Effects of defined mixtures of persistent organic pollutants (POPs) on multiple cellular responses in the human hepatocarcinoma cell line, HepG2, using high content analysis screening

Persistent organic pollutants (POPs) are toxic substances, highly resistant to environmental degradation, which can bio-accumulate and have long-range atmospheric transport potential. Most studies focus on single compound effects, however as humans are exposed to several POPs simultaneously, investigating exposure effects of real life POP mixtures on human health is necessary. A defined mixture of POPs was used, where the compound concentration reflected its contribution to the levels seen in Scandinavian human serum (total mix). Several sub mixtures representing different classes of POP were also constructed. The perfluorinated (PFC) mixture contained six perfluorinated compounds, brominated (Br) mixture contained seven brominated compounds, chlorinated (Cl) mixture contained polychlorinated biphenyls and also p,p'-dichlorodiphenyldichloroethylene, hexachlorobenzene, three chlordanes, three hexachlorocyclohexanes and dieldrin. Human hepatocarcinoma (HepG2) cells were used for 2h and 48h exposures to the seven mixtures and analysis on a CellInsight™ NXT High Content Screening platform. Multiple cytotoxic endpoints were investigated: cell number, nuclear intensity and area, mitochondrial mass and membrane potential (MMP) and reactive oxygen species (ROS). Both the Br and Cl mixtures induced ROS production but did not lead to apoptosis. The PFC mixture induced the ROS production and likely induced cell apoptosis accompanied by the dissipation of MMP. Synergistic effects were evident for ROS induction when cells were exposed to the PFC+Br mixture. No significant effects were detected in the Br+Cl, PFC+Cl or total mixtures, which contain the same concentrations of chlorinated compounds as the Cl mixture plus additional compounds; highlighting the need for further exploration of POP mixtures in risk assessment.

Acid-labile protein-adducted heterocyclic aromatic amines in human blood are not viable biomarkers of dietary exposure: A systematic study.

Heterocyclic aromatic amines (HCA) are carcinogenic mutagens formed during cooking of protein-rich foods. HCA residues adducted to blood proteins have been postulated as biomarkers of HCA exposure. However, the viability of quantifying HCAs following hydrolytic release from adducts in vivo and correlation with dietary intake are unproven. To definitively assess the potential of labile HCA-protein adducts as biomarkers, a highly sensitive UPLC-MS/MS method was validated for four major HCAs: 2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine (PhIP), 2-amino-3,8-dimethylimidazo[4,5-f]quinoxaline (MeIQx), 2-amino-3,4,8-trimethylimidazo[4,5-f]quinoxaline (4,8-DiMeIQx) and 2-amino-3,7,8-trimethylimidazo[4,5-f]quinoxaline (7,8-DiMeIQx). Limits of detection were 1e5 pg/ml plasma and recoveries 91e115%. Efficacy of hydrolysis was demonstrated by HCA-protein adducts synthesised in vitro. Plasma and 7-day food diaries were collected from 122 fasting adults consuming their habitual diets. Estimated HCA intakes ranged from 0 to 2.5 mg/day. An extensive range of hydrolysis conditions was examined for release of adducted HCAs in plasma. HCA was detected in only one sample (PhIP, 9.7 pg/ml), demonstrating conclusively for the first time that acid-labile HCA adducts do not reflect dietary HCA intake and are present at such low concentrations that they are not feasible biomarkers of exposure. Identification of biomarkers remains important. The search should concentrate on stabilised HCA peptide markers and use of untargeted proteomic and metabolomic approaches.

Sediment metal bioavailability in Lake Taihu, China: evaluation of sequential extraction, DGT, and PBET techniques

The European “Community Bureau of Reference” (BCR) sequential extraction procedure, diffusive gradient in thin-films technique (DGT), and physiologically based extraction test were applied to assess metal bioavailability in sediments of Lake Taihu (n = 13). Findings from the three methods showed that Cd was a significant problem in the western lake whereas Cu, Zn, and Ni pollution was most severe in the northern lake. Results from the sequential extraction revealed that more than 50 % of the Cu and Zn were highly mobile and defined within the extractable fraction (AS1 + FM2 + OS3) in the majority of the sediments, in contrast extractable fractions of Ni and Cd were lower than 50 % in most of the sampling sites. Average Cu, Zn, Ni, and Cd bioaccessibilities were <50 % in the gastric phase. Zn and Cd bioaccessibility in the intestinal phase was ∼50 % lower than the gastric phase while bioaccessibilities of Cu and Ni were 47–57 % greater than the gastric phase. Linear regression analysis between DGT and BCR measurements indicated that the extractable fractions (AS1 + FM2 + OS3) in the reducing environment were the main source of DGT uptake, suggesting that DGT is a good in situ evaluation tool for metal bioavailability in sediments.

