Modulation of electrical stimulation applied to human physiology and clinical diagnostic

The use, manipulation and application of electrical currents, as a controlled interference mechanism in the human body system, is currently a strong source of motivation to researchers in areas such as clinical, sports, neuroscience, amongst others. In electrical stimulation (ES), the current applied to tissue is traditionally controlled concerning stimulation amplitude, frequency and pulse-width. The main drawbacks of the transcutaneous ES are the rapid fatigue induction and the high discomfort induced by the non-selective activation of nervous fibers. There are, however, electrophysiological parameters whose response, like the response to different stimulation waveforms, polarity or a personalized charge control, is still unknown. The study of the following questions is of great importance: What is the physiological effect of the electric pulse parametrization concerning charge, waveform and polarity? Does the effect change with the clinical condition of the subjects? The parametrization influence on muscle recruitment can retard fatigue onset? Can parametrization enable fiber selectivity, optimizing the motor fibers recruitment rather than the nervous fibers, reducing contraction discomfort? Current hardware solutions lack flexibility at the level of stimulation control and physiological response assessment. To answer these questions, a miniaturized, portable and wireless controlled device with ES functions and full integration with a generic biosignals acquisition platform has been created. Hardware was also developed to provide complete freedom for controlling the applied current with respect to the waveform, polarity, frequency, amplitude, pulse-width and duration. The impact of the methodologies developed is successfully applied and evaluated in the contexts of fundamental electrophysiology, psycho-motor rehabilitation and neuromuscular disorders diagnosis. This PhD project was carried out in the Physics Department of Faculty of Sciences and Technology (FCT-UNL), in straight collaboration with PLUX - Wireless Biosignals S.A. company and co-funded by the Foundation for Science and Technology.

Development and modulation of magnetic responsive supported ionic liquid membranes

The work presented in this thesis aims at developing a new separation process based on the application of supported magnetic ionic liquid membranes, SMILMs, using magnetic ionic liquids, MILs. MILs have attracted growing interest due to their ability to change their physicochemical characteristics when exposed to variable magnetic field conditions. The magnetic responsive behavior of MILs is thus expected to contribute for the development of more efficient separation processes, such as supported liquid membranes, where MILs may be used as a selective carrier. Driven by the MILs behavior, these membranes are expected to switch reversibly their permeability and selectivity by in situ and non-invasive adjustment of the conditions (e.g. intensity, direction vector and uniformity) of an external applied magnetic field. The development of these magnetic responsive membrane processes were anticipated by studies, performed along the first stage of this PhD work, aiming at getting a deep knowledge on the influence of magnetic field on MILs properties. The influence of the magnetic field on the molecular dynamics and structural rearrangement of MILs ionic network was assessed through a 1H-NMR technique. Through the 1H-NMR relaxometry analysis it was possible to estimate the self-diffusion profiles of two different model MILs, [Aliquat][FeCl4] and [P66614][FeCl4]. A comparative analysis was established between the behavior of magnetic and non-magnetic ionic liquids, MILs and ILs, to facilitate the perception of the magnetic field impact on MILs properties. In contrast to ILs, MILs show a specific relaxation mechanism, characterized by the magnetic dependence of their self-diffusion coefficients. MILs self-diffusion coefficients increased in the presence of magnetic field whereas ILs self-diffusion was not affected. In order to understand the reasons underlying the magnetic dependence of MILs self-diffusion, studies were performed to investigate the influence of the magnetic field on MILs’ viscosity. It was observed that the MIL´s viscosity decreases with the increase of the magnetic field, explaining the increase of MILs self-diffusion according to the modified Stokes- Einstein equation. Different gas and liquid transport studies were therefore performed aiming to determine the influence of the magnetic behavior of MILs on solute transport through SMILMs. Gas permeation studies were performed using pure CO2 andN2 gas streams and air, using a series of phosphonium cation based MILs, containing different paramagnetic anions. Transport studies were conducted in the presence and absence of magnetic field at a maximum intensity of 1.5T. The results revealed that gas permeability increased in the presence of the magnetic field, however, without affecting the membrane selectivity. The increase of gas permeability through SMILMs was related to the decrease of the MILs viscosity under magnetic field conditions.(...)

Modulation of the secretome of hBMSCs by tailoring the macromolecular gradient in hydrogels to generate tissue-to-tissue interfaces

Tissue-to-tissue interfaces are commonly present in all tissues exhibiting structural, biological and chemical gradients serving a wide range of physiological functions. These interfaces are responsible for mediation of load transfer between two adjacent tissues. They are also important structures in sustaining the cellular communications to retain tissueâ s functional integration and homeostasis. [1] All cells have the capacity to sense and respond to physical and chemical stimulus and when cultured in three-dimensional (3D) environments they tend to perform their function better than in two-dimensional (2D) environments. Spatial and temporal 3D gradient hydrogels better resemble the natural environment of cells in mimicking their extracellular matrix. [2] In this study we hypothesize that differential functional properties can be engineered by modulation of macromolecule gradients in a cell seeded threedimensional hydrogel system. Specifically, differential paracrine secretory profiles can be engineered using human Bone Marrow Stem Cells (hBMSCâ s). Hence, the specific objectives of this study are to: assemble the macromolecular gradient hydrogels to evaluate the suitablity for hBMSCâ s encapsulation by cellular viability and biofunctionality by assessing the paracrine secretion of hBMSCâ s over time. The gradient hydrogels solutions were prepared by blend of macromolecules in one solution such as hyaluronic (HA) acid and collagen (Col) at different ratios. The gradient hydrogels were fabricated into cylindrical silicon moulds with higher ratio solutions assembled at the bottom of the mould and adding the two solutions consecutively on top of each other. The labelling of the macromolecules was performed to confirm the gradient through fluorescence microscopy. Additionally, AFM was conducted to assess the gradient hydrogels stiffness. Gradient hydrogels characterization was performed by HA and Col degradation assay, degree of crosslinking and stability. hBMSCâ s at P3 were encapsulated into each batch solution at 106 cells/ml solution and gradient hydrogels were produced as previously described. The hBMSCâ s were observed under confocal microscopy to assess viability by Live/Dead® staining. Cellular behaviour concerning proliferation and matrix deposition was also performed. Secretory cytokine measurement for pro-inflammatory and angiogenesis factors was carried out using ELISA. At genomic level, qPCR was carried out. The 3D gradient hydrogels platform made of different macromolecules showed to be a suitable environment for hBMSCâ s. The hBMSCâ s gradient hydrogels supported high cell survival and exhibited biofunctionality. Besides, the 3D gradient hydrogels demonstrated differentially secretion of pro-inflammatory and angiogenic factors by the encapsulated hBMSCâ s. References: 1. Mikos, AG. et al., Engineering complex tissues. Tissue Engineering 12,3307, 2006 2. Phillips, JE. et al., Proc Natl Acad Sci USA, 26:12170-5, 2008

Exploring the role of O-Mannosylation in the modulation of E-Cadherin function in Gastric Cancer cell line models

Dissertação de mestrado em Bioquímica Aplicada – Biomedicina

Autonomic Modulation of the Heart in Systemic Arterial Hypertension

OBJECTIVE: To analyze the heart rate variability in patients with mild to moderate systemic arterial hypertension. METHODS: Thirty-two healthy (group I) and 70 systemic arterial hypertensive (group II) individuals, divided according to age (40 to 59 and 60 to 80 years old, respectively) and with a similar distribution by sex were studied. Thirty-one had left ventricular hypertrophy (LVH), 22 were overweight, and 16 had Type II diabetes mellitus. Smoking, alcohol ingestion, and sedentary habits were the same between groups. Variability in heart rate was analyzed in the time domain, using standard deviations of normal RR intervals (SDNN) and the differences between maximal brady- and tachycardia (D-BTmax) during sustained inspiration. Analysis of the frequency band of the power spectrum between 0.05 and 0.40 Hz at rest and during controlled respiration was chosen for analysis of the frequency domain. RESULTS: In both time and frequency domains, variables were lower in group II than in group I. Within groups, statistically significant variables were only found for individuals in the 40 to 59 year old group. The presence of LVH, overweight, or diabetes mellitus did not influence the variability in heart rate to a significant extent. CONCLUSION: Variability in heart rate was a valuable instrument for analyzing autonomic modulation of the heart in arterial hypertension. The autonomic system undergoes significant losses in cardio-modulatory capacity, more evident in subjects between 40 and 59 years old. In those over 60 years old, reduced variability in heart rate imposed by aging was not significantly influenced by the presence of systemic arterial hypertension.

Preservación de la información génica en bacterias; mecanismos y modulación molecular. Preservation of the genetic information in bacteria; mechanisms and molecular modulation.

