Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

A systems approach to cardiovascular health and disease with a focus on aortic wave dynamics

Cardiovascular diseases (CVDs) have reached an epidemic proportion in the US and worldwide with serious consequences in terms of human suffering and economic impact. More than one third of American adults are suffering from CVDs. The total direct and indirect costs of CVDs are more than $500 billion per year. Therefore, there is an urgent need to develop noninvasive diagnostics methods, to design minimally invasive assist devices, and to develop economical and easy-to-use monitoring systems for cardiovascular diseases. In order to achieve these goals, it is necessary to gain a better understanding of the subsystems that constitute the cardiovascular system. The aorta is one of these subsystems whose role in cardiovascular functioning has been underestimated. Traditionally, the aorta and its branches have been viewed as resistive conduits connected to an active pump (left ventricle of the heart). However, this perception fails to explain many observed physiological results. My goal in this thesis is to demonstrate the subtle but important role of the aorta as a system, with focus on the wave dynamics in the aorta.

The operation of a healthy heart is based on an optimized balance between its pumping characteristics and the hemodynamics of the aorta and vascular branches. The delicate balance between the aorta and heart can be impaired due to aging, smoking, or disease. The heart generates pulsatile flow that produces pressure and flow waves as it enters into the compliant aorta. These aortic waves propagate and reflect from reflection sites (bifurcations and tapering). They can act constructively and assist the blood circulation. However, they may act destructively, promoting diseases or initiating sudden cardiac death. These waves also carry information about the diseases of the heart, vascular disease, and coupling of heart and aorta. In order to elucidate the role of the aorta as a dynamic system, the interplay between the dominant wave dynamic parameters is investigated in this study. These parameters are heart rate, aortic compliance (wave speed), and locations of reflection sites. Both computational and experimental approaches have been used in this research. In some cases, the results are further explained using theoretical models.

The main findings of this study are as follows: (i) developing a physiologically realistic outflow boundary condition for blood flow modeling in a compliant vasculature; (ii) demonstrating that pulse pressure as a single index cannot predict the true level of pulsatile workload on the left ventricle; (iii) proving that there is an optimum heart rate in which the pulsatile workload of the heart is minimized and that the optimum heart rate shifts to a higher value as aortic rigidity increases; (iv) introducing a simple bio-inspired device for correction and optimization of aortic wave reflection that reduces the workload on the heart; (v) deriving a non-dimensional number that can predict the optimum wave dynamic state in a mammalian cardiovascular system; (vi) demonstrating that waves can create a pumping effect in the aorta; (vii) introducing a system parameter and a new medical index, Intrinsic Frequency, that can be used for noninvasive diagnosis of heart and vascular diseases; and (viii) proposing a new medical hypothesis for sudden cardiac death in young athletes.

Urinary osteopontin predicts incident chronic kidney disease, while plasma osteopontin predicts cardiovascular death in elderly men

Background and objectives The matricellular protein osteopontin is involved in the pathogenesis of both kidney and cardiovascular disease. However, whether circulating and urinary osteopontin levels are associated with the risk of these diseases is less studied. Design, setting, participants and measurements A community-based cohort of elderly (Uppsala Longitudinal Study of Adult Men [ULSAM; n=741; mean age: 77 years]) was used to study the associations between plasma and urinary osteopontin, incident chronic kidney disease, and the risk of cardiovascular death during a median of 8 years of follow-up. Results There was no significant cross-sectional correlation between plasma and urinary osteopontin (Spearman rho=0.07, p=0.13). Higher urinary, but not plasma osteopontin, was associated with incident chronic kidney disease in multivariable models adjusted for age, cardiovascular risk factors, baseline glomerular filtration rate (GFR), urinary albumin/creatinine ratio, and inflammatory markers interleukin 6 and high sensitivity C-reactive protein (Odds ratio for 1-standard deviation (SD) of urinary osteopontin, 1.42, 95% CI (1.00-2.02), p=0.048). Conversely, plasma osteopontin, but not urinary osteopontin, was independently associated with cardiovascular death (multivariable hazard ratio per SD increase, 1.35, 95% CI (1.14-1.58), p<0.001, and 1.00, 95% CI (0.79-1.26), p=0.99, respectively). The addition of plasma osteopontin to a model with established cardiovascular risk factors significantly increased the C-statistics for the prediction of cardiovascular death (p<0.002). Conclusions Higher urinary osteopontin specifically predicts incident chronic kidney disease while plasma osteopontin specifically predicts cardiovascular death. Our data put forward osteopontin as an important factor in the detrimental interplay between the kidney and the cardiovascular system. The clinical implications, and why plasma and urinary osteopontin mirror different pathologies, remains to be established.

The influence of oxygenated organic aerosols (OOA) and its volatile organic content on the oxidative potential of diesel particulate mater

Airborne particulate matter pollution is of concern for a number of reasons and has been widely recognised as an important risk factor to human health. A number of toxicological and epidemiological studies reported negative health effects on both respiratory and cardiovascular system. Despite the availability of a huge body of research, the underlying toxicological mechanisms by which particles induce adverse health effects are not yet entirely understood. The production of reactive oxygen species (ROS) has been shown to induce oxidative stress, which is proposed as a mechanism for many of the adverse health outcomes associated with exposure to particulate matter (PM). Therefore, it is crucial to introduce a technique that will allow rapid and routine screenings of the oxidative potential of PM.