Pine wilt disease and the pinewood nematode

Pine wilt disease (PWD) is one of the most damaging events affecting conifer forests (in particular Pinus spp.), in the Far East (Japan, China and Korea), North America (USA and Canada) and, more recently, in the European Union (Portugal). In Japan it became catastrophic, damaging native pine species (Pinus thunbergii and P. densiflora), and becoming the main forest problem, forcing some areas to be totally replaced by other tree species. The pine wilt nematode (PWN) Bursaphelenchus xylophilus, endemic, with minor damage, to North America, was introduced in Japan in the early XX century and then spread to Asia (China and Korea) in the 1980s. In 1999 it was detected for the first time in Portugal, where, due to timely detection and immediate government action, it was initially (1999-2008) contained to a small area 30 km SE of Lisbon. In 2008, the PWN spread again to central Portugal, the entire country now being classified as “affected area”. Being an A1 quarantine pest, the EU acted to avoid further PWN spreading and to eradicate it, by actions including financial support for surveyes and eradication, annual inspections and research programs. Experience from control actions in Japan included aerial spraying of insecticides to control the insect vector (the Cerambycid beetle Monochamus alternatus), injection of nematicides to the trunk of infected trees, slashing and burning of large areas out of control, beetle traps, biological control and tree breeding programs. These actions allowed some positive results, but also unsuccessful cases due to the PWN spread and virulence. Other Asian countries also followed similar strategies, but the nematode is still spreading in many regions. In Portugal, despite lower damage than Asia, PWD is still significant with high losses to the forestry industry. New ways of containing PWD include preventing movement of contaminated wood, cutting symptomatic trees and monitoring. Despite a national and EU legislative body, no successful strategy to control and eventually eradicate the nematode and the disease will prevail without sound scientific studies regarding the nematode and vector(s) bioecology and genetics, the ecology and ecophysiology of the pine tree species, P. pinaster and P. pinea , as well as the genomics and proteomics of pathogenicity (resistance/ susceptibility).

Biologia e biotecnologia vegetal numa perspectiva de sustentabilidade

A importância de áreas científicas, como biologia e biotecnologia na vida humana é cada vez mais reconhecida. Assim, é necessário que professores, actuais e futuros, e investigadores desenvolvam programas de formação/investigação orientados para a compreensão de conteúdos científicos e questionamento da natureza destas áreas e, simultaneamente, para utilizações conscienciosas de conhecimento científico na vida prática. É neste quadro que se insere a investigação realizada e apresentada na presente dissertação. Para responder à questão central:”Como proporcionar formação em biologia e biotecnologia para o mundo contemporâneo a alunos futuros professores de ciências?”, a investigação envolveu dois percursos gerais de trabalho: i) Autoformação em biologia e biotecnologia vegetal numa perspectiva investigativa e ii) Desenvolvimento de percursos investigativos em formação inicial de professores de ciências para o Ensino Básico, envolvendo temáticas actuais relacionadas com biologia e biotecnologia. Globalmente, a investigação baseou-se em três pressupostos: 1º) É oportuno e necessário mobilizar conhecimentos oriundos da investigação científica actual em biologia e biotecnologia para conceber, planear e desenvolver actividades de formação inicial de professores de ciências, 2º) O perfil profissional de professores envolvidos em formação inicial de professores de ciências deve integrar competências científicas, desenvolvidas em trabalho investigativo e 3º). Aos alunos-futuros professores de ciências devem proporcionar-se oportunidades para desenvolverem reflexão epistemológica e trabalho investigativo, para mobilizarem adequadamente conhecimento oriundo de investigação científica actual e desenvolverem competências na tripla perspectiva de educação sobre ciências, pelas ciências e em ciências. A autoformação desenvolveu-se no âmbito de dois projectos em biologia e biotecnologia vegetal, designadamente, Toxicidade do chumbo em alface, onde se testou o efeito do chumbo em alface (Lactuca sativa), e Micropropagação de zimbro, onde se implementaram metodologias de micropropagação/clonagem de uma espécie em risco em Porto Santo, Juniperus Phoenicea. O desenvolvimento de percursos investigativos, com e por alunos-futuros professores de ciências, efectuou-se no âmbito de uma disciplina de um curso de licenciatura em Ciências da Natureza e Matemática para o 2º ciclo do Ensino Básico. Estes percursos compreenderam reflexão epistemológica e o desenvolvimento de trabalho investigativo que envolveu um conjunto de estratégias e recursos, incorporando conteúdos de toxicologia ambiental e de biotecnologia vegetal numa perspectiva de inter-relações ciência, tecnologia e sociedade. Os resultados relativos ao desenvolvimento destes percursos investigativos evidenciaram o interesse e importância de se desenvolverem em temáticas científicas actuais e relevantes para o mundo contemporâneo, como via de autoformação, por um lado, e como estratégia de formação de alunos-futuros professores de ciências, orientada por preocupações de educação para o desenvolvimento sustentável, por outro. Simultaneamente, permitiram que todos os intervenientes, em particular os alunos-futuros professores de ciências, aprofundassem conhecimentos sobre contextos e processos envolvidos em formação em biologia e biotecnologia para o mundo contemporâneo e identificassem implicações para a formação de professores. Permitiram, ainda, apontar sugestões para investigação futura neste domínio.

