A bioinspired peptide scaffold with high antibiotic activity and low in vivo toxicity

Bacterial resistance to almost all available antibiotics is an important public health issue. A major goal in antimicrobial drug discovery is the generation of new chemicals capable of killing pathogens with high selectivity, particularly multi-drug-resistant ones. Here we report the design, preparation and activity of new compounds based on a tunable, chemically accessible and upscalable lipopeptide scaffold amenable to suitable hit-to-lead development. Such compounds could become therapeutic candidates and future antibiotics available on the market. The compounds are cyclic, contain two D-amino acids for in vivo stability and their structures are reminiscent of other cyclic disulfide-containing peptides available on the market. The optimized compounds prove to be highly active against clinically relevant Gram-negative and Gram-positive bacteria. In vitro and in vivo tests show the low toxicity of the compounds. Their antimicrobial activity against resistant and multidrug-resistant bacteria is at the membrane level, although other targets may also be involved depending on the bacterial strain.

A bioinspired peptide scaffold with high antibiotic activity and low in vivo toxicity

Bacterial resistance to almost all available antibiotics is an important public health issue. A major goal in antimicrobial drug discovery is the generation of new chemicals capable of killing pathogens with high selectivity, particularly multi-drug-resistant ones. Here we report the design, preparation and activity of new compounds based on a tunable, chemically accessible and upscalable lipopeptide scaffold amenable to suitable hit-to-lead development. Such compounds could become therapeutic candidates and future antibiotics available on the market. The compounds are cyclic, contain two D-amino acids for in vivo stability and their structures are reminiscent of other cyclic disulfide-containing peptides available on the market. The optimized compounds prove to be highly active against clinically relevant Gram-negative and Gram-positive bacteria. In vitro and in vivo tests show the low toxicity of the compounds. Their antimicrobial activity against resistant and multidrug-resistant bacteria is at the membrane level, although other targets may also be involved depending on the bacterial strain.

Serial superficial digital flexor tendon biopsies for diagnosing and monitoring collagenase-induced tendonitis in horses

The purpose of this investigation was to demonstrate the feasibility of a biopsy technique by performing serial evaluations of tissue samples of the forelimb superficial digital flexor tendon (SDFT) in healthy horses and in horses subjected to superficial digital flexor tendonitis induction. Eight adult horses were evaluated in two different phases (P), control (P1) and tendonitis-induced (P2). At P1, the horses were subjected to five SDFT biopsies of the left forelimb, with 24 hours (h) of interval. Clinical and ultrasonographic (US) examinations were performed immediately before the tendonitis induction, 24 and 48 h after the procedure. The biopsied tendon tissues were analyzed through histology. P2 evaluations were carried out three months later, when the same horses were subjected to tendonitis induction by injection of bacterial collagenase into the right forelimb SDFT. P2 clinical and US evaluations, and SDFT biopsies were performed before, and after injury induction at the following time intervals: after 24, 48, 72 and 96 h, and after 15, 30, 60, 90, 120 and 150 days. The biopsy technique has proven to be easy and quick to perform and yielded good tendon samples for histological evaluation. At P1 the horses did not show signs of localised inflammation, pain or lameness, neither SDFT US alterations after biopsies, showing that the biopsy procedure per se did not risk tendon integrity. Therefore, this procedure is feasible for routine tendon histological evaluations. The P2 findings demonstrate a relation between the US and histology evaluations concerning induced tendonitis evolution. However, the clinical signs of tendonitis poorly reflected the microscopic tissue condition, indicating that clinical presentation is not a reliable parameter for monitoring injury development. The presented method of biopsying SDFT tissue in horses enables the serial collection of material for histological analysis causing no clinical signs and tendon damage seen by US images. Therefore, this technique allows tendonitis to be monitored and can be considered an excellent tool in protocols for evaluating SDFT injury.

