Avaliação da atividade apoptótica de substância pura isolada de Cryptocarya mandioccanna em células de carcinoma cervical imortalizadas pelo papilomavirus humano (HPV)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Desenvolvimento de sistemas líquido-cristalinos multifuncionais contendo nanopartículas de TiO2 para proteção solar e liberação controlada de terpinem-4-ol

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Particle emission from heavy-duty engine fuelled with blended diesel and biodiesel

In this study, particulate matter (PM) were characterized from a place impacted by heavy-duty vehicles (Bus Station) fuelled with diesel/biodiesel fuel blend (B3) in the city of Londrina, Brazil. Sixteen priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) concentrations were analyzed in the samples by their association with atmospheric PM, mass size distributions and major ions (fluorite, chloride, bromide, nitrate, phosphate, sulfate, nitrite, oxalate; fumarate, formate, succinate and acetate; lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium and ammonium). Results indicate that major ions represented 21.2% particulate matter mass. Nitrate, sulfate, and ammonium, respectively, presented the highest concentration levels, indicating that biodiesel may also be a significant source for these ions, especially nitrate. Dibenzo[a,h]anthracene and indeno[1,2,3,-cd]pyrene were the main PAH found, and a higher fraction of PAH particles was found in diameters lower than 0.25 mu m in Londrina bus station. The fine and ultrafine particles were dominant among the PM evaluated, suggesting that biodiesel decreases the total PAH emission. However, it does also increase the fraction of fine and ultrafine particles when compared to diesel.

Identifying regulational alterations in gene regulatory networks by state space representation of vector autoregressive models and variational annealing

Background: In the analysis of effects by cell treatment such as drug dosing, identifying changes on gene network structures between normal and treated cells is a key task. A possible way for identifying the changes is to compare structures of networks estimated from data on normal and treated cells separately. However, this approach usually fails to estimate accurate gene networks due to the limited length of time series data and measurement noise. Thus, approaches that identify changes on regulations by using time series data on both conditions in an efficient manner are demanded. Methods: We propose a new statistical approach that is based on the state space representation of the vector autoregressive model and estimates gene networks on two different conditions in order to identify changes on regulations between the conditions. In the mathematical model of our approach, hidden binary variables are newly introduced to indicate the presence of regulations on each condition. The use of the hidden binary variables enables an efficient data usage; data on both conditions are used for commonly existing regulations, while for condition specific regulations corresponding data are only applied. Also, the similarity of networks on two conditions is automatically considered from the design of the potential function for the hidden binary variables. For the estimation of the hidden binary variables, we derive a new variational annealing method that searches the configuration of the binary variables maximizing the marginal likelihood. Results: For the performance evaluation, we use time series data from two topologically similar synthetic networks, and confirm that our proposed approach estimates commonly existing regulations as well as changes on regulations with higher coverage and precision than other existing approaches in almost all the experimental settings. For a real data application, our proposed approach is applied to time series data from normal Human lung cells and Human lung cells treated by stimulating EGF-receptors and dosing an anticancer drug termed Gefitinib. In the treated lung cells, a cancer cell condition is simulated by the stimulation of EGF-receptors, but the effect would be counteracted due to the selective inhibition of EGF-receptors by Gefitinib. However, gene expression profiles are actually different between the conditions, and the genes related to the identified changes are considered as possible off-targets of Gefitinib. Conclusions: From the synthetically generated time series data, our proposed approach can identify changes on regulations more accurately than existing methods. By applying the proposed approach to the time series data on normal and treated Human lung cells, candidates of off-target genes of Gefitinib are found. According to the published clinical information, one of the genes can be related to a factor of interstitial pneumonia, which is known as a side effect of Gefitinib.

