Endogenous ursodeoxycholic acid and cholic acid in liver disease due to cystic fibrosis

Focal biliary cirrhosis causes significant morbidity and mortality in cystic fibrosis (CF). Although the mechanisms of pathogenesis remain unclear, bile acids have been proposed as potential mediators of liver injury. This study examined bile acid composition in CF and assessed altered bile acid profiles to determine if they are associated with incidence and progression of liver injury in CF-associated liver disease (CFLD). Bile acid composition was determined by gas-liquid chromatography/mass spectrometry in bile, urine, and serum samples from 30 children with CFLD, 15 children with CF but without liver disease (CFnoLD)), and 43 controls. Liver biopsies from 29 CFLD subjects were assessed histologically by grading for fibrosis stage, inflammation, and disruption of the limiting plate. A significantly greater proportion of endogenous biliary ursodeoxycholic acid (UDCA) was demonstrated in CFnoLD subjects vs. both CFLD subjects and controls (2.4- and 2.2-fold, respectively; ANOVA, P = .04), and a 3-4 fold elevation in endogenous serum UDCA concentration was observed in both CFLD subjects and CFnoLD subjects vs. controls (ANOVA, P < .05). In CFLD, there were significant correlations between serum cholic acid and hepatic fibrosis, inflammation, and limiting plate disruption as well as the ratio of serum cholic acid/chenodeoxycholic acid to hepatic fibrosis, inflammation, and limiting plate disruption. In conclusion, elevated endogenous UDCA in CFnoLD suggests a possible protective role against liver injury in these patients. The correlation between both cholic acid and cholic acid/chenodeoxycholic acid levels with histological liver injury and fibrosis progression suggests a potential monitoring role for these bile acids in CFLD.

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

Urinary metabolomics in Fxr-null mice reveals activated adaptive metabolic pathways upon bile acid challenge

Farnesoid X receptor (FXR) is a nuclear receptor that regulates genes involved in synthesis, metabolism, and transport of bile acids and thus plays a major role in maintaining bile acid homeostasis. In this study, metabolomic responses were investigated in urine of wild-type and Fxr-null mice fed cholic acid, an FXR ligand, using ultra-performance liquid chromatography (UPLC) coupled with electrospray time-of-flight mass spectrometry (TOFMS). Multivariate data analysis between wild-type and Fxr-null mice on a cholic acid diet revealed that the most increased ions were metabolites of p-cresol (4-methylphenol), corticosterone, and cholic acid in Fxr-null mice. The structural identities of the above metabolites were confirmed by chemical synthesis and by comparing retention time (RT) and/or tandem mass fragmentation patterns of the urinary metabolites with the authentic standards. Tauro-3alpha,6,7alpha,12alpha-tetrol (3alpha,6,7alpha,12alpha-tetrahydroxy-5beta-cholestan-26-oyltaurine), one of the most increased metabolites in Fxr-null mice on a CA diet, is a marker for efficient hydroxylation of toxic bile acids possibly through induction of Cyp3a11. A cholestatic model induced by lithocholic acid revealed that enhanced expression of Cyp3a11 is the major defense mechanism to detoxify cholestatic bile acids in Fxr-null mice. These results will be useful for identification of biomarkers for cholestasis and for determination of adaptive molecular mechanisms in cholestasis.

Temperature effect on the sorption of cholate anions on calcined LDH

Layered Double Hydroxides are a class of materials that can be described as positively charged layers of divalent and trivalent cations in the centre of edge-sharing octahedra. Cholesterol derivatives such as cholic acid are substances that play an important role in the digestion of fat components by the organism. This work presents a study on the intercalation of cholate anions in calcined MgAl-CO(3)-HDL. Isotherm experiments were performed at three different temperatures to evaluate the capacity of anion removal by sorption in the calcined LDH. The plateau was reached in all conditions. Increasing temperature results in decreasing cholate sorption. Characteristic peaks of LDH regenerated with OH(-) anions were observed at lower cholate concentrations. A peak in 2 theta equals to 7.5 degrees and peaks between 15 degrees and 20 degrees are observed. Those peaks are the same as the ones observed in the pure sodium cholate PXRD. At higher cholate concentrations the sorbed solids present PXRD related to an additional layered phase, which is related to intercalation of cholate anions with basal spacing equal to 34.3 angstrom. Thus, the cholate anions are also intercalated with a bilayer molecular arrangement at equilibrium concentrations at the isotherms plateau. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Adsorption of cholate anions on layered double hydroxides: effects of temperature, ionic strength and pH