Effect of an aqueous extract of Phaseolus vulgaris on the properties of tail tendon collagen of rats with streptozotocin-induced diabetes

Changes in the structural and functional properties of collagen caused by advanced glycation might be of importance for the etiology of late complications in diabetes. The present study was undertaken to investigate the influence of oral administration of aqueous pod extract (200 mg/kg body weight) of Phaseolus vulgaris, an indigenous plant used in Ayurvedic Medicine in India, on collagen content and characteristics in the tail tendon of streptozotocin-diabetic rats. In diabetic rats, collagen content (117.01 ± 6.84 mg/100 mg tissue) as well as its degree of cross-linking was increased, as shown by increased extent of glycation (21.70 ± 0.90 µg glucose/mg collagen), collagen-linked fluorescence (52.8 ± 3.0 AU/µmol hydroxyproline), shrinkage temperature (71.50 ± 2.50ºC) and decreased acid (1.878 ± 0.062 mg hydroxyproline/100 mg tissue) and pepsin solubility (1.77 ± 0.080 mg hydroxyproline/100 mg tissue). The alpha/ß ratio of acid- (1.69) and pepsin-soluble (2.00) collagen was significantly decreased in streptozotocin-diabetic rats. Administration of P. vulgaris for 45 days to streptozotocin-diabetic rats significantly reduced the accumulation and cross-linking of collagen. The effect of P. vulgaris was compared with that of glibenclamide, a reference drug administered to streptozotocin-diabetic rats at the dose of 600 µg/kg body weight for 45 days by gavage. The effects of P. vulgaris (collagen content, 64.18 ± 1.97; extent of glycation, 12.00 ± 0.53; collagen-linked fluorescence, 33.6 ± 1.9; shrinkage temperature, 57.0 ± 1.0; extent of cross-linking - acid-soluble collagen, 2.572 ± 0.080, and pepsin-soluble collagen, 2.28 ± 0.112) were comparable with those of glibenclamide (collagen content, 71.5 ± 2.04; extent of glycation, 13.00 ± 0.60; collagen-linked fluorescence, 38.9 ± 2.0; shrinkage temperature, 59.0 ± 1.5; extent of cross-linking - acid-soluble collagen, 2.463 ± 0.078, and pepsin-soluble collagen, 2.17 ± 0.104). In conclusion, administration of P. vulgaris pods had a positive influence on the content of collagen and its properties in streptozotocin-diabetic rats.

Viability of mesenchymal stem cells during electrospinning

Tissue engineering is a technique by which a live tissue can be re-constructed and one of its main goals is to associate cells with biomaterials. Electrospinning is a technique that facilitates the production of nanofibers and is commonly used to develop fibrous scaffolds to be used in tissue engineering. In the present study, a different approach for cell incorporation into fibrous scaffolds was tested. Mesenchymal stem cells were extracted from the wall of the umbilical cord and mononuclear cells from umbilical cord blood. Cells were re-suspended in a 10% polyvinyl alcohol solution and subjected to electrospinning for 30 min under a voltage of 21 kV. Cell viability was assessed before and after the procedure by exclusion of dead cells using trypan blue staining. Fiber diameter was observed by scanning electron microscopy and the presence of cells within the scaffolds was analyzed by confocal laser scanning microscopy. After electrospinning, the viability of mesenchymal stem cells was reduced from 88 to 19.6% and the viability of mononuclear cells from 99 to 8.38%. The loss of viability was possibly due to the high viscosity of the polymer solution, which reduced the access to nutrients associated with electric and mechanical stress during electrospinning. These results suggest that the incorporation of cells during fiber formation by electrospinning is a viable process that needs more investigation in order to find ways to protect cells from damage.

