r = .2, r2 = .04, p = .002). Over time, ICP and CPP did not significantly differ between the groups. However, to keep ICP at <15 mm Hg, group 2 patients required significantly fewer interventions (p < .02). Group 1 patients received less sodium (8.0 +/- 4.5 vs. 11.5 +/- 5.0 mmol/kg/day, p = .05) and more fluid on day 1 (2850 +/- 1480 vs. 2180 +/- 770 mL/m2, p = .05). They also had a higher frequency of acute respiratory distress syndrome (four vs. 0 patients, p = .1) and more than two complications (six vs. 1 patient, p = .09). Group 2 patients had significantly shorter ICU stay times (11.6 +/- 6.1 vs. 8.0 +/- 2.4 days; p = .04) and shorter mechanical ventilation times (9.5 +/- 6.0 vs. 6.9 +/- 2.2 days; p = .1). The survival rate and duration of hospital stay were similar in both groups. CONCLUSIONS: Treatment of severe head injury with hypertonic saline is superior to that treatment with lactated Ringer's solution. An increase in serum sodium concentrations significantly correlates with lower ICP and higher CPP. Children treated with hypertonic saline require fewer interventions, have fewer complications, and stay a shorter time in the ICU.

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.

Critical flux and fouling in ultrafiltration of proteins

In this thesis different parameters influencing critical flux in protein ultrafiltration and membrane foul-ing were studied. Short reviews of proteins, cross-flow ultrafiltration, flux decline and criticalflux and the basic theory of Partial Least Square analysis (PLS) are given at the beginning. The experiments were mainly performed using dilute solutions of globular proteins, commercial polymeric membranes and laboratory scale apparatuses. Fouling was studied by flux, streaming potential and FTIR-ATR measurements. Critical flux was evaluated by different kinds of stepwise procedures and by both con-stant pressure and constant flux methods. The critical flux was affected by transmembrane pressure, flow velocity, protein concentration, mem-brane hydrophobicity and protein and membrane charges. Generally, the lowest critical fluxes were obtained at the isoelectric points of the protein and the highest in the presence of electrostatic repulsion between the membrane surface and the protein molecules. In the laminar flow regime the critical flux increased with flow velocity, but not any more above this region. An increase in concentration de-creased the critical flux. Hydrophobic membranes showed fouling in all charge conditionsand, furthermore, especially at the beginning of the experiment even at very low transmembrane pressures. Fouling of these membranes was thought to be due to protein adsorption by hydrophobic interactions. The hydrophilic membranes used suffered more from reversible fouling and concentration polarisation than from irreversible foul-ing. They became fouled at higher transmembrane pressures becauseof pore blocking. In this thesis some new aspects on critical flux are presented that are important for ultrafiltration and fractionation of proteins.