Layered Double Hydroxides are a class of materials that can be described as positively charged planar layers consisting of divalent and trivalent cations in the center of edge-sharing octahedra. The positive charge in the LDH layers must be compensated by anion intercalation. These materials have applications that include adsorption and/or sorption of anionic species. Cholic acid is one of the main acids produced by the liver. It promotes transport of lipids through aqueous systems. This work reports on the adsorption of Cholic acid anions in MgAl-CO3-LDH taking ionic strength, pH, and temperature effects into account. The adsorbent was characterized by different techniques. Cholate anion adsorption was performed at two different temperatures (298 and 323 K), two different ionic strength conditions (0.0 and 0.1 M of NaCl), and two different pH values (7.0 and 10.0). The results show that the sorption of Cholate anions in calcined LDH can remove a considerable amount of these anions from the medium. Cholate anion adsorption in the LDH with no calcining also occurs, but at a lower amount.

Synthesis of Polymeric Nanoparticles for biomedical delivery applications

Polymeric nanoparticles (PNPs) have attracted considerable interest over the last few years due to their unique properties and behaviors provided by their small size. Such materials could be used in a wide range of applications such as diagnostics and drug delivery. Advantages of PNPs include controlled release, protection of drug molecules and its specific targeting, with concomitant increasing of the therapeutic index. In this work, novel sucrose and cholic acid based PNPs were prepared from different polymers, namely polyethylene glycol (PEG), poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and PLGA-co-PEG copolymer. In these PNP carriers, cholic acid will act as a drug incorporation site and the carbohydrate as targeting moiety. The uptake of nanoparticles into cells usually involves endocytotic processes, which depend primarily on their size and surface characteristics. These properties can be tuned by the nanoparticle preparation method. Therefore, the nanoprecipitation and the emulsion-solvent evaporation method were applied to prepare the PNPs. The influence of various parameters, such as concentration of the starting solution, evaporation method and solvent properties on the nanoparticle size, size distribution and morphology were studied. The PNPs were characterized by using atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS) to assess their size distribution and morphology. The PNPs obtained by nanoprecipitation ranged in size between 90 nm and 130 nm with a very low polydispersity index (PDI < 0.3). On the other hand, the PNPs produced by the emulsion-solvent evaporation method revealed particle sizes around 300 nm with a high PDI value. More detailed information was found in AFM and SEM images, which demonstrated that all these PNPs were regularly spherical. ζ-potential measurements were satisfactory and evidenced the importance of sucrose moiety on the polymeric system, which was responsible for the obtained negative surface charge, providing colloidal stability. The results of this study show that sucrose and cholic acid based polymeric conjugates can be successfully used to prepare PNPs with tunable physicochemical characteristics. In addition, it provides novel information about the materials used and the methods applied. It is hoped that this work will be useful for the development of novel carbohydrate based nanoparticles for biomedical applications, specifically for targeted drug delivery.

Modification d'acides biliaires à l'aide de polymères pour en moduler les propriétés d'agrégation

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C.

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Preparation, characterization, and rheological properties of star-shaped poly(ethylene glycol) with a cholane core and study of its effect on red blood cell aggregation

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Polyamides and polyesters made of bile acids in the main chain

La préparation de polymères à base d’acides biliaires, molécules biologiques, a attiré l'attention des chercheurs en raison des applications potentielles dans les domaines biomédicaux et pharmaceutiques. L’objectif de ce travail est de synthétiser de nouveaux biopolymères dont la chaîne principale est constituée d’unités d’acides biliaires. La polymérisation par étapes a été adoptée dans ce projet afin de préparer les deux principales classes de polymères utilisés en fibres textiles: les polyamides et les polyesters. Des monomères hétéro-fonctionnels à base d’acides biliaires ont été synthétisés et utilisés afin de surmonter le déséquilibre stoechiométrique lors de la polymérisation par étapes. Le dérivé de l’acide lithocholique modifié par une fonction amine et un groupement carboxylique protégé a été polymérisé en masse à températures élevées. Les polyamides obtenus sont très peu solubles dans les solvants organiques. Des polyamides et des polyesters solubles en milieu organique ont pu être obtenus dans des conditions modérées en utilisant l’acide cholique modifié par des groupements azide et alcyne. La polymérisation a été réalisée par cycloaddition azoture-alcyne catalysée par l'intermédiaire du cuivre(Ι) avec deux systèmes catalytiques différents, le bromure de cuivre(I) et le sulfate de cuivre(II). Seul le bromure de cuivre(Ι) s’est avéré être un catalyseur efficace pour le système, permettant la préparation des polymères avec un degré de polymérisation égale à 50 et une distribution monomodale de masse moléculaire (PDI ˂ 1.7). Les polymères synthétisés à base d'acide cholique sont thermiquement stables (307 °C ≤ Td ≤ 372 °C) avec des températures de transition vitreuse élevées (137 °C ≤ Tg ≤ 167 °C) et modules de Young au-dessus de 280 MPa, dépendamment de la nature chimique du lien.