An animal experimental study of porous magnesium scaffold degradation and osteogenesis

Our objective was to observe the biodegradable and osteogenic properties of magnesium scaffolding under in vivo conditions. Twelve 6-month-old male New Zealand white rabbits were randomly divided into two groups. The chosen operation site was the femoral condyle on the right side. The experimental group was implanted with porous magnesium scaffolds, while the control group was implanted with hydroxyapatite scaffolds. X-ray and blood tests, which included serum magnesium, alanine aminotransferase (ALT), creatinine (CREA), and blood urea nitrogen (BUN) were performed serially at 1, 2, and 3 weeks, and 1, 2, and 3 months. All rabbits were killed 3 months postoperatively, and the heart, kidney, spleen, and liver were analyzed with hematoxylin and eosin (HE) staining. The bone samples were subjected to microcomputed tomography scanning (micro-CT) and hard tissue biopsy. SPSS 13.0 (USA) was used for data analysis, and values of P<0.05 were considered to be significant. Bubbles appeared in the X-ray of the experimental group after 2 weeks, whereas there was no gas in the control group. There were no statistical differences for the serum magnesium concentrations, ALT, BUN, and CREA between the two groups (P>0.05). All HE-stained slices were normal, which suggested good biocompatibility of the scaffold. Micro-CT showed that magnesium scaffolds degraded mainly from the outside to inside, and new bone was ingrown following the degradation of magnesium scaffolds. The hydroxyapatite scaffold was not degraded and had fewer osteoblasts scattered on its surface. There was a significant difference in the new bone formation and scaffold bioabsorption between the two groups (9.29±1.27 vs 1.40±0.49 and 7.80±0.50 vs 0.00±0.00 mm3, respectively; P<0.05). The magnesium scaffold performed well in degradation and osteogenesis, and is a promising material for orthopedics.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Fiabilité et changement minimal détectable de mesures obtenues à partir d'images enregistrées par ultrasonographie afin de caractériser l'intégrité du tendon d'Achille

Problématique : La quantification de l’intégrité du tendon d’Achille (TA) représente un défi en réadaptation. L’adoption de mesures quantitatives du TA, extraites à partir d’une image ultrasonographique (QUS), pourrait remédier à cette lacune. Objectifs : 1) Évaluer la fiabilité test-retest et la précision de mesures QUS du TA; 2) Déterminer le meilleur protocole de collecte de mesures QUS à employer en pratique clinique. Méthodologie : Un total de 23 TAs présentant des symptômes d’une tendinopathie achilléenne et 63 TAs asymptomatiques ont été évalués. Pour chaque TA, 8 images ont été enregistrées (2 visites * 2 évaluatrices * 2 images). Différents types de mesures QUS ont été prises : géométriques (épaisseur, largeur, aire), dérivées d’un histogramme des niveaux de gris et dérivées d’une matrice de co-occurrence. Une étude de généralisabilité a quantifié la fiabilité et la précision de chaque mesure QUS et une étude de décision a fait ressortir les meilleurs protocoles de prise de mesures. Résultats : Les mesures géométriques ont démontré une excellente fiabilité et précision. Les mesures dérivées de l’histogramme des niveaux de gris ont démontré une fiabilité et précision médiocres. Les mesures dérivées d’une matrice de co-occurrence ont démontré une fiabilité modérée à excellente et une précision variable. En pratique clinique, il est recommandé de moyenner les résultats de trois images collectées par un évaluateur lors d’une visite. Conclusion : L’utilisation des mesures QUS géométriques permet de quantifier l’intégrité du TA (clinique et recherche). Davantage d’études sur les mesures QUS dérivées d’une matrice de co-occurrence s’avèrent nécessaires.

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.

Conducting nanofibres produced by electrospinning

Electrospun fibres based on polypyrrole have been prepared. The incorporation of preformed polypyrrole into fibres electrospun from a carrier polymer can only be achieved when materials are prepared with particulates smaller than the cross-section of the fibre; even so there are some problems, with the substantial loss of material from the electrode tip. As an alternative approach, soluble polypyrroles can be prepared but these are not of sufficient viscosity to prepare electrospun fibres, once again a carrier polymer must be employed. More effective loadings are gained by the process of coating the outer surface of a pre-spun fibre; in this way electrospun fibres coated with polypyrrole can be prepared. This approach has been adapted to produce silver coated polymer fibres by the use of copolymers of styrene and 3-vinyl benzaldehyde.

