Τα τελευταία χρόνια μια πληθώρα ερευνητικών εργασιών συσχετίζει την παραγωγή των δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS) με ποικίλες κυτταρικές λειτουργίες. Στο επίπεδο του κυττάρου, η παραγωγή ROS δύναται να προκληθεί τόσο υπό την επίδραση φυσιολογικών ερεθισμάτων (όπως ορμόνες και κυτταροκίνες) όσο και από εξωγενείς παράγοντες (όπως μικροοργανισμοί και ακτινοβολία). Η αυξημένη παραγωγή ROS ενέχεται στην παθογένεση διαφόρων ασθενειών, όπως του καρκίνου, της αθηροσκλήρωσης και της ρευματοειδούς αρθρίτιδας. Αν και σε υψηλές συγκεντρώσεις οι ROS καθίστανται κυτταροτοξικές, σε χαμηλά επίπεδα φαίνεται να δρουν ως ειδικά μόρια που συμμετέχουν στη μεταγωγή σήματος. Ανάμεσα στις ROS, ιδιαίτερο ενδιαφέρον προσελκύει το Η2Ο2, το οποίο λόγω της σχετικής σταθερότητας, της έλλειψης πολικότητας και του μικρού μοριακού μεγέθους, είναι ιδανικός υποψήφιος μεσολαβητής στη μεταγωγή σήματος στο εσωτερικό των κυττάρων. Η heparin affin regulatory peptide (HARP) είναι αυξητικός παράγοντας με σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του καρκίνου και στην αγγειογένεση. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η επίδραση του Η2Ο2 στον πολλαπλασιασμό και τη μετανάστευση των ανθρώπινων καρκινικών κυττάρων προστάτη LNCaP και των ενδοθηλιακών κυττάρων από φλέβα ομφάλιου λώρου (HUVEC), καθώς και στην αγγειογένεση in vivo στο μοντέλο της χοριοαλλαντοϊκής μεμβράνης (CAM) εμβρύου όρνιθας. Μελετήθηκε επίσης η πιθανή εμπλοκή της HARP στη δράση του Η2Ο2. Βρέθηκε ότι εξωγενώς χορηγούμενο Η2Ο2 επάγει τον πολλαπλασιασμό και τη μετανάστευση των κυττάρων HUVEC και την αγγειογένεση in vivo στην CAM εμβρύου όρνιθας. Επιπρόσθετα, το Η2Ο2 αύξησε τα επίπεδα της πρωτεΐνης HARP in vitro και in vivo. Το U0126 και η κουρκουμίνη ανέστειλαν τόσο την αύξηση των επιπέδων της πρωτεΐνης HARP, όσο και τον πολλαπλασιασμό των HUVEC που επάγονται από το Η2Ο2. Σε συμφωνία με τα παραπάνω, βρέθηκε ότι το Η2Ο2 επάγει τον πολλαπλασιασμό και τη μετανάστευση των κυττάρων LNCaP. Επιπλέον, προκάλεσε αύξηση των επιπέδων του mRNA και της πρωτεΐνης HARP, με τρόπο εξαρτώμενο από τη συγκέντρωση και το χρόνο. Η HARP φαίνεται να μεσολαβεί στις δράσεις του Η2Ο2, καθώς σε κύτταρα LNCaP στα οποία έχει κατασταλεί η έκφρασή της δεν εκδηλώθηκαν οι διεγερτικές δράσεις του Η2Ο2. Η κουρκουμίνη και ολιγονουκλεοτίδια-δολώματα έναντι του AP-1 ανέστειλαν τόσο την έκφραση της HARP, όσο και τον πολλαπλασιασμό και τη μετανάστευση των κυττάρων LNCaP που επάγονται από το Η2Ο2. Μετά από εισαγωγή της ρυθμιστικής περιοχής του γονιδίου της HARP σε πλασμιδιακό φορέα ανοδικά γονιδίου αναφοράς, το Η2Ο2 αύξησε με χρόνο-εξαρτώμενο τρόπο τη δραστηριότητα του υποκινητή του συγκεκριμένου γονιδίου. Η επαγωγική αυτή δράση ανεστάλη όταν εισήχθησαν σημειακές μεταλλαγές σε τουλάχιστον μία από τις δύο πιθανές αλληλουχίες δέσμευσης του AP-1. Η επίδραση του Η2Ο2 φαίνεται να οφείλεται στη δέσμευση των Fra-1, JunD και της ενεργού μορφής της c-Jun στη ρυθμιστική περιοχή του γονιδίου της HARP. Συμπερασματικά, στην παρούσα εργασία ενισχύεται η άποψη ότι η HARP διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον πολλαπλασιασμό και τη μετανάστευση των κυττάρων. Επίσης, προτείνεται ότι το γονίδιο της HARP παρουσιάζει ευαισθησία σε μεταβολές της οξειδωτικής κατάστασης του κυττάρου, καθώς η έκφρασή της επάγεται σε χαμηλές συγκεντρώσεις Η2Ο2. Τέλος, αναδεικνύεται η εμπλοκή συγκεκριμένων συμπλόκων του AP-1 στη ρύθμιση της μεταγραφικής δραστηριότητας του γονιδίου της HARP και των επακόλουθων βιολογικών δράσεων σε απόκριση στο Η2Ο2. / A growing body