Autocrine loop in the purinergic control of airway surface liquid volume : monitoring with a novel side-view imaging technique

La Fibrose Kystique (FK) est une maladie dégénérative qui entraine une dégénération des poumons dû au problème de clairance mucociliaire (CMC). Le volume de surface liquide (SL) couvrant les cellules pulmonaires est essentiel à la clairance de mucus et au combat contre les infections. Les nucléotides extracellulaires jouent un rôle important dans la CMC des voies aériennes, en modifiant le volume de la SL pulmonaire. Cependant, les mécanismes du relâchement de l’ATP et de leurs déplacements à travers la SL, restent inconnus. Des études ultérieures démontrent que l’exocytose d’ATP mécano-sensible et Ca2+-dépendant, dans les cellules A549, est amplifié par les actions synergétiques autocrine/paracrine des cellules avoisinantes. Nous avions comme but de confirmer la présence de la boucle purinergique dans plusieurs modèles de cellules épithéliales et de développer un système nous permettant d’observer directement la SL. Nous avons démontrés que la boucle purinergique est fonctionnelle dans les modèles de cellules épithéliales examinés, mis appart les cellules Calu-3. L’utilisation de modulateur de la signalisation purinergique nous a permis d’observer que le relâchement d’ATP ainsi que l’augmentation du [Ca2+]i suivant un stress hypotonique, sont modulés par le biais de cette boucle purinergique et des récepteurs P2Y. De plus, nous avons développé un système de microscopie qui permet d’observer les changements de volume de SL en temps réel. Notre système permet de contrôler la température et l’humidité de l’environnement où se trouvent les cellules, reproduisant l’environnement pulmonaire humain. Nous avons démontré que notre système peut identifier même les petits changements de volume de SL.

Dendrimer nanocarriers for transport modulation across models of the pulmonary epithelium

The purpose of this study was to determine the effect of PEGylation on the interaction of poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimer nanocarriers (DNCs) with in vitro and in vivo models of the pulmonary epithelium. Generation-3 PAMAM dendrimers with varying surface densities of PEG 1000 Da were synthesized and characterized. The results revealed that the apical to basolateral transport of DNCs across polarized Calu-3 monolayers increases with an increase in PEG surface density. DNC having the greatest number of PEG groups (n = 25) on their surface traversed at a rate 10-fold greater than its non-PEGylated counterpart, in spite of their larger size. This behavior was attributed to a significant reduction in charge density upon PEGylation. We also observed that PEGylation can be used to modulate cellular internalization. The total uptake of PEG-free DNC into polarized Calu-3 monolayers was 12% (w/w) vs 2% (w/w) for that with 25 PEGs. Polarization is also shown to be of great relevance in studying this in vitro model of the lung epithelium. The rate of absorption of DNCs administered to mice lungs increased dramatically when conjugated with 25 PEG groups, thus supporting the in vitro results. The exposure obtained for the DNC with 25PEG was determined to be very high, with peak plasma concentrations reaching 5 mu gmL(-1) within 3 h. The combined in vitro and in vivo results shown here demonstrate that PEGylation can be potentially used to modulate the internalization and transport of DNCs across the pulmonary epithelium. Modified dendrimers thereby may serve as a valuable platform that can be tailored to target the lung tissue for treating local diseases, or the circulation, using the lung as pathway to the bloodstream, for systemic delivery.

A novel cell compatible impingement system to study in vitro drug absorption from dry powder aerosol formulations

A modified Astra type multistage liquid impinger (MSLI) with integrated bronchial cell monolayers was used to study deposition and subsequent drug absorption on in vitro models of the human airway epithelial barrier. Inverted cell culture of Calu-3 cells on the bottom side of cell culture filter inserts was integrated into a compendial MSLI. Upside down cultivation did not impair the barrier function, morphology and viability of Calu-3 cells. Size selective deposition with subsequent absorption was studied for three different commercially available dry powder formulations of salbutamol sulphate and budesonide. After deposition without size separation the absorption rates from the aerosol formulations differed but correlated with the size of the carrier lactose particles. However, after deposition in the MSLI, simulating relevant impaction and causing the separation of small drug crystals from the carrier lactose, the absorption rates of the three formulations were identical, confirming the bioequivalence of the three formulations.

Using an in vitro human airway model to study the toxic effects of components of e-cigarettes

Cigarette smoke is a complex mixture of more than 4000 hazardous chemicals including the carcinogenic benzopyrenes. Nicotine, the most potent component of tobacco, is responsible for the addictive nature of cigarettes and is a major component of e-cigarette cartridges. Our study aims to investigate the toxicity of nicotine with special emphasis on the replacement of animals. Furthermore, we intend to study the effect of nicotine, cigarette smoke and e-cigarette vapours on human airways. In our current work, the BEAS 2B human bronchial epithelial cell line was used to analyse the effect of nicotine in isolation, on cell viability. Concentrations of nicotine from 1.1µM to 75µM were added to 5x105 cells per well in a 96 well plate and incubated for 24 hours. Cell titre blue results showed that all the nicotine treated cells were more metabolically active than the control wells (cells alone). These data indicate that, under these conditions, nicotine does not affect cell viability and in fact, suggests that there is a stimulatory effect of nicotine on metabolism. We are now furthering this finding by investigating the pro-inflammatory response of these cells to nicotine by measuring cytokine secretion via ELISA. Further work includes analysing nicotine exposure at different time points and on other epithelial cells lines like Calu-3.

Hepsine et matriptase activent l’hémagglutinine des virus influenza A et B et leur inhibition représente une nouvelle stratégie thérapeutique n’entraînant pas le développement de résistance

Résumé: Chaque année, les épidémies saisonnières d’influenza causent de 3 à 5 millions de cas sévères de maladie, entraînant entre 250 000 et 500 000 décès mondialement. Seulement deux classes d’antiviraux sont actuellement commercialisées pour traiter cette infection respiratoire : les inhibiteurs de la neuraminidase, tels que l’oseltamivir (Tamiflu) et les inhibiteurs du canal ionique M2 (adamantanes). Toutefois, leur utilisation est limitée par l’apparition rapide de résistance virale. Il est donc d’un grand intérêt de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour le traitement de l’influenza. Le virus influenza dépend de l’activation de sa protéine de surface hémagglutinine (HA) pour être infectieux. L’activation a lieu par clivage protéolytique au sein d’une séquence d’acides aminés conservée. Ce clivage doit être effectué par une enzyme de l’hôte, étant donné que le génome du virus ne code pour aucune protéase. Pour les virus infectant l’humain, plusieurs études ont montré le potentiel de protéases à sérine transmembranaires de type II (TTSP) à promouvoir la réplication virale : TMPRSS2, TMPRSS4, HAT, MSPL, Desc1 et matriptase, identifiée récemment par notre équipe (Beaulieu, Gravel et al., 2013), activent l’HA des virus influenza A (principalement H1N1 et H3N2). Toutefois, il existe peu d’information sur le clivage de l’HA des virus influenza B, et seulement TMPRSS2 et HAT ont été identifiées comme étant capables d’activer ce type de virus. Les travaux de ce projet de maîtrise visaient à identifier d’autres TTSP pouvant activer l’HA de l’influenza B. L’efficacité de clivage par la matriptase, hepsine, HAT et Desc1 a été étudiée et comparée entre ces TTSP. Ces quatre protéases s’avèrent capables de cliver l’HA de l’influenza B in vitro. Cependant, seul le clivage par matriptase, hepsine et HAT promeut la réplication virale. De plus, ces TTSP peuvent aussi supporter la réplication de virus influenza A. Ainsi, l’utilisation d’un inhibiteur de TTSP, développé en collaboration avec notre laboratoire, permet de bloquer significativement la réplication virale dans les cellules épithéliales bronchiques humaines Calu-3. Cet inhibiteur se lie de façon covalente et lentement réversible au site actif de la TTSP par un mécanisme slow tight-binding. Puisque cet inhibiteur cible une composante de la cellule hôte, et non une protéine virale, il n’entraîne pas le développement de résistance après 15 passages des virus en présence de l’inhibiteur dans les cellules Calu-3. L’inhibition des TTSP activatrices d’HA dans le système respiratoire humain représente donc une nouvelle stratégie thérapeutique pouvant mener au développement d’antiviraux efficaces contre l’influenza.

A new low temperature synthesis route of fraipontite (Zn,Al)3(Si,Al)2O5(OH)4

A low temperature synthesis method based on the decomposition of urea at 90°C in water has been developed to synthesise fraipontite. This material is characterised by a basal reflection 001 at 7.44 Å. The trioctahedral nature of the fraipontite is shown by the presence of a 06l band around 1.54 Å, while a minor band around 1.51 Å indicates some cation ordering between Zn and Al resulting in Al-rich areas with a more dioctahedral nature. TEM and IR indicate that no separate kaolinite phase is present. An increase in the Al content however, did result in the formation of some SiO2 in the form of quartz. Minor impurities of carbonate salts were observed during the synthesis caused by to the formation of CO32- during the decomposition of urea.

Vibrational spectroscopy of phthalocyanine and naphthalocyanine in sandwich-type (na)phthalocyaninato and porphyrinato rare earth complexes: Part 14. The infrared and Raman characteristics of phthalocyanine in “pinwheel-like” homoleptic bis[1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyaninato] rare earth(III) double-decker complexes

The infrared (IR) spectroscopic data and Raman spectroscopic properties for a series of 13 “pinwheel-like” homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth complexes M[Pc(α-OC5H11)4]2 [M = Y and Pr–Lu except Pm; H2Pc(α-OC5H11)4 = 1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyanine] have been collected and comparatively studied. Both the IR and Raman spectra for M[Pc(α-OC5H11)4]2 are more complicated than those of homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth analogues, namely M(Pc)2 and M[Pc(OC8H17)8]2, but resemble (for IR) or are a bit more complicated (for Raman) than those of heteroleptic counterparts M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4], revealing the decreased molecular symmetry of these double-decker compounds, namely S8. Except for the obvious splitting of the isoindole breathing band at 1110–1123 cm−1, the IR spectra of M[Pc(α-OC5H11)4]2 are quite similar to those of corresponding M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] and therefore are similarly assigned. With laser excitation at 633 nm, Raman bands derived from isoindole ring and aza stretchings in the range of 1300–1600 cm−1 are selectively intensified. The IR spectra reveal that the frequencies of pyrrole stretching and pyrrole stretching coupled with the symmetrical CH bending of –CH3 groups are sensitive to the rare earth ionic size, while the Raman technique shows that the bands due to the isoindole stretchings and the coupled pyrrole and aza stretchings are similarly affected. Nevertheless, the phthalocyanine monoanion radical Pc′− IR marker band of bis(phthalocyaninato) complexes involving the same rare earth ion is found to shift to lower energy in the order M(Pc)2 > M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] > M[Pc(α-OC5H11)4]2, revealing the weakened π–π interaction between the two phthalocyanine rings in the same order.