Role of caveolin-1 in the proliferation of solid tumours in vitro

Caveolin-1 (Cav-1), the essential structural constituent of caveolae, which are flask-shaped invaginations of the plasma membrane, has been found to play a key role in the modulation of cell proliferation and cancer development. It seems to act as an oncosuppressor or a promoter of growth, depending on the histotype, stage and grade of each tumour. The aim of this study was to analyze the effects of Caveolin-1 gene silencing on the proliferation of human lung cancer and osteosarcoma in vitro. Our data show that Cav-1 silencing blocks the growth in both metastatic lung cancer cell lines analyzed, suggesting a proliferation promoting action of the protein in these cells. A marked decrease of phospho-Akt, phospho-ERK, STAT3, cyclin D1, CDK4 and consequently of phospho-Rb expression was evident in the cells treated with Cav-1 siRNA. With regards to osteosarcoma, we demonstrated that the suppression of Cav-1 results in the blocking of MG-63 and in the slowing down of HOS proliferation, suggesting a role for Cav-1 as a promoter of tumour growth in these cell lines. A marked decrease of phospho-Akt, cyclin E, CDK2 and phospho-Rb and an increase of p21 expression levels were evident in the cells treated with Cav-1 siRNA. Our results suggest two new cell cycle inhibiting pathways, mediated by Cav-1 knock-down, and provide new insights into the molecular mechanisms underlying the tumour-promoting role of Cav-1 in lung cancer and osteosarcoma. In this work we also investigated the role of estrogens in lung cancer and the functional cross-talk between Cav-1 and estrogens/estrogen receptors in it. Our results show that 17β-estradiol induces proliferation either in RAL or in SCLC-R1 cells and that both cell lines are sensitive to 4-OHT antiproliferative effect. The sensitivity to estrogen stimulation seems to be gender- and/or histological type-independent in metastatic lung cancer in vitro.

Detektion von Nickel- und Cobaltspezies in einzelnen lebenden Zellen mit hoher lateraler Auflösung