Electrospinning atactic polystyrene: A neutron scattering study

Electrospinning is a method used to produce nanoscale to microscale sized polymer fibres. In this study we electrospin 1:1 blends of deuterated and hydrogenated atactic-Polystyrene from N,N-Dimethylformamide for small angle neutron scattering experiments in order to analyse the chain conformation in the electrospun fibres. Small angle neutron scattering was carried out on randomly orientated fibre mats obtained using applied voltages of 10kV-15kV and needle tip to collector distances of 20cm and 30cm. Fibre diameters varied from 3mm - 20mm. Neutron scattering data from fibre samples were compared with bulk samples of the same polymer blend. The scattering data indicates that there are pores and nanovoiding present in the fibres; this was confirmed by scanning electron microscopy. A model that combines the scattering from the pores and the labelled polymer chains was used to extract values for the radius of gyration. The radius of gyration in the fibres is found to vary little with the applied voltage, but varies with the initial solution concentration and fibre diameter. The values for the radius of gyration in the fibres are broadly equivalent to that of the bulk state.

Ex Vivo Construction of an Artificial Ocular Surface by Combination of Corneal Limbal Epithelial Cells and a Compressed Collagen Scaffold Containing Keratocytes

We have investigated the use of a laminin coated compressed collagen gel containing corneal fibroblasts (keratocytes) as a novel scaffold to support the growth of corneal limbal epithelial stem cells. The growth of limbal epithelial cells was compared between compressed collagen gel and a clinically proven conventional substrate, denuded amniotic membrane. Following compression of the collagen gel, encapsulated keratocytes remained viable and scanning electron microscopy showed that fibres within the compressed gel were dense, homogeneous and similar in structure to those within denuded amniotic membrane. Limbal epithelial cells were successfully expanded upon the compressed collagen resulting in stratified layers of cells containing desmosome and hemidesmosome structures. The resulting corneal constructs of both the groups shared a high degree of transparency, cell morphology and cell stratification. Similar protein expression profiles for cytokeratin 3 and cytokeratin 14 and no significant difference in cytokeratin 12 mRNA expression levels by real time PCR were also observed. This study provides the first line of evidence that a laminin coated compressed collagen gel containing keratocytes can adequately support limbal epithelial cell expansion, stratification and differentiation to a degree that is comparable to the leading conventional scaffold, denuded amniotic membrane.

Can a consecutive double turn conformation be considered as a peptide based molecular scaffold for supramolecular helix in the solid state?

Helices and sheets are ubiquitous in nature. However, there are also some examples of self-assembling molecules forming supramolecular helices and sheets in unnatural systems. Unlike supramolecular sheets there are a very few examples of peptide sub-units that can be used to construct supramolecular helical architectures using the backbone hydrogen bonding functionalities of peptides. In this report we describe the design and synthesis of two single turn/bend forming peptides (Boc-Phe-Aib-Ile-OMe 1 and Boc-Ala-Leu-Aib-OMe 2) (Aib: alpha-aminoisobutyric acid) and a series of double-turn forming peptides (Boc-Phe-Aib-IIe-Aib-OMe 3, Boc-Leu-Aib-Gly-Aib-OMe 4 and Boc-gamma-Abu-Aib-Leu-Aib-OMe 5) (gamma-Abu: gamma-aminobutyric acid). It has been found that, in crystals, on self-assembly, single turn/bend forming peptides form either a supramolecular sheet (peptide 1) or a supramolecular helix (peptide 2). unlike self-associating double turn forming peptides, which have only the option of forming supramolecular helical assemblages. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A new molecular scaffold for the formation of supramolecular peptide double helices: the crystallographic insight

A series of water-soluble synthetic dipeptides (1-3) with an N-terminally located beta-alanine residue, beta-alanyl-L-valine (1), beta-alanyl-L-isoleucine (2), and beta-alanyl-L-phenylalanine (3, form hydrogen-bonded supramolecular double helices with a pitch length of 1 nm, whereas the C-terminally positioned beta-alanine containing dipeptide (4), L-phenylalanyl-beta-alanine, does not form a supramolecular double helical structure. beta-Ala-Xaa (Xaa = Val/Ile/Phe) can be regarded as a new motif for the formation of supramolecular double helical structures in the solid state.