Quantitative functional MRI of the Cerebrovascular Reactivity to CO2

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2.

Systematic construction of models for the exchange hole of density functional theory.

Dans ce travail, nous étendons le nombre de conditions physiques actuellement con- nues du trou d’échange exact avec la dérivation de l’expansion de quatrième ordre du trou d’échange sphérique moyenne exacte. Nous comparons les expansions de deux- ième et de quatrième ordre avec le trou d’échange exact pour des systèmes atomiques et moléculaires. Nous avons constaté que, en général, l’expansion du quatrième ordre reproduit plus fidèlement le trou d’échange exact pour les petites valeurs de la distance interélectronique. Nous démontrons que les ensembles de base de type gaussiennes ont une influence significative sur les termes de cette nouvelle condition, en étudiant com- ment les oscillations causées par ces ensembles de bases affectent son premier terme. Aussi, nous proposons quatre modèles de trous d’échange analytiques auxquels nous imposons toutes les conditions actuellement connues du trou d’échange exact et la nou- velle présentée dans ce travail. Nous évaluons la performance des modèles en calculant des énergies d’échange et ses contributions à des énergies d’atomisation. On constate que les oscillations causeés par les bases de type gaussiennes peuvent compromettre la précision et la solution des modèles.

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.

Sol-Gel Nanocrystalline Catalytic Titania Powders and Functional Coatings

In the present work Titania bulk powders and coatings were prepared by subjecting titanium isopropoxide solution to a controlled hydrolysis-condensation process. The powders were characterized using techniques such as FTIR for their chemical interactions, TG-DTA for the thermal decomposition features, XRD for the phase assemblage, BET specific surface area analysis for the textural features. The study discusses the preparation methods and the characterization techniques employed and a detailed discussion on the physico-chemical characterization of the prepared systems. The influence of dopants and leaching on the physico-chemical properties as well as their influence on photo activity is also included. The structural/functional coatings of different Titania compositions includes in this study. Coatings on pre-treated glass surfaces with the best compositions prepared showed 90 % transmittance in the visible region.

5-HT1A AND 5-HT2C RECEPTOR GENE EXPRESSION AND FUNCTIONAL REGULATION DURING RAT HEPATOCYTE PROLIFERATION AND APOPTOSIS

The work is an attempt to understand the role of 5-HT, 5-HT1A and 5-HT2C receptors in the regulation of liver cell proliferation using in vivo and in vitro models. The work also focuses on the brain serotonergic changes associated with hapatocyte proliferation and apoptosis to delineate its regulatory function. The investigation of mechanisms involving different models of hepatocyte proliferation contributes to our knowledge about serotonergic regulation of cell growth, apoptosis and carcinogenesis of liver. The study reveals that the alteration of the 5-HT1A and 5-HT2C receptor function and gene expression in the brain stem, cerebral cortex and hypothalamus play an important role in the sympathetic regulation of cell proliferation, neoplastic transformation and apoptosis. The functional balance between 5-HT1A and 5-HT2C receptor plays an important role in regulating hepatocyte proliferation, neoplastic transformation and hepatic apoptosis. The regulatory role of 5-HT1A and 5-HT2C receptor during neoplastic transformation and apoptosis could lead to possible therapeutic intervention in the treatment of cancers and have immense clinical importance.

Hypothalamic 5-HT functional regulation through 5-HTIA and 5-HT2c receptors during pancreatic regeneration

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Hypothalamic GABA receptor functional regulation and liver cell proliferation

GABAergic alterations in hypothalamus during compensatory hyperplasia after partial hepatectomy (PH), lead nitrate (LN) induced direct hyperplasia and N-nitrosodiethylamine (NDEA) induced neoplasia in liver were investigated. Serum GABA levels were increased in all 3 experimental groups compared with the control. GABA content decreased in hypothalamus of PH and NDEA treated rats, while it increased in LN treated rats. GABAA receptor number and affinity in hypothalamic membrane preparations of rats showed a significant decrease in PH and NDEA treated rats, while in LN treated rats the affinity increased without any change in the receptor number. The GABAB receptor number increased in PH and NDEA treated rats, while it decreased in LN treated rats. The affinity of the receptor also increased in NDEA treated rats. Plasma NE levels showed significant increase in PH and NDEA rats compared with the control while it decreased in LN treated rats. The results of the present study suggests that liver cell proliferation is influencing the hypothalamic GABAergic neurotransmission and these changes regulate the hepatic proliferation through the sympathetic stimulation.

Hepatic GABAA receptor functional regulation during rat liver cell proliferation

Gamma aminohutyric acid (GAB A.) receptor tunctionaI status was artaIV se(l in pa It ial hcpatcctoIn ised.II'II). lead nitrate (LN) induced hyperplastic and N-nifrosodiethylantinc INDEAI treated nctplastic rat Iivers during peak DNA synthesis. The high-affinity I'HJGALA binding significantly decreased in PII and NDEi\ rats and the receptor affinity decreased in NDEA and increased in LN rats compared with control . in NDEA. displacement analysis of I'I IIGABA with muscimol showed loss of low-allinity site and a shill of high-allinity cite towards low-allinity . ' 1 he affinity sites shifted towards high-affinity in LN rats. 'file number of low-allinity 1'I Ilhicuc)lline receptors decreased cignilic:uttly in NDEA and I'll whereas it increased in LN rats. (ir\Bi\t receptor :gunist. unrscinrul. disc dependcnllyinhihilcd epidermal growth factor IEGI--) induced DNA synthesis :uul enhanced the tr:utsfnrnting grmvth )actor (Il I I'(il (tlI mediated DNA synthesis suppression in prim:uy hepalucvte cultures . Our results suggest that GABA,t reccjhtor act as an inhibitory signal fur hepatic cell prolifctatiun.