Übergangsmetallen wie Nickel und Cobalt kommt meist eine große Bedeutung als Cofaktor in Enzymen oder Metallkomplexen im Metabolismus von Lebewesen zu. Da eine sehr geringe Konzentration dieser Übergangsmetalle in einer Zelle für deren Funktionalität ausreicht, ist eine konstante Konzentration der Spurenelemente in einer Zelle angestrebt. Durch meist anthropogene Einflüsse sind Pflanzen und Menschen zunehmend hohen Konzentrationen von Übergangsmetallen ausgesetzt, die in Abhängigkeit von ihrer Spezies, der Konzentration und der Lokalisation unterschiedliche Toxizitäten aufweisen können. Die Speziation von Metallen wurde bisher mittels gängiger Analyseverfahren, wie der ICP-MS und ähnlicher Verfahren, anhand von bulk-Material durchgeführt. Durch die Entwicklung von optischen Sensoren für Metallionen war es möglich, diese Metalle auch in lebenden Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie zu lokalisieren. Ke und Kollegen (2006, 2007) nutzten einen solchen optischen Sensor - Newport Green DCF, um die Aufnahme von Nickel in humane A543 Lungenbronchialepithelzellen nach Inkubation mit dem wasserlöslichen NiCl2 (0,5 mM und 1 mM) sowie den wasserunlöslichen Verbindungen Ni3S2 (0,5 µg/cm2 und 1 µg/cm2) und NiS (2,5 µg/cm2) nachzuweisen und zu lokalisieren und konnten damit eine Akkumulation von Nickel im Zytoplasma und im Zellkern aufzeigen. Dabei war bei wasserlöslichen und wasserunlöslichen Nickelverbindungen Nickel nach 24 h im Zytoplasma und erst nach 48 h im Zellkern zu beobachten.rnrnDa Nickel und Cobalt keine detektierbare Eigenfluoreszenz unter den gegebenen Bedingungen zeigten, wurde für den optischen Nachweis von Nickel und Cobalt mit dem konfokalen Laser-Raster Mikroskop (CLSM) nach der Zugabe der verschiedenen wasserlöslichen und wasserunlöslichen Metallverbindungen NiCl2, NiSO4, Ni3S2 und CoCl2 in einzelnen lebenden humanen Gingiva-Fibroblasten, sowie in Pflanzenzellen in dieser Arbeit ebenfalls der optische Sensor Newport Green DCF genutzt. Korrespondierend zu den Ergebnissen früherer Arbeiten von Ke et al. (2006, 2007), in denen die Nickelaufnahme bei Konzentrationen von >0,5 mM NiCl2 bzw. >0,5 µg/cm2 Ni3S2 gezeigt wurde, wurde Nickel in Fibroblasten in Abhängigkeit von der Spezies mit steigender Metallkonzentration von 100 µM bis 500 µM nach 16 h im Zytoplasma und zunehmend nach 24 h bis 48 h im Zellkern detektiert. Bei der wasserunlöslichen Verbindung Ni3S2 war der Nachweis von Nickel im Zellkern bereits nach 16 h bis 24 h erfolgreich. Zusätzlich wurden weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien und die Nukleoli durch eine starke Fluoreszenz des optischen Sensors bei Colokalisationsexperimenten mit Organell-spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen als target für die Nickelbindung vermutet. Die Lokalisation von Cobalt in den Fibroblasten entsprach weitgehend der Lokalisation von Nickel. Im Zellkern war die Cobaltlokalisation jedoch auf die Nukleoli beschränkt. Weiterführende Versuche an humanen Gingiva-Fibroblasten zeigten, dass die Aufnahme der Metalle in die Fibroblasten pH-Wert abhängig war. Niedrige pH-Werte im sauren pH-Bereich verringerten die Aufnahme der Metalle in die Zellen, wobei ein pH-Wert im basischen Bereich keinen bedeutenden Unterschied zum neutralen pH-Bereich aufwies. Im Vergleich zu den Fibroblasten war in Pflanzenzellen zu jedem Zeitpunkt, auch bei geringen Konzentrationen der Metallverbindungen sowie des optischen Sensors, Nickel und Cobalt in den Zellkernen detektierbar. Durch die Eigenschaft der Pflanzenzellen eine Vakuole zu besitzen, war Nickel und Cobalt hauptsächlich in den Vakuolen lokalisiert. Weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien oder auch die Zellwand kamen bei Pflanzenzellen als target in Frage.rnrnDie Fluoreszenz und Lokalisation der Metalle in den Fibroblasten waren unabhängig von der Spezies sehr ähnlich, sodass in den Zellen die Spezies anhand der fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen kaum unterschieden werden konnten. Lambda-Scans in verschiedenen regions of interest (ROI) wurden durchgeführt, um durch die Fluoreszenzspektren Hinweise auf eine charakteristische Beeinflussung der Bindungspartner von Nickel und Cobalt oder dieser Metalle selbst in den Zellen auf den optischen Sensor zu bekommen und diese dadurch identifizieren zu können. Das Ziel der parallelen Detektion bzw. Lokalisation und gleichzeitigen Speziation bestimmter Nickel- und Cobaltpezies in einzelnen lebenden Zellen konnte in dieser Arbeit durch den optischen Sensor Newport Green DCF nicht erreicht werden.

Konstruktion und Inbetriebnahme eines kompakten 3-He-Polarisators

Im Jahr 1996 wurde die erste Aufnahme der menschlichen Lunge in einem Kernspintomographen unter Benutzung des hyperpolarisierten Edelgases ³He als Kontrastgas veröffentlicht. Es folgten zahlreiche medizinische Studien mit diesem neuen Lungenbildgebungsverfahren. Als Konsequenz aus dem steigenden Bedarf an hyperpolarisiertem ³He wurde am Institut für Physik der Universität Mainz ein ³He-Polarisator entwickelt, der die Versorgung dieser Studien mit polarisiertem Gas gewährleistet. Für den Fall jedoch, dass die Lungenbildgebung mit hyperpolarisiertem ³He in die medizinische Praxis übernommen wird, wären die Produktionskapazitäten der bestehenden Anlage nicht mehr ausreichend. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kompaktes System zum Polarisieren von ³He direkt am Einsatzort entwickelt, welches als eine Art Industrieprodukt in beliebiger Stückzahl nachgebaut werden kann. So steht nun ein kompakter, mobiler ³He Polarisator zur Verfügung, dessen Produktionsrate in der Größenordnung eines Standardliters (1 l, 1 bar, Raumtemperatur) pro Stunde bei einer Polarisation von > 60% liegt.