Étude des interactions supramoléculaires par modélisation moléculaire

L’avancée des infrastructures informatiques a permis l’émergence de la modélisation moléculaire. À cet effet, une multitude de modèles mathématiques sont aujourd’hui disponibles pour simuler différents systèmes chimiques. À l’aide de la modélisation moléculaire, différents types d’interactions chimiques ont été observés. À partir des systèmes les plus simples permettant l’utilisation de modèles quantiques rigoureux, une série d’approximations a été considérée pour rendre envisageable la simulation de systèmes moléculaires de plus en plus complexes. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps a été utilisée pour simuler les énergies d’excitation de molécules photoactives. De manière similaire, la DFT indépendante du temps a permis la simulation du pont hydrogène intramoléculaire de structures analogues au 1,3,5-triazapentadiène et la rationalisation de la stabilité des états de transition. Par la suite, la dynamique moléculaire et la mécanique moléculaire ont permis de simuler les interactions d’un trimère d’acide cholique et d’un pyrène dans différents solvants. Cette même méthodologie a été utilisée pour simuler les interactions d’un rotaxane-parapluie à l’interface d’un système biphasique. Finalement, l’arrimage moléculaire et les fonctions de score ont été utilisés pour simuler les interactions intermoléculaires entre une protéine et des milliers de candidats moléculaires. Les résultats ont permis de mettre en place une stratégie de développement d’un nouvel inhibiteur enzymatique.

Développement de tensioactifs à base d’acides biliaires pegylés pour des applications pharmaceutiques

Les acides biliaires sont reconnus comme des tensioactifs d’origine biologique potentiellement applicables dans le domaine pharmaceutique. Leurs structures en font une plateforme idéale pour l’obtention de nouvelles architectures polymères. Des composés synthétisés par polymérisation anionique de dérivés d’oxirane comme l’oxyde d’éthylène, offre des dérivés amphiphiles pegylés démontrant des propriétés d’agrégation intéressantes en vue d’une amélioration de la biocompatibilité et de la capacité d’encapsulation médicamenteuse. Une large gamme d’acides biliaires pegylés (BA(EGn)x) a été préparée avec comme objectif premier leurs applications dans la formulation de principes actifs problématiques. Pour cela, une caractérisation rigoureuse du comportement de ces dérivés (modulation de la longueur (2 < n < 19) et du nombre de bras (2 < x < 4) de PEG) en solution a été réalisée. Dans le but d’améliorer la biodisponibilité de principes actifs lipophiles (cas de l’itraconazole), des nanoémulsions spontanées, composées de BA(EGn)x et d’acide oléique, ont été développées. L’évaluation in vitro, de la toxicité (cellulaire), et de la capacité de solubilisation des systèmes BA(EGn)x, ainsi que les paramètres pharmacocinétiques in vivo (chez le rat), suggèrent une livraison contrôlée par nos systèmes auto-assemblés lors de l’administration orale et intraveineuse. Aussi, la synthèse de copolymères en blocs en étoile à base d’acide cholique pegylés a été effectuée par polymérisation anionique par addition d’un second bloc au caractère hydrophobe de poly(éther d’allyle et de glycidyle) (CA(EGn-b-AGEm)4). Selon le ratio de blocs hydrophiles-hydrophobes CA(EGn-b-AGEm)4, des réponses thermiques en solution (LCST) ont été observées par un point de trouble (Cp) entre 8 oC et 37 oC. Un mécanisme de formation d’agrégats en plusieurs étapes est suggéré. La thiolation des allyles des PAGE permet une fonctionnalisation terminale à haute densité, comparable aux dendrimères. Les caractérisations physico-chimiques des CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 et CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 indiquent la formation de structures auto-assemblées en solution, sensibles à la température ou au pH. Cette fonctionnalisation élargie le domaine d’application des dérivés d’acides biliaires pegylés en étoile vers la transfection d’ADN, la livraison de siRNA thérapeutiques ou encore à une sélectivité de livraison médicamenteux (ex. sensibilité au pH, greffage ligands).