Neurotransmitter Functional Role in Neurodegenerative Diseases: human Health

Neuroscience is the study of'tbe ne rvous system , including the i - ; . in, spinal cord and peripheral nerves . Neurons are the basic cells of the brain and nervous system which exerts its functional role through various neurotransmitters and receptor systems . The activity of a nen ren depends on the balance between the number of excitatory and inhibito r y processes affecting it, both processes occurring individually and sin ,tlte-' ,ieously. The functional bal,ince of different neurotransmitters such as Acct >>lcholine (Ach), Dopamine (DA), Serotonin (5-1-17), Nor epinepbri,te (N.1 j, Epinephrine (LPI), Glutamate and Gamma amino butyric acid (GA BA) regulates the growth , division and other vital functions ofa normal cell / organisin (Sudha, 1 998). The micro-environ ; nertt of the cell is controlled / the macro-environment that surrounds the individual. Any change in the cell environment causes imbalance in cell homeostasis and f,ntction. Pollution is a significant cause of imbalance caused iii the inacYcenvironment. Interaction with polluted environments can have an adverse impact on the health of humans. The alarming rise in enviromilmieil cont.iniin :rtion has been linked to rises in levels of pesticides, ndltstr al effluents, domestic Waste, car exhausts and other anthropogenic activities. Persistent exposures to contaminant cause a negative imp,-, on brain health and development . Pollution also causes a change in the neurotransmitters and their receptor function leading to earl.;' recurrence of neurodcge,terative disorders such as flypoxia , Alzbeimers's and Huntington 's disease early in life.

Neurotransmitters Functional Balance in Neurodegenerative Disease Management:recent Advances

The recent developments in neurobiology have rendered new prominence and potential to study about the structure and function of brain and related disorders. Human behaviour is the net result of neural control of the communication between brain cells. Neurotransmitters are chemicals that are used to relay, amplify and modulate electrical signals between neurons and/or another cell. It mediates rapid intercellular communication through the nervous system by interacting with cell surface receptors. These receptors often trigger second messenger signaling pathways that regulate the activity of ion channels. The functional balance of different neurotransmitters such as Acetylcholine (Ach), Dopamine (DA), Serotonin (5-HT), Norepinephrine (NE), Epinephrine (EPI), Glutamate and Gamma amino butyric acid (GABA) regulates the growth, division and other vital functions of a normal cell / organism (Sudha, 1998). Any change in neurotransmitters' functional balance will result in the failure of cell function and may lead to the occurrence of diseases. Abnormalities in the production or functioning of neurotransmitters have been implicated in a number of neurological disorders like Schizophrenia, Alzheimer's, Epilepsy, Depression and Parkinson's disease. Changes in central and peripheral neuronal signaling system is also noted in diabetes, cancer, cell proliferation, alcoholism and aging. Elucidation of neurotransmitters receptor interaction pathways and gene expression regulation by second messengers and transcriptional factors in health and disease conditions can lead to new small molecules for development of therapeutic agents to improve neurological disease conditions. Increased awareness of the global effects of neurological disorders should help health care planners and the neurological community set appropriate priorities in research, prevention, and management of these diseases.

Superoxide dismutase functional regulation in neonatal hypoxia

Hypoxia is one of the major causes of damage to the fetal and neonatal brain and cardiac functions. in earlier studies we have reported the brain damage caused by hypoxia and resusciation with oxygen and epinephrine and have found that glucose treatment to hypoxic rats and hypoxic rats treated with oxygen shows a reversal of brain damage. during this study the findings may have clinical significance in the proper management of heart and brain functions.

Decreased GABAA Receptors Functional Regulation 3 in the Cerebral Cortex and Brainstem of Hypoxic Neonatal Rats: 4 Effect of Glucose and Oxygen Supplementation

Hypoxia in neonates can lead to biochemical and molecular alterations mediated through changes in neurotransmitters resulting in permanent damage to brain. In this study, we evaluated the changes in the receptor status of GABAA in the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats and hypoxic rats supplemented with glucose and oxygen using binding assays and gene expression of GABAAa1 and GABAAc5. In the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats, a significant decrease in GABAA receptors was observed, which accounts for the respiratory inhibition. Hypoxic rats sup- plemented with glucose alone and with glucose and oxygen showed, respectively, a reversal of the GABAA receptors, andGABAAa1 and GABAAc5 gene expression to control. Glucose acts as an immediate energy source thereby reducing the ATP-depletion-induced increase in GABA and oxygenation, which helps in encountering anoxia. Resuscitation with oxygen alone was less effective in reversing the receptor alterations. Thus, the results of this study suggest that reduction in the GABAA receptors functional regulation during hypoxia plays an important role in mediating the brain damage. Glucose alone and glucose and oxygen supplementation to hypoxic neonatal rats helps in protecting the brain from severe hypoxic damage.

Glutamate Receptor Gene Expression: IP3, cAMP, cGMP Functional Regulation in Hypoglycaemic and Diabetic Rats

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

Sol-Gel Mesoporous Silica Aerogels and Bio Hybrids for Functional Applications

The thesis covers a systematic investigation on the synthesis of silica aerogels and microspheres with tailored porosity, at ambient conditions by varying the experimental parameters as well as using organic templates. Organically modified silica-gelatin and silica-chitosan hybrids were developed for the first time using alkylalkoxysilanes such as MTMS and VTMS. Application of novel silica-biopolymer antiwetting coatings on different substrates such as glass, leather and textile is also demonstrated in the thesis.

5-HT2C and NMDA Receptors, IP3, cGMP and cAMP Functional Regulation in Pilocarpine Induced Temporal Lobe Epilepsy in Rats: Neuroprotective Role of Bacopa monnieri

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology