Platinum–rhodium–tin/carbon electrocatalysts for ethanol oxidation in acid media: effect of the precursor addition order and the amount of tin

Carbon-supported Pt x –Rh y –Sn z catalysts (x:y:z = 3:1:4, 6:2:4, 9:3:4) are prepared by Pt, Rh, and Sn precursors reduction in different addition order. The materials are characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy techniques and are evaluated for the electrooxidation of ethanol in acidic media by cyclic voltammetry, chronoamperometry, and anode potentiostatic polarization. The influence of both the order in which the precursors are added and the composition of metals in the catalysts on the electrocatalytic activity and physico-chemical characteristics of Pt x –Rh y –Sn z /C catalysts is evaluated. Oxidized Rh species prevail on the surface of catalysts synthesized by simultaneous co-precipitation, thus demonstrating the influence of synthesis method on the oxidation state of catalysts. Furthermore, high amounts of Sn in composites synthesized by co-precipitation result in very active catalysts at low potentials (bifunctional effect), while medium Sn load is needed for sequentially deposited catalysts when the electronic effect is most important (high potentials), since more exposed Pt and Rh sites are needed on the catalyst surface to alcohol oxidation. The Pt3–Rh1–Sn4/C catalyst prepared by co-precipitation is the most active at potentials lower than 0.55 V (related to bifunctional effect), while the Pt6–Rh2–Sn4/C catalyst, prepared by sequential precipitation (first Rh and, after drying, Pt + Sn), is the most active above 0.55 V.

O desenvolvimento de nanopartículas de intermetálicos ordenados de ouro e estudo da atividade eletroquímica da reação de oxidação do glicerol

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Reactive processing of polymers:effect of bifunctional and tri-functional comonomers on melt grafting of glycidyl methacrylate onto polypropylene

Two reactive comonomers, divinyl benzene (DVB) and trimethylolpropane triacrylate (TRIS), were evaluated for their role in effecting the melt free radical grafting reaction of the monomer glycidyl methacrylate (GMA) onto polypropylene (PP). The characteristics of the GMA-grafting systems in the presence and absence of DVB or TRIS were examined and compared in terms of the yield of the grafting reaction and the extent of the main side reactions, namely homopolymerisation of GMA (poly-GMA) and polymer degradation, using different chemical compositions of the reactive systems and processing conditions. In the absence of the comonomers, i.e. in a conventional system, high initiator concentrations of peroxides were typically required to achieve the highest possible GMA grafting levels which were found to be generally low. Concomitantly, both poly-GMA and degradation of the polymer by chain scission takes place with increasing initiator amounts. On the other hand, the presence of a small amount of the comonomers, DVB or Tris, in the GMA-grafting system, was shown to bring about a significant increase in the grafting level paralleled by a large reduction in poly-GMA and PP degradation. In the presence of these highly reactive comonomers, the optimum grafting system requires a much lower concentration of the peroxide initiator and, consequently, would lead to the much lower degree of polymer degradation observed in these systems. The differences in the effects of the presence of DVB and that of TRIS in the grafting systems on the rate of the GMA-grafting and homopolymerisation reactions, and the extent of PP degradation (through melt flow changes), were compared and contrasted with a conventional GMA-grafting system.

Effect of graphene substrate on the SERS Spectra of Aromatic bifunctional molecules on metal nanoparticles

The design of molecular sensors plays a very important role within nanotechnology and especially in the development of different devices for biomedical applications. Biosensors can be classified according to various criteria such as the type of interaction established between the recognition element and the analyte or the type of signal detection from the analyte (transduction). When Raman spectroscopy is used as an optical transduction technique the variations in the Raman signal due to the physical or chemical interaction between the analyte and the recognition element has to be detected. Therefore any significant improvement in the amplification of the optical sensor signal represents a breakthrough in the design of molecular sensors. In this sense, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) involves an enormous enhancement of the Raman signal from a molecule in the vicinity of a metal surface. The main objective of this work is to evaluate the effect of a monolayer of graphene oxide (GO) on the distribution of metal nanoparticles (NPs) and on the global SERS enhancement of paminothiophenol (pATP) and 4-mercaptobenzoic acid (4MBA) adsorbed on this substrate. These aromatic bifunctional molecules are able to interact to metal NPs and also they offer the possibility to link with biomolecules. Additionally by decorating Au or Ag NPs on graphene sheets, a coupled EM effect caused by the aggregation of the NPs and strong electronic interactions between Au or Ag NPs and the graphene sheets are considered to be responsible for the significantly enhanced Raman signal of the analytes [1-2]. Since there are increasing needs for methods to conduct reproducible and sensitive Raman measurements, Grapheneenhanced Raman Scattering (GERS) is emerging as an important method [3].

Study of Pt/MCM-22 based catalysts in the transformation of n-hexane: effect of rare earth elements and mode of platinum introduction

The bifunctional transformation of n-hexane was carried out over Pt/MCM-22 based catalysts. MCM-22 was synthesized and submitted to ion exchange with rare earth nitrate solutions of La, Nd and Yb, followed by Pt introduction. Three different methods were used to introduce about 1 wt% of Pt in the zeolite: ion exchange, incipient wetness impregnation and mechanical mixture with Pt/Al(2)O(3). The bifunctional catalysts were characterized by transmission electron microscopy and by the model reaction of toluene hydrogenation. These experiments showed that, in the ion exchanged sample, Pt is located both within the inner micropores and on the outer surface, whereas in the impregnated one, the metal is essentially located on the outer surface under the form of large particles. The presence of RE elements increases the hydrogenating activity of Pt/MCM-22 since the location of these species at the vicinity of metal particles causes modification on its electronic properties. Whatever the mode of Pt introduction, a fast initial decrease in conversion is observed for n-hexane transformation, followed by a plateau related to the occurrence of the catalytic transformations at the hemicages located at the outer surface of the crystals. The effect of rare earth elements on the hydrogenating function leads to a lower selectivity in dibranched isomers and increased amounts of light products.

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

Two component systems: physiological effect of a third component

Signal transduction systems mediate the response and adaptation of organisms to environmental changes. In prokaryotes, this signal transduction is often done through Two Component Systems (TCS). These TCS are phosphotransfer protein cascades, and in their prototypical form they are composed by a kinase that senses the environmental signals (SK) and by a response regulator (RR) that regulates the cellular response. This basic motif can be modified by the addition of a third protein that interacts either with the SK or the RR in a way that could change the dynamic response of the TCS module. In this work we aim at understanding the effect of such an additional protein (which we call ‘‘third component’’) on the functional properties of a prototypical TCS. To do so we build mathematical models of TCS with alternative designs for their interaction with that third component. These mathematical models are analyzed in order to identify the differences in dynamic behavior inherent to each design, with respect to functionally relevant properties such as sensitivity to changes in either the parameter values or the molecular concentrations, temporal responsiveness, possibility of multiple steady states, or stochastic fluctuations in the system. The differences are then correlated to the physiological requirements that impinge on the functioning of the TCS. This analysis sheds light on both, the dynamic behavior of synthetically designed TCS, and the conditions under which natural selection might favor each of the designs. We find that a third component that modulates SK activity increases the parameter space where a bistable response of the TCS module to signals is possible, if SK is monofunctional, but decreases it when the SK is bifunctional. The presence of a third component that modulates RR activity decreases the parameter space where a bistable response of the TCS module to signals is possible.

Development of porous glass-fiber reinforced composite for bone implants. Evaluation of antimicrobial effect and implant fixation

Cranial bone reconstructions are necessary for correcting large skull bone defects due to trauma, tumors, infections and craniotomies. Traditional synthetic implant materials include solid or mesh titanium, various plastics and ceramics. Recently, biostable glass-fiber reinforced composites (FRC), which are based on bifunctional methacrylate resin, were introduced as novel implant solution. FRCs were originally developed and clinically used in dental applications. As a result of further in vitro and in vivo testing, these composites were also approved for clinical use in cranial surgery. To date, reconstructions of large bone defects were performed in 35 patients. This thesis is dedicated to the development of a novel FRC-based implant for cranial reconstructions. The proposed multi-component implant consists of three main parts: (i) porous FRC structure; (ii) bioactive glass granules embedded between FRC layers and (iii) a silver-polysaccharide nanocomposite coating. The porosity of the FRC structure should allow bone ingrowth. Bioactive glass as an osteopromotive material is expected to stimulate the formation of new bone. The polysaccharide coating is expected to prevent bacterial colonization of the implant. The FRC implants developed in this study are based on the porous network of randomly-oriented E-glass fibers bound together by non-resorbable photopolymerizable methacrylate resin. These structures had a total porosity of 10–70 volume %, of which > 70% were open pores. The pore sizes > 100 μm were in the biologically-relevant range (50-400 μm), which is essential for vascularization and bone ingrowth. Bone ingrowth into these structures was simulated by imbedding of porous FRC specimens in gypsum. Results of push-out tests indicated the increase in the shear strength and fracture toughness of the interface with the increase in the total porosity of FRC specimens. The osteopromotive effect of bioactive glass is based on its dissolution in the physiological environment. Here, calcium and phosphate ions, released from the glass, precipitated on the glass surface and its proximity (the FRC) and formed bone-like apatite. The biomineralization of the FRC structure, due to the bioactive glass reactions, was studied in Simulated Body Fluid (SBF) in static and dynamic conditions. An antimicrobial, non-cytotoxic polysaccharide coating, containing silver nanoparticles, was obtained through strong electrostatic interactions with the surface of FRC. In in vitro conditions the lactose-modified chitosan (chitlac) coating showed no signs of degradation within seven days of exposure to lysozyme or one day to hydrogen peroxide (H2O2). The antimicrobial efficacy of the coating was tested against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. The contact-active coating had an excellent short time antimicrobial effect. The coating neither affected the initial adhesion of microorganisms to the implant surface nor the biofilm formation after 24 h and 72 h of incubation. Silver ions released to the aqueous environment led to a reduction of bacterial growth in the culture medium.

The Mycobacterium tuberculosis Rv2540c DNA sequence encodes a bifunctional chorismate synthase

Background. The emergence of multi- and extensively-drug resistant Mycobacterium tuberculosis strains has created an urgent need for new agents to treat tuberculosis (TB). The enzymes of shikimate pathway are attractive targets to the development of antitubercular agents because it is essential for M. tuberculosis and is absent from humans. Chorismate synthase (CS) is the seventh enzyme of this route and catalyzes the NADH- and FMN-dependent synthesis of chorismate, a precursor of aromatic amino acids, naphthoquinones, menaquinones, and mycobactins. Although the M. tuberculosis Rv2540c (aroF) sequence has been annotated to encode a chorismate synthase, there has been no report on its correct assignment and functional characterization of its protein product. Results. In the present work, we describe DNA amplification of aroF-encoded CS from M. tuberculosis (MtCS), molecular cloning, protein expression, and purification to homogeneity. N-terminal amino acid sequencing, mass spectrometry and gel filtration chromatography were employed to determine identity, subunit molecular weight and oligomeric state in solution of homogeneous recombinant MtCS. The bifunctionality of MtCS was determined by measurements of both chorismate synthase and NADH:FMN oxidoreductase activities. The flavin reductase activity was characterized, showing the existence of a complex between FMN ox and MtCS. FMNox and NADH equilibrium binding was measured. Primary deuterium, solvent and multiple kinetic isotope effects are described and suggest distinct steps for hydride and proton transfers, with the former being more rate-limiting. Conclusion. This is the first report showing that a bacterial CS is bifunctional. Primary deuterium kinetic isotope effects show that C4-proS hydrogen is being transferred during the reduction of FMNox by NADH and that hydride transfer contributes significantly to the rate-limiting step of FMN reduction reaction. Solvent kinetic isotope effects and proton inventory results indicate that proton transfer from solvent partially limits the rate of FMN reduction and that a single proton transfer gives rise to the observed solvent isotope effect. Multiple isotope effects suggest a stepwise mechanism for the reduction of FMNox. The results on enzyme kinetics described here provide evidence for the mode of action of MtCS and should thus pave the way for the rational design of antitubercular agents. © 2008 Ely et al; licensee BioMed Central Ltd.

PtSnIr/C anode electrocatalysts: Promoting effect in direct ethanol fuel cells

This study investigates the promoting effect of PtSnIr/C (1:1:1) electrocatalyst anode, prepared by polymeric precursor method, on the ethanol oxidation reaction in a direct ethanol fuel cell (DEFC). All of the materials used were 20% metal m/m on carbon. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis showed the presence of Pt, PtOH 2, PtO 2, SnO 2 and IrO 2 at the electrocatalyst surface, indicating a possible decorated particle structure. X-ray diffractometry (XRD) analysis indicated metallic Pt and Ir as well as the formation of an alloy with Sn. Using the PtSnIr/C electrocatalyst prepared here with two times lower loading of Pt than PtSn/C E-tek electrocatalyst, it was possible to obtain the same maximum power density found for the commercial material. The main reaction product was acetic acid probably due to the presence of oxides, in this point the bifunctional mechanism is predominant, but an electronic effect should not be discarded. © 2012 Sociedade Brasileira de Química.