Effect of colonic bacterial metabolites on Caco-2 cell paracellular permeability in vitro

One common effect of tumor promoters is increased tight junction (TJ) permeability. TJs are responsible for paracellular permeability and integrity of the barrier function. Occludin is one of the main proteins responsible for TJ structure. This study tested the effects of physiological levels of phenol, ammonia, primary bile acids (cholic acid, CA, and chenodeoxycholic acid, CDCA), and secondary bile acids (lithocholic acid, LCA, and deoxycholic acid, DCA) on paracellular permeability using a Caco-2 cell model. Paracellular permeability of Caco-2 monolayers was assessed by transepithelial electrical resistance (TER) and the apical to basolateral flux of [C-14]-mannitol. Secondary, but not primary, bile acids increased permeability as reflected by significantly decreased TER and increased mannitol flux. Both phenol and ammonia also increased permeability. The primary bile acid CA significantly increased occludin expression (P < 0.05), whereas CDCA had no significant effect on occludin expression as compared to the negative control. The secondary bile acids DCA and LCA significantly increased occludin expression (P < 0.05), whereas phenol had no significant effect on the protein expression as compared to the negative control. This suggests that the increased permeability observed with LCA, DCA, phenol, and ammonia was not related to an effect on occludin expression. In conclusion, phenol, ammonia, and secondary bile acids were shown to increase paracellular permeability and reduce epithelial barrier function at doses typical of levels found in fecal samples. The results contribute to the evidence these gut microflora-generated products have tumor-promoting activity.

Staphylococcus aureus MnhF mediates cholate efflux and facilitates survival under human colonic conditions

Resistance to the innate defences of the intestine is crucial for the survival and carriage of Staphylococcus aureus, a common coloniser of the human gut. Bile salts produced by the liver and secreted into the intestines are one such group of molecules with potent anti-microbial activity. The mechanisms by which S. aureus is able to resist such defences in order to colonize and survive in the human gut are unknown. Here we show that mnhF confers resistance to bile salts, which can be abrogated by efflux pump inhibitors. MnhF mediates efflux of radiolabelled cholic acid in both S. aureus and when heterologously expressed in Escherichia coli, rendering them resistant. Deletion of mnhF attenuated survival of S. aureus in an anaerobic three stage continuous culture model of the human colon (gut model), which represent different anatomical areas of the large intestine.

Intake of isoflavone-supplemented soy yogurt fermented with Enterococcus faecium lowers serum total cholesterol and non-HDL cholesterol of hypercholesterolemic rats

The aim of this study was to obtain an isoflavone-supplemented soy yogurt, fermented with Enterococcus faecium CRL 183 and Lactobacillus helveticus ssp jugurti, with suitable sensory properties and to assess the effects of the final product on blood lipids in hypercholesterolemic rats. Four isoflavone supplementation procedures were tested, in which the isoflavone was added at these stages: (1) before heat-treatment; (2) after heating and before fermentation; (3) after fermentation and (4) in the okara (by-product of soy milk) flour stirred into the fermented product when consumed. The products were subjected to a test of sensory acceptability. To assess their potential hypocholesterolemic properties in vivo, four groups of rats were used: control (C), hypercholesterolemic (H), hypercholesterolemic plus fermented product (HF) and hypercholesterolemic plus isoflavone-supplemented fermented product (HFI). Hypercholesterolemia was induced in rats of groups H, HF and HFI by feeding them on a commercial rat chow to which cholesterol and cholic acid had been added. Total, HDL and non-HDL cholesterol and triglycerides were measured in the blood of the rats. No significant sensorial differences were detected among the samples of soy yogurt supplemented with isoflavones at various processing stages. Rats fed a fermented soy product enriched with isoflavones (HFI group) had significantly (P < 0.05) less serum total cholesterol (15.5%) compared with rats fed a hypercholesterolemic diet (H group). Non-HDL cholesterol was less (P < 0.05) in rats fed a fermented soy product enriched or not with isoflavones (27.4 and 23.2%) compared to H group. The HDL-C and triglyceride concentrations did not differ significantly among the groups. It was possible to obtain an isoflavone-supplemented soy yogurt with satisfactory sensory characteristics. The resulting supplemented soy yogurt was capable of producing a lipid-lowering effect in hypercholesterolemic rats, relative to the animals that did not consume this product.