El objetivo general del presente proyecto es contribuir a la caracterización genética y bioquímica molecular de mecanismos involucrados en el mantenimiento de la información génica, a través del estudio de sistemas fisiológicos involucrados en la prevención, reparación y tolerancia de mutaciones. Dichos sistemas se encuentran evolutivamente conservados y ampliamente distribuidos en los seres vivos. La importancia de los mismos se refleja en el hecho que su deficiencia genera en humanos, enfermedades genéticas, apoptosis y cáncer; y en especies procariotas, células denominadas "hipermutadoras". En los últimos años el estudio de la hipermutabilidad en bacterias ha cobrado gran interés ya que se le atribuye importancia en procesos infectivos y en aspectos básicos relacionados a evolución. Nuestro modelo de estudio son las bacterias Pseudomonas aeruginosa y Escherichia coli, siendo esta última especie no solo modelo de estudio sino también especie de referencia. P. aeruginosa es una bacteria ambiental gram negativa, e importante patógeno oportunista de humanos. Específicamente nos proponemos estudiar en P. aeruginosa algunos aspectos particulares del Sistema de Reparación de Bases Apareadas Incorrectamente (Mismatch Repair System, MRS), del Sistema de Prevención/Reparación de Lesiones Oxidativas generadas a través de 8-oxo-7,8-dihidroguanina (8-oxo-dG ó GO) y el papel de las ADN Polimerasas de baja fidelidad en la modulación de la tasa de mutación. Asimismo estamos interesados en estudiar en cepas de E. coli deficientes en el sistema Dam, la existencia de subpoblaciones de alta estabilidad genética debido a la eliminación de posibles mutantes por incremento de la expresión de los otros componentes del MRS. Metodológicamente la caracterización bioquímica de factores proteicos se llevará a cabo utilizando proteínas recombinantes purificadas, análisis de interacción proteína-proteína y proteína-ADN mediante electroforesis en geles y resonancia plasmónica de superficie (Biacore), mutagenésis dirigida in vitro, y estudios de complementación en cepas mutantes específicas. Aspectos fenotípicos y de regulación génica en cultivos de biofilm y células en suspensión serán estudiados mediante la construcción de cepas mutantes, fusiones transcripcionales, PCR en tiempo real, western blot y microscopia de fluorescencia confocal.

Sensibilización a Anfetamina y Cocaína: Mecanismos Neurobiológicos involucrados y factores ambientales que la modulan. Amphetamine and cocaine sensitization: neurobiological mechanisms involved and modulation by environmental factors.

La exposición a drogas de abuso, estrés o noxas perinatales puede producir una respuesta sensibilizada a las propiedades estimulantes y reforzantes de la droga. Este proceso de sensibilización, que comparte muchas de las características de otras formas de plasticidad neural, ha sido asociado con etapas tempranas de la adicción o reincidencia a la misma. El objetivo primario de este proyecto es identificar si los mecanismos neurobiológicos que median la sensibilización inducida por cocaína también ocurren en un modelo de sensibilización inducido por estrés de inmovilización y una noxa perinatal tal como la exposición a plomo, y determinar la relevancia de estas adaptaciones mediante intervenciones farmacológicas o manipulación de los productos génicos. Se estudiaran neuroadaptaciones identificadas en un modelo de sensibilización inducido por cocaína, en núcleos específicos del cerebro relevantes para el proceso de sensibilización, Núcleo Accumbens (NAc) y Corteza prefrontal (CPf). Neuropéptidos como met-encefalina y el sistema renina-angiotensina (RAS), interactúan con dopamina (DA) y glutamato (GLU) en este circuito. Considerando que la liberación de GLU, la expresión de receptores AMPA (GluR1) y los metabotrópicos mGluR2/3 como cambios en el remodelado del citoesqueleto de actina de NAc y CPf, han sido afectados por la administración repetida de cocaína en forma no contingente o por autoadministración, determinaremos los niveles o el estado de fosforilación proteínas y de GLU, en los distintos modelos de sensibilización. Además, la participación de RAS cerebral ser evaluada en el desarrollo y expresión del fenómeno de sensibilización a anfetamina y cocaína. Se utilizarán técnicas de inmunoblotting, inmunoprecipitación y de microdiálisis, y pruebas conductuales para determinar las propiedades estimulantes y reforzantes de las drogas. Encontrar un paralelo en los mecanismos neurobiológicos que median la sensibilización inducida por estrés, drogas o noxas perinatales es muy relevante para entender como redes celulares comunes pueden ejercer un rol en la adicción. La identificación de nuevas moléculas que modulen la sensibilización abre una perspectiva sumamente interesante para el estudio de futuros blancos terapéuticos a ser probados para el tratamiento de la adicción a sicoestimulantes.

Efecto de los ácidos grasos poliinsaturados y sus metabolitos en la modulación de factores de transcripción sobre la carcinogénesis. Effects of Polyunsaturatd fatty acids and their metabolites on transcriptional factors modulation in carcinogenesis.

El cáncer se origina por mutaciones, competición y selección natural en células somáticas de tejidos de diferentes órganos,siendo un proceso complejo y multifactorial que ocurre en una secuencia de etapas: iniciación, promoción y progresión (1). Factores hereditarios,genéticos y epigenéticos como los lípidos dietarios, estrés oxidativo, hormonas, pesticidas y otros, influyen tanto en el desarrollo como en la inhibición de esta enfermedad (2). Datos epidemiológicos y experimentales tanto nuestros como de otros laboratorios han demostrado que el consumo de dietas ricas en ácidos grasos de la familia n-3, n-6 o n-9 cambian la fluidez, la actividad de enzimas, el nivel de proteínas y favorecen la formación de moléculas bioactivas derivadas de los lípidos como los eicosanoides y endocanabinoides que modulan el proceso carcinogénico (3-15). Estos derivados lípídicos activan vias de señalización produciendo cambios especificos en la expresión génica, un proceso fundamental durante la transformación neoplásica (1-2).También ha sido demostrado que estos cambios en la expresión génica inducidos por derivados lipídicos modulan funciones en células cancerosas como proliferación y muerte celular, migración y producción de matriz extracelular (16-17). A pesar de estos conocimientos, la identidad de los derivados lipídicos implicados en la modulación de la expresión génica durante la transformación neoplásica asi como los mecanismos utilizados por estas moléculas permanecen aun poco conocidos. HIPOTESIS: En los modelos a utilizar en el presente proyecto, la variación lipídica de las membranas que se induzca por manipulación dietaria deberán generar también variaciones en los eicosanoides . endocanabinoides y otros peróxidos que afecten factores de transcripción nucleares como el p53 y GLI incidiendo en los mecanismos responsables de la muerte y proliferación de células cancerosas. OBJETIVOS: Nos proponemos establecer el impacto de dietas enriquecidas con ácidos grasos de las familias n-3, n-6 o n-9 sobre modelos experimentales in-vivo e in-vitro. Se estudiarán los ácidos grasos de membrana plasmática, la generación de eicosanoides y endocanabinoides derivados de las vias COX y LOX Además se determinará el efecto de los peróxidos en la expresión y actividad de los factores nucleares de transcripción p53 y GLI como mecanismos responsables de la muerte y proliferación celular. MATERIALES Y MÉTODO: Se utilizará un modelo in-vivo de cáncer de mama empleando ratones C57BL6J inducidos con DMBA que se alimentarán con una dieta base semi-sintética suplemetada con diferentes PUFAs (Chia: n-3, Maíz: n-6 y Oleico: n-9 , empleada en estudios previos (8).Modelos in vitro: se utilizarán lineas celulares cancerígenas humanas de mama MCF-7 y MDA, las cuales se tratarán exógenamente con diferentes PUFAS (GLA:n-6,EPA:n-3, Oleico n-9)(9). Se determinarán ácidos grasos de membranas por Cromatografía de gas (CG)(10-11). El análisis de eicosanoides en células tumorales se realizará por HPLC (9-11). Los endocanabinoides por GC-Espectometría de Masa (18).La formación de peróxidos intracelulares se determinará por análisis de Glutation reducido (GSH)(16).La apoptosis se medirá por actividad caspasas y por Citometria de flujo usando Annexina V FICT (19).La expresión celular de Tp53 y GLI se realizará por Western Blot, PCR e inmunohistoquímica (20-21).RESULTADOS ESPERADOS: Se espera que los lípidos añadidos en las dietas de ratones inyectados con DMBA o al medio de cultivo de células tumorales de mama o páncreas modifiquen los ácidos grasos de membrana y sus derivados lipídicos los eicosanoides y endocanabionoides que suponemos afectarán la activación y expresión de factores de transcripción regulando la carcinogénesis. IMPORTANCIA: Diseñar nuevos modelos experimentales para implementar en terapias génicas y aplicar los resultados sobre factores nutricionales que pudieran actuar como inhibidores o promotores del desarrollo del cáncer en humanos.

Thyroid hormone modulation of early neocortical network development

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2012

Interaction of the brain-specific Arf-GAP protein p42 I P 4 (centaurin α1, ADAP1) with the metalloendopeptidase nardilysin and modulation by tubulin

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2012

Sättigungsabhängige Modulation der neuralen Verarbeitung von Nahrungsreizen bei Anorexia nervosa

Anorexie, fMRT, Nahrung, Hunger, Sattheit

Emotional modulation of memory encoding and performance monitoring

Performance monitoring, ERN, CRN, Pe, Memory, Llist learning, Emotion, IAPS, N2, Reinforcement Learning Hypothesis, Conflict Monitoring Hypothesis

Task-dependent modulation of reward and novelty processing in human ventral striatum and midbrain

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2008

Modulation of Ca 2+ dependent inactivation of Ca 2+ channels by intracellular signalling

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2009

Modulation des kanonischen Wnt/[Beta]-Catenin-Signalweges in der Helicobacter pylori-Infektion

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2010