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.

Methacholine responsiveness in mice from 2 to 8 wk of age

Many chronic human lung diseases have their origin in early childhood, yet most murine models used to study them utilize adult mice. An important component of the asthma phenotype is exaggerated airway responses, frequently modelled by methacholine (MCh) challenge. The present study was undertaken to characterize MCh responses in mice from 2 to 8 wk of age measuring absolute lung volume and volume-corrected respiratory mechanics as outcome variables. Female BALB/c mice aged 2, 3, 4, 6, and 8 wk were studied during cumulative intravenous MCh challenge. Following each MCh dose, absolute lung volume was measured plethysmographically at functional residual volume and during a slow inflation to 20-hPa transrespiratory pressure. Respiratory system impedance was measured continuously during the inflation maneuver and partitioned into airway and constant-phase parenchymal components by model fitting. Volume-corrected (specific) estimates of respiratory mechanics were calculated. Intravenous MCh challenge induced a predominantly airway response with no evidence of airway closure in any age group. No changes in functional residual volume were seen in mice of any age during the MCh challenge. The specific airway resistance MCh dose response curves did not show significant differences between the age groups. The results from the present study do not show systematic differences in MCh responsiveness in mice from 2 to 8 wk of age.

deltaNp63 has a role in maintaining epithelial integrity in airway epithelium.

The upper airways are lined with a pseudostratified bronchial epithelium that forms a barrier against unwanted substances in breathing air. The transcription factor p63, which is important for stratification of skin epithelium, has been shown to be expressed in basal cells of the lungs and its ΔN isoform is recognized as a key player in squamous cell lung cancer. However, the role of p63 in formation and maintenance of bronchial epithelia is largely unknown. The objective of the current study was to determine the expression pattern of the ΔN and TA isoforms of p63 and the role of p63 in the development and maintenance of pseudostratified lung epithelium in situ and in culture. We used a human bronchial epithelial cell line with basal cell characteristics (VA10) to model bronchial epithelium in an air-liquid interface culture (ALI) and performed a lentiviral-based silencing of p63 to characterize the functional and phenotypic consequences of p63 loss. We demonstrate that ΔNp63 is the major isoform in the human lung and its expression was exclusively found in the basal cells lining the basement membrane of the bronchial epithelium. Knockdown of p63 affected proliferation and migration of VA10 cells and facilitated cellular senescence. Expression of p63 is critical for epithelial repair as demonstrated by wound healing assays. Importantly, generation of pseudostratified VA10 epithelium in the ALI setup depended on p63 expression and goblet cell differentiation, which can be induced by IL-13 stimulation, was abolished by the p63 knockdown. After knockdown of p63 in primary bronchial epithelial cells they did not proliferate and showed marked senescence. We conclude that these results strongly implicate p63 in the formation and maintenance of differentiated pseudostratified bronchial epithelium.

VERIFICATION OF DNA PREDICTED PROTEIN SEQUENCES BY ENZYME HYDROLYSIS AND MASS SPECTROMETRIC ANALYSIS

The focus of this thesis lies in the development of a sensitive method for the analysis of protein primary structure which can be easily used to confirm the DNA sequence of a protein's gene and determine the modifications which are made after translation. This technique involves the use of dipeptidyl aminopeptidase (DAP) and dipeptidyl carboxypeptidase (DCP) to hydrolyze the protein and the mass spectrometric analysis of the dipeptide products.^ Dipeptidyl carboxypeptidase was purified from human lung tissue and characterized with respect to its proteolytic activity. The results showed that the enzyme has a relatively unrestricted specificity, making it useful for the analysis of the C-terminal of proteins. Most of the dipeptide products were identified using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). In order to analyze the peptides not hydrolyzed by DCP and DAP, as well as the dipeptides not identified by GC/MS, a FAB ion source was installed on a quadrupole mass spectrometer and its performance evaluated with a variety of compounds.^ Using these techniques, the sequences of the N-terminal and C-terminal regions and seven fragments of bacteriophage P22 tail protein have been verified. All of the dipeptides identified in these analysis were in the same DNA reading frame, thus ruling out the possibility of a single base being inserted or deleted from the DNA sequence. The verification of small sequences throughout the protein sequence also indicates that no large portions of the protein have been removed after translation. ^

Pulmonary Artery-Vein Segmentation in Real and Synthetic CT Images = Segmentación Arteria-Vena Pulmonares en Imágenes de CT Reales y Sintéticas

La tomografía axial computerizada (TAC) es la modalidad de imagen médica preferente para el estudio de enfermedades pulmonares y el análisis de su vasculatura. La segmentación general de vasos en pulmón ha sido abordada en profundidad a lo largo de los últimos años por la comunidad científica que trabaja en el campo de procesamiento de imagen; sin embargo, la diferenciación entre irrigaciones arterial y venosa es aún un problema abierto. De hecho, la separación automática de arterias y venas está considerado como uno de los grandes retos futuros del procesamiento de imágenes biomédicas. La segmentación arteria-vena (AV) permitiría el estudio de ambas irrigaciones por separado, lo cual tendría importantes consecuencias en diferentes escenarios médicos y múltiples enfermedades pulmonares o estados patológicos. Características como la densidad, geometría, topología y tamaño de los vasos sanguíneos podrían ser analizados en enfermedades que conllevan remodelación de la vasculatura pulmonar, haciendo incluso posible el descubrimiento de nuevos biomarcadores específicos que aún hoy en dípermanecen ocultos. Esta diferenciación entre arterias y venas también podría ayudar a la mejora y el desarrollo de métodos de procesamiento de las distintas estructuras pulmonares. Sin embargo, el estudio del efecto de las enfermedades en los árboles arterial y venoso ha sido inviable hasta ahora a pesar de su indudable utilidad. La extrema complejidad de los árboles vasculares del pulmón hace inabordable una separación manual de ambas estructuras en un tiempo realista, fomentando aún más la necesidad de diseñar herramientas automáticas o semiautomáticas para tal objetivo. Pero la ausencia de casos correctamente segmentados y etiquetados conlleva múltiples limitaciones en el desarrollo de sistemas de separación AV, en los cuales son necesarias imágenes de referencia tanto para entrenar como para validar los algoritmos. Por ello, el diseño de imágenes sintéticas de TAC pulmonar podría superar estas dificultades ofreciendo la posibilidad de acceso a una base de datos de casos pseudoreales bajo un entorno restringido y controlado donde cada parte de la imagen (incluyendo arterias y venas) está unívocamente diferenciada. En esta Tesis Doctoral abordamos ambos problemas, los cuales están fuertemente interrelacionados. Primero se describe el diseño de una estrategia para generar, automáticamente, fantomas computacionales de TAC de pulmón en humanos. Partiendo de conocimientos a priori, tanto biológicos como de características de imagen de CT, acerca de la topología y relación entre las distintas estructuras pulmonares, el sistema desarrollado es capaz de generar vías aéreas, arterias y venas pulmonares sintéticas usando métodos de crecimiento iterativo, que posteriormente se unen para formar un pulmón simulado con características realistas. Estos casos sintéticos, junto a imágenes reales de TAC sin contraste, han sido usados en el desarrollo de un método completamente automático de segmentación/separación AV. La estrategia comprende una primera extracción genérica de vasos pulmonares usando partículas espacio-escala, y una posterior clasificación AV de tales partículas mediante el uso de Graph-Cuts (GC) basados en la similitud con arteria o vena (obtenida con algoritmos de aprendizaje automático) y la inclusión de información de conectividad entre partículas. La validación de los fantomas pulmonares se ha llevado a cabo mediante inspección visual y medidas cuantitativas relacionadas con las distribuciones de intensidad, dispersión de estructuras y relación entre arterias y vías aéreas, los cuales muestran una buena correspondencia entre los pulmones reales y los generados sintéticamente. La evaluación del algoritmo de segmentación AV está basada en distintas estrategias de comprobación de la exactitud en la clasificación de vasos, las cuales revelan una adecuada diferenciación entre arterias y venas tanto en los casos reales como en los sintéticos, abriendo así un amplio abanico de posibilidades en el estudio clínico de enfermedades cardiopulmonares y en el desarrollo de metodologías y nuevos algoritmos para el análisis de imágenes pulmonares. ABSTRACT Computed tomography (CT) is the reference image modality for the study of lung diseases and pulmonary vasculature. Lung vessel segmentation has been widely explored by the biomedical image processing community, however, differentiation of arterial from venous irrigations is still an open problem. Indeed, automatic separation of arterial and venous trees has been considered during last years as one of the main future challenges in the field. Artery-Vein (AV) segmentation would be useful in different medical scenarios and multiple pulmonary diseases or pathological states, allowing the study of arterial and venous irrigations separately. Features such as density, geometry, topology and size of vessels could be analyzed in diseases that imply vasculature remodeling, making even possible the discovery of new specific biomarkers that remain hidden nowadays. Differentiation between arteries and veins could also enhance or improve methods processing pulmonary structures. Nevertheless, AV segmentation has been unfeasible until now in clinical routine despite its objective usefulness. The huge complexity of pulmonary vascular trees makes a manual segmentation of both structures unfeasible in realistic time, encouraging the design of automatic or semiautomatic tools to perform the task. However, this lack of proper labeled cases seriously limits in the development of AV segmentation systems, where reference standards are necessary in both algorithm training and validation stages. For that reason, the design of synthetic CT images of the lung could overcome these difficulties by providing a database of pseudorealistic cases in a constrained and controlled scenario where each part of the image (including arteries and veins) is differentiated unequivocally. In this Ph.D. Thesis we address both interrelated problems. First, the design of a complete framework to automatically generate computational CT phantoms of the human lung is described. Starting from biological and imagebased knowledge about the topology and relationships between structures, the system is able to generate synthetic pulmonary arteries, veins, and airways using iterative growth methods that can be merged into a final simulated lung with realistic features. These synthetic cases, together with labeled real CT datasets, have been used as reference for the development of a fully automatic pulmonary AV segmentation/separation method. The approach comprises a vessel extraction stage using scale-space particles and their posterior artery-vein classification using Graph-Cuts (GC) based on arterial/venous similarity scores obtained with a Machine Learning (ML) pre-classification step and particle connectivity information. Validation of pulmonary phantoms from visual examination and quantitative measurements of intensity distributions, dispersion of structures and relationships between pulmonary air and blood flow systems, show good correspondence between real and synthetic lungs. The evaluation of the Artery-Vein (AV) segmentation algorithm, based on different strategies to assess the accuracy of vessel particles classification, reveal accurate differentiation between arteries and vein in both real and synthetic cases that open a huge range of possibilities in the clinical study of cardiopulmonary diseases and the development of methodological approaches for the analysis of pulmonary images.