Inhibition of platelet aggregation and 5-HT release by extracts of Australian plants used traditionally as headache treatments

To identify potential migraine therapeutics, extracts of eighteen plants were screened to detect plant constituents affecting ADP induced platelet aggregation and [14C]5-hydroxytryptamine (5-HT) release. Extracts of the seven plants exhibiting significant inhibition of platelet function were reanalysed in the presence of polyvinyl pyrrolidone (PVP) to remove polyphenolic tannins that precipitate proteins. Two of these extracts no longer exhibited inhibition of platelet activity after removal of tannins. However, extracts of Crataegus monogyna, Ipomoea pes-caprae, Eremophila freelingii, Eremophila longifolia, and Asteromyrtus symphyocarpa still potently inhibited ADP induced human platelet [14C]5-HT release in vitro, with levels ranging from 62 to 95% inhibition. I. pes-caprae, and C. monogyna also caused significant inhibition of ADP induced platelet aggregation. All of these plants have been previously used as traditional headache treatments, except for C. monogyna which is used primarily for protective effects on the cardiovascular system. Further studies elucidating the compounds that are responsible for these anti-platelet effects are needed to determine their exact mechanism of action.

Cardiac parasympathetic reactivation following exercise : implications for training prescription

The objective of exercise training is to initiate desirable physiological adaptations that ultimately enhance physical work capacity. Optimal training prescription requires an individualized approach, with an appropriate balance of training stimulus and recovery and optimal periodization. Recovery from exercise involves integrated physiological responses. The cardiovascular system plays a fundamental role in facilitating many of these responses, including thermoregulation and delivery/removal of nutrients and waste products. As a marker of cardiovascular recovery, cardiac parasympathetic reactivation following a training session is highly individualized. It appears to parallel the acute/intermediate recovery of the thermoregulatory and vascular systems, as described by the supercompensation theory. The physiological mechanisms underlying cardiac parasympathetic reactivation are not completely understood. However, changes in cardiac autonomic activity may provide a proxy measure of the changes in autonomic input into organs and (by default) the blood flow requirements to restore homeostasis. Metaboreflex stimulation (e.g. muscle and blood acidosis) is likely a key determinant of parasympathetic reactivation in the short term (0–90 min post-exercise), whereas baroreflex stimulation (e.g. exercise-induced changes in plasma volume) probably mediates parasympathetic reactivation in the intermediate term (1–48 h post-exercise). Cardiac parasympathetic reactivation does not appear to coincide with the recovery of all physiological systems (e.g. energy stores or the neuromuscular system). However, this may reflect the limited data currently available on parasympathetic reactivation following strength/resistance-based exercise of variable intensity. In this review, we quantitatively analyse post-exercise cardiac parasympathetic reactivation in athletes and healthy individuals following aerobic exercise, with respect to exercise intensity and duration, and fitness/training status. Our results demonstrate that the time required for complete cardiac autonomic recovery after a single aerobic-based training session is up to 24 h following low-intensity exercise, 24–48 h following threshold-intensity exercise and at least 48 h following high-intensity exercise. Based on limited data, exercise duration is unlikely to be the greatest determinant of cardiac parasympathetic reactivation. Cardiac autonomic recovery occurs more rapidly in individuals with greater aerobic fitness. Our data lend support to the concept that in conjunction with daily training logs, data on cardiac parasympathetic activity are useful for individualizing training programmes. In the final sections of this review, we provide recommendations for structuring training microcycles with reference to cardiac parasympathetic recovery kinetics. Ultimately, coaches should structure training programmes tailored to the unique recovery kinetics of each individual.

Passive control of a biventricular assist device with compliant inflow cannulae

Rotary ventricular assist device (VAD) support of the cardiovascular system is susceptible to suction events due to the limited preload sensitivity of these devices. This may be of particular concern with rotary biventricular support (BiVAD) where the native, flow-balancing Starling response is diminished in both ventricles. The reliability of sensor and sensor-less based control systems which aim to control VAD flow based on preload have limitations and thus an alternative solution is desired. This study introduces a compliant inflow cannula (CIC) which could improve the preload sensitivity of a rotary VAD by passively altering VAD flow depending on preload. To evaluate the design, both the CIC and a standard rigid inflow cannula were inserted into a mock circulation loop to enable biventricular heart failure support using configurations of atrial and ventricular inflow, and arterial outflow cannulation. A range of left (LVAD) and right VAD (RVAD) rotational speeds were tested as well as step changes in systemic/pulmonary vascular resistance to alter relative preloads, with resulting flow rates recorded. Simulated suction events were observed, particularly at higher VAD speeds, during support with the rigid inflow cannula, while the CIC prevented suction events under all circumstances. The compliant section passively restricted its internal diameter as preload was reduced, which increased the VAD circuit resistance and thus reduced VAD flow. Therefore, a compliant inflow cannula could potentially be used as a passive control system to prevent suction events in rotary left, right and biventricular support.