PtSnIr/C Anode Electrocatalysts: Promoting Effect in Direct Ethanol Fuel Cells

This study investigates the promoting effect of PtSnIr/C (1:1:1) electrocatalyst anode, prepared by polymeric precursor method, on the ethanol oxidation reaction in a direct ethanol fuel cell (DEFC). All of the materials used were 20% metal m/m on carbon. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis showed the presence of Pt, PtOH2, PtO2, SnO2 and IrO2 at the electrocatalyst surface, indicating a possible decorated particle structure. X-ray diffractometry (XRD) analysis indicated metallic Pt and Ir as well as the formation of an alloy with Sn. Using the PtSnIr/C electrocatalyst prepared here with two times lower loading of Pt than PtSn/C E-tek electrocatalyst, it was possible to obtain the same maximum power density found for the commercial material. The main reaction product was acetic acid probably due to the presence of oxides, in this point the bifunctional mechanism is predominant, but an electronic effect should not be discarded.

PtSnIr/C anode electrocatalysts: promoting effect in direct ethanol fuel cells

This study investigates the promoting effect of PtSnIr/C (1:1:1) electrocatalyst anode, prepared by polymeric precursor method, on the ethanol oxidation reaction in a direct ethanol fuel cell (DEFC). All of the materials used were 20% metal m/m on carbon. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis showed the presence of Pt, PtOH2, PtO2, SnO2 and IrO2 at the electrocatalyst surface, indicating a possible decorated particle structure. X-ray diffractometry (XRD) analysis indicated metallic Pt and Ir as well as the formation of an alloy with Sn. Using the PtSnIr/C electrocatalyst prepared here with two times lower loading of Pt than PtSn/C E-tek electrocatalyst, it was possible to obtain the same maximum power density found for the commercial material. The main reaction product was acetic acid probably due to the presence of oxides, in this point the bifunctional mechanism is predominant, but an electronic effect should not be discarded.

Gene therapy of cancer: Mechanisms of ``bystander effect'' killing in cells expressing the herpes simplex virus-thymidine kinase gene and its potential clinical applications

At the fore-front of cancer research, gene therapy offers the potential to either promote cell death or alter the behavior of tumor-cells. One example makes use of a toxic phenotype generated by the prodrug metabolizing gene, thymidine kinase (HSVtk) from the Herpes Simplex Virus. This gene confers selective toxicity to a relatively nontoxic prodrug, ganciclovir (GCV). Tumor cells transduced with the HSVtk gene are sensitive to 1-50 $\mu$M GCV; normal tissue is insensitive up to 150-250 $\mu$M GCV. Utilizing these different sensitivities, it is possible to selectively ablate tumor cells expressing this gene. Interestingly, if a HSVtk$\sp+$ expressing population is mixed with a HSVtk$\sp-$ population at high density, all the cells are killed after GCV administration. This phenomenon for killing all neighboring cells is termed the "bystander effect", which is well documented in HSVtk$\sp-$ GCV systems, though its exact mechanism of action is unclear.^ Using the mouse colon carcinoma cell line CT26, data are presented supporting possible mechanisms of "bystander effect" killing of neighboring CT26-tk$\sp-$cells. A major requirement for bystander killing is the prodrug GCV: as dead or dying CT26tk$\sp+$ cells have no toxic effect on neighboring cells in its absence. In vitro, it appears the bystander effect is due to transfer of toxic GCV-metabolites, through verapamil sensitive intracellular-junctions. Additionally, possible transfer of the HSVtk enzyme to bystander cells after GCV addition, may play a role in bystander killing. A nude mouse model suggests that in a 50/50 (tk$\sp+$/tk$\sp-$) mixture of CT26 cells the bystander eradication of tumors does not involve an immune component. Additionally in a possible clinical application, the "bystander effect" can be directly exploited to eradicate preexisting CT26 colon carcinomas in mice by intratumoral implantation of viable or lethally irradiated CT26tk$\sp+$ cells and subsequent GCV administration. Lastly, an application of this toxic phenotype gene to a clinical marking protocol utilizing a recombinant adenoviral vector carrying the bifunctional protein GAL-TEK to eradicate spontaneously-arisen or vaccine-induced fibrosarcomas in cats is demonstrated. ^

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.