Governing step of metastasis visualized in vitro

Metastasis is the ultimate life-threatening stage of cancer. The lack of accurate model systems thwarted studies of the metastatic cell’s basic biology. To follow continuously the succeeding stages of metastatic colony growth, we heritably labeled cells from the human lung adenocarcinoma cell line ANIP 973 with green fluorescent protein (GFP) by transfection with GFP cDNA. Labeled cells were then injected intravenously into nude mice, where, by 7 days, they formed brilliantly fluorescing metastatic colonies on mouse lung [Chishima, T., Miyagi, Y., Wang, X., Yang, M., Tan, Y., Shimada, H., Moossa, A. R. & Hoffman, R. M. (1997) Clin. Exp. Metastasis 15, 547–552]. The seeded lung tissue was then excised and incubated in the three-dimensional sponge-gel-matrix-supported histoculture that maintained the critical features of progressive in vivo tumor colonization while allowing continuous access for measurement and manipulation. Tumor progression was continuously visualized by GFP fluorescence in the same individual cultures over a 52-day period, during which the tumors spread throughout the lung. Histoculture tumor colonization was selective for lung cancer cells to grow on lung tissue, because no growth occurred on histocultured mouse liver tissue, which was also observed in vivo. The ability to support selective organ colonization in histoculture and visualize tumor progression by GFP fluorescence allows the in vitro study of the governing processes of metastasis [Kuo, T.-H., Kubota, T., Watanbe, M., Furukawa, T., Teramoto, T., Ishibiki, K., Kitajima, M., Moossa, A. R., Penman, S. & Hoffman, R. M. (1995) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 12085–12089]. The results presented here provide significant, new opportunities to understand and to develop treatments that prevent and possibly reverse metastasis.