Ecotoxicological tests using Chironomus riparius

Os sistemas aquáticos naturais podem estar sujeitos frequentemente a entrada de tóxicos, quer seja através da lixiviação dos campos agrícolas ou da descarga por parte de unidades industriais. Avaliar o impacto potencial destes contaminantes nos sistemas aquáticos é muito importante, porque pode promover consequências sérias no balanço ecológico dos ecossistemas. Os efeitos de níveis sub-letais destes tóxicos nas populações aquáticas são detectados, em muitos casos, somente após diversas gerações, dependendo da espécie e do contaminante. O comportamento animal é considerado como sendo a primeira linha de defesa perante estímulos ambientais, e pode ser uma representação de alterações fisiológicas no organismo, sendo portanto um indicador excelente de alterações ambientais. O desenvolvimento dos sistemas de aviso prévio que integram parâmetros comportamentais pode ajudar a prever mais rapidamente possíveis alterações ao nível das populações naturais, do que a utilização de testes ecotoxicológicos padrão com a mesma finalidade. O conhecimento acerca de possíveis implicações devido a alterações comportamentais, em organismos bentónicos e em populações do campo sujeitas a tóxicos, é ainda escasso. Sabendo isto, neste estudo pretendeu-se investigar como o comportamento de Chironomus riparius – usando um biomonitor em tempo real – e outros parâmetros tais como crescimento, emergência de adultos, bioacumulação e biomarcadores, são afectados pela exposição a imidacloprid e ao mercúrio, que foram seleccionados como contaminantes. Os resultados demonstraram que a exposição às concentrações sub-letais de imidacloprid afecta o crescimento e o comportamento dos quironomídeos e que estes organismos podem recuperar de uma exposição curta ao insecticida. O comportamento que corresponde à ventilação de C. riparius revelou-se como um parâmetro mais sensível do que a locomoção e do que as respostas bioquímicas, quando as larvas foram sujeitas ao imidacloprid. Larvas de C. riparius expostas a concentrações sub-letais de mercúrio apresentaram uma tendência de diminuição de actividade comportamental, em testes com concentrações crescentes do tóxico; o crescimento das larvas foi também prejudicado, e as taxas de emergência de adultos e o tempo de desenvolvimento apresentaram retardamento. Estes organismos podem bioacumular rapidamente o mercúrio em condições de não alimentação e apresentam uma lenta depuração deste metal. Estes efeitos podem, em último caso, conduzir a prováveis repercussões ao nível da população e das comunidades. As reduções em actividades comportamentais, mesmo em concentrações baixas, podem diminuir a quantidade de tempo gasta na procura de alimento, produzindo efeitos aos níveis morfo-fisiológicos, e assim afectar severamente o desempenho dos quironomídeos no ambiente. O uso destes factores comportamentais como um parâmetro ecotoxicológico sub-letal relevante ao nível da toxicologia aumentará a versatilidade dos testes, permitindo uma resposta comportamental mensurável e quantitativa ao nível do organismo, utilizando uma avaliação não destrutiva, e assim certificando que esta aproximação pode ser usada em testes ecotoxicológicos futuros.

Lacertid lizards as bioindicators of agricultural contamination

Apesar do recente aumento no número de estudos, os lagartos persistem como um dos grupos menos estudados em ecotoxicologia e o desconhecimento em relação à sua resposta à contaminação ambiental é enorme. A nível europeu, os lacertídeos têm sido identificados como potenciais espécies modelo para a ecotoxicologia com répteis. O principal objectivo deste projecto era determinar se um lacertídeo abundante pertencente ao género Podarcis, podia ser utilizado como bioindicador de exposição e toxicidade em zonas agrícolas. Para atingir este objectivo, utilizámos uma estratégia integrada com três fases. Numa primeira fase realizou-se um estudo de campo para documentar o tipo de exposição e parâmetros populacionais de populações de lacertídeos que ocorrem em zonas de uso intenso de pesticidas e zonas de agricultura orgânica. A segunda fase consistiu num estudo de mesocosmo em que se expuseram juvenis a um conjunto de pesticidas em condições controladas durante um período de um ano. Finalmente, a terceira fase incluiu um estudo laboratorial sobre os efeitos do clorpirifos, um dos insecticidas mais utilizado a nível global, em lagartixas. No término de cada um dos estudos, analisaram-se diversos biomarcadores e parâmetros de exposição e toxicidade a pesticidas nos diferentes indivíduos. Este conjunto abrangente de parâmetros foi analisado em diferentes níveis de organização biológica, incluindo parâmetros populacionais, bem como comportamentais, fisiológicos, bioquímicos e histológicos. Em geral, detectaram-se poucas diferenças estatísticas significativas entre as populações dos campos expostos a pesticidas e populações referência. Confirmando a dificuldade que existe em isolar os efeitos de diferentes contaminantes sobre as populações de outros factores locais, ciclos sazonais ou eventos estocásticos. As populações de P. bocagei parecem ser capazes de lidar com o nível observado de exposição a pesticidas. No entanto, indivíduos que vivem em locais expostos a pesticidas parecem estar menos adaptados ecologicamente do que aqueles que vivem em locais referência, apresentando um estado de depleção nutricional e sinais de stress metabólico. Os resultados obtidos com os animais da experiência de mesocosmo parecem reforçar estes resultados. Os animais prosperaram relativamente bem em todos os mesocosmos, independentemente do tratamento ou não com pesticidas, apresentando uma ampla gama de comportamentos naturais. A abordagem laboratorial confirmou P. bocagei como um valioso indicador de exposição sub-letal a doses ambientalmente realistas de clorpirifos. De acordo, com o conjunto d resultados obtidos, P. bocagei parece ser um bioindicador adequado de exposição a pesticidas.

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Germination requirements of Plantago algarbiensis seeds, an endangered species endemic to the Algarve region (South of Portugal)

The ecdysteroid, 20-hydroxyecdysone or beta-ecdysone, is a steroid hormone which plays a crucial role in molting, metamor- phosis and reproduction of arthropods. This ecdysteroid and its analogues have high potential to be used as insecticides. Previous studies in our laboratory have demonstrated that Vitex glabrata R.Br. (commonly known as Khai-Nao), an indigenous herbaceous plant of Thailand, synthesized and accumulated high quantity of 20-hydroxyecdysone. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect of precursor and elicitors feeding on cell growth and 20-hydroxyecdysone production of V. glabrata suspension cultures. Plant cells were cultured in half strength MS medium containing 30 g/l glucose and supplemented with 2.0 mg/l 6- benzylaminopurine (BAP) and 1.0 mg/l 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D). Cells were incubated on a rotary shaker at 120 rpm under continuous light of 2000 lux at 25 °C. Sterilized cholesterol (5 and 10 mg/l) as precursor was added to the cell cultures on the day of inoculation, while chitosan (50, 100 and 200 mg/l) and methyl jusmonate (100 and 200 mM) as elicitors were added to the cell cultures on day 6 after cultivation.

Pharmacogenetic analysis of the pregnane x receptor in breast cancer. Case-control study

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

Development of new technologies for the selective removal of volatile compounds with applications in forensic science and natural aromas

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2015

Effects of early life permethrin exposure on spatial working memory and on monoamine levels in different brain areas of pre-senescent rats

Pesticide exposure during brain development could represent an important risk factor for the onset of neurodegenerative diseases. Previous studies investigated the effect of permethrin (PERM) administered at 34 mg/kg, a dose close to the no observable adverse effect level (NOAEL) from post natal day (PND) 6 to PND 21 in rats. Despite the PERM dose did not elicited overt signs of toxicity (i.e. normal body weight gain curve), it was able to induce striatal neurodegeneration (dopamine and Nurr1 reduction, and lipid peroxidation increase). The present study was designed to characterize the cognitive deficits in the current animal model. When during late adulthood PERM treated rats were tested for spatial working memory performances in a T-maze-rewarded alternation task they took longer to choose for the correct arm in comparison to age matched controls. No differences between groups were found in anxiety-like state, locomotor activity, feeding behavior and spatial orientation task. Our findings showing a selective effect of PERM treatment on the T-maze task point to an involvement of frontal cortico-striatal circuitry rather than to a role for the hippocampus. The predominant disturbances concern the dopamine (DA) depletion in the striatum and, the serotonin (5-HT) and noradrenaline (NE) unbalance together with a hypometabolic state in the medial prefrontal cortex area. In the hippocampus, an increase of NE and a decrease of DA were observed in PERM treated rats as compared to controls. The concentration of the most representative marker for pyrethroid exposure (3-phenoxybenzoic acid) measured in the urine of rodents 12 h after the last treatment was 41.50 µ/L and it was completely eliminated after 96 h.

Angolan cymbopogon citratus used for therapeutic benefits: nutritional composition and influence of solvents in phytochemicals content and antioxidant activity of leaf extracts

Folk medicine is a relevant and effective part of indigenous healthcare systems which are, in practice, totally dependent on traditional healers. An outstanding coincidence between indigenous medicinal plant uses and scientifically proved pharmacological properties of several phytochemicals has been observed along the years. This work focused on the leaves of a medicinal plant traditionally used for therapeutic benefits (Angolan Cymbopogon citratus), in order to evaluate their nutritional value. The bioactive phytochemical composition and antioxidant activity of leaf extracts prepared with different solvents (water, methanol and ethanol) were also evaluated. The plant leaves contained ~60% of carbohydrates, protein (~20%), fat (~5%), ash (~4%) and moisture (~9%). The phytochemicals screening revealed the presence of tannins, flavonoids, and terpenoids in all extracts. Methanolic extracts also contained alkaloids and steroids. Several methods were used to evaluate total antioxidant capacity of the different extracts (DPPH; NO; and H2O2 scavenging assays, reducing power, and FRAP). Ethanolic extracts presented a significantly higher antioxidant activity (p < 0.05) except for FRAP, in which the best results were achieved by the aqueous extracts. Methanolic extracts showed the lowest radical scavenging activities for both DPPH; and NO; radicals.

Determination of airborne nanoparticles in elderly care centres

According to numerous studies, airborne nanoparticles have a potential to produce serious adverse human health effects when deposited into the respiratory tract. The most important parts of the lung are the alveolar regions with their enormous surface areas and potential to transfer nanoparticles into the blood stream. These effects may be potentiated in case of the elderly, since this population is more susceptible to air pollutants in general and more to nanoparticles than larger particles. The main goal of this investigation was to determine the exposure of institutionalized elders to nanoparticles using Nanoparticle Surface Area Monitor (NSAM) equipment to calculate the deposited surface area (DSA) of nanoparticles into elderly lungs. In total, 193 institutionalized individuals over 65 yr of age were examined in four elderly care centers (ECC). The occupancy daily pattern was achieved by applying a questionnaire, and it was concluded that these subjects spent most of their time indoors, including the bedroom and living room, the indoor microenvironments with higher prevalence of elderly occupancy. The deposited surface area ranged from 10 to 46 mu m(2)/cm(3). The living rooms presented significantly higher levels compared with bedrooms. Comparing PM10 concentrations with nanoparticles deposited surface area in elderly lungs, it is conceivable that living rooms presented the highest concentration of PM10 and were similar to the highest average DSA. The temporal distribution of DSA was also assessed. While data showed a quantitative fluctuation in values in bedrooms, high peaks were detected in living rooms.