Interaction of 5-lipoxygenase with cellular proteins

5-Lipoxygenase (5LO) plays a pivotal role in cellular leukotriene synthesis. To identify proteins interacting with human 5LO, we used a two-hybrid approach to screen a human lung cDNA library. From a total of 1.5 × 107 yeast transformants, nine independent clones representing three different proteins were isolated and found to specifically interact with 5LO. Four 1.7- to 1.8-kb clones represented a 16-kDa protein named coactosin-like protein for its significant homology with coactosin, a protein found to be associated with actin in Dictyostelium discoideum. Coactosin-like protein thus may provide a link between 5LO and the cytoskeleton. Two other yeast clones of 1.5 kb encoded transforming growth factor (TGF) type β receptor-I-associated protein 1 partial cDNA. TGF type β receptor-I-associated protein 1 recently has been reported to associate with the activated form of the TGF β receptor I and may be involved in the TGF β-induced up-regulation of 5LO expression and activity observed in HL-60 and Mono Mac 6 cells. Finally, three identical 2.1-kb clones contained the partial cDNA of a human protein with high homology to a hypothetical helicase K12H4.8 from Caenorhabditis elegans and consequently was named ΔK12H4.8 homologue. Analysis of the predicted amino acid sequence revealed the presence of a RNase III motif and a double-stranded RNA binding domain, indicative of a protein of nuclear origin. The identification of these 5LO-interacting proteins provides additional approaches to studies of the cellular functions of 5LO.

Fibroblast growth factors: An epigenetic mechanism of broad spectrum resistance to anticancer drugs

Based on the observation that removal of tumors from metastatic organs reversed their chemoresistance, we hypothesized that chemoresistance is induced by extracellular factors in tumor-bearing organs. By comparing chemosensitivity and proteins in different tumors (primary vs. metastases) and different culture systems (tumor fragment histocultures vs. monolayer cultures derived from the same tumor), we found elevated levels of acidic (aFGF) and basic (bFGF) fibroblast growth factors in the conditioned medium (CM) of solid and metastatic tumors. These CM induced broad spectrum resistance to drugs with diverse structures and action mechanisms (paclitaxel, doxorubicin, 5-fluorouracil). Inhibition of bFGF by mAb and its removal by immunoprecipitation resulted in complete reversal of the CM-induced chemoresistance, whereas inhibition/removal of aFGF resulted in partial reversal. Using CM that had been depleted of aFGF and/or bFGF and subsequently reconstituted with respective human recombinant proteins, we found that bFGF but not aFGF induced chemoresistance whereas aFGF amplified the bFGF effect. aFGF and bFGF fully accounted for the CM effect, indicating these proteins as the underlying mechanism of the chemoresistance. The FGF-induced resistance was not due to reduced intracellular drug accumulation or altered cell proliferation. We further showed that an inhibitor of aFGF/bFGF (suramin) enhanced the in vitro and in vivo activity of chemotherapy, resulting in shrinkage and eradication of well established human lung metastases in mice without enhancing toxicity. These results indicate elevated levels of extracellular aFGF/bFGF as an epigenetic mechanism by which cancer cells elude cytotoxic insult by chemotherapy, and provide a basis for designing new treatment strategies.