of evidence correlates the production of Reactive Oxygen Species (ROS) with many aspects of cell functions. Cellular ROS production can be augmented by the action of hormones, cytokines, and other physiological stimuli and also by external factors, such as xenobiotics or irradiation. Increased ROS production has been implicated in the pathogenesis of several diseases, such as cancer, atherosclerosis, rheumatoid arthritis and ischemia/reperfusion injury. Although ROS may be cytotoxic when produced in excess, at moderate levels they may act as specific signalling molecules. Among different ROS, H2O2 possesses the properties of relative stability, neutrality and small size, which make it an ideal candidate for a signalling molecule. Heparin affin regulatory peptide (HARP) is a mitogenic and angiogenic growth factor and plays a significant role on tumor growth and angiogenesis. In the present study we found that exogenous H2O2 significantly induced human umbilical vein endothelial cell (HUVEC) proliferation and migration, and angiogenesis in the in vivo chorioallantoic membrane assay. In addition, it increased HARP protein amounts in vitro and in vivo. U0126 and curcumin abrogated both H2O2-induced HARP protein amounts increment and HUVEC proliferation. In the same line, exogenous H2O2 significantly induced human prostate cancer LNCaP cell proliferation and migration. Moreover, H2O2 significantly increased HARP mRNA and protein amounts in a concentration- and time-dependent manner. HARP seems to be involved in the stimulatory effect of H2O2, since the latter had no effect on stably transfected LNCaP cells that did not express HARP. Curcumin and AP-1 decoy oligonucleotides abrogated both H2O2-induced HARP expression and LNCaP cell proliferation and migration. H2O2 increased luciferase activity of the 5’-flanking region of the HARP gene introduced in a reporter gene vector, an effect that was abolished when even one of the two putative AP-1 binding sites of the HARP promoter was mutated. The effect of H2O2 seems to be due to binding of Fra-1, JunD and phospho-c-Jun to the HARP promoter. In conclusion, H2O2 up-regulates HARP expression through the induction of specific AP-1 dimers, leading to increased cell proliferation and migration.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται χρήση τριών διαφορετικών ειδών λεπτών υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) ως στερεό υπόστρωμα για την ακινητοποίηση πρωτεϊνών με σκοπό την ανάπτυξη και σύγκριση αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2). Το πρώτο είδος των λεπτών υμενίων TiO2 είναι από την εμπορική πάστα της Dyesol η οποία παρασκευάζεται με τη μέθοδο sol-gel, το δεύτερο είδος είναι από μία πάστα δικής μας παραγωγής με τη μέθοδο sol-gel και το τρίτο είδος είναι από μία πάστα που παρασκευάσαμε χρησιμοποιώντας την έτοιμη νανοδομημένη σκόνη TiO2, Degussa P – 25. Τα υμένια TiO2 που έχουν παρασκευαστεί από την εμπορική πάστα της Dyesol χρησιμοποιήθηκαν και για τη δημιουργία υβριδικού υποστρώματος με νανοσωματίδια Αργύρου το οποίο μπορεί να βρει εφαρμογή τόσο στη φωτοκατάλυση όσο και στην ανάπτυξη πιο ευαίσθητων αμπερομετρικών βιοαισθητήρων. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία των βιοαισθητήρων καθώς και οι σημαντικότεροι τύποι βιοαισθητήρων που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Σημαντικό ρόλο στην επιτυχή κατασκευή ενός βιοαισθητήρα παίζει η επιλογή του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα / ηλεκτρόδιο (στη συγκεκριμένη περίπτωση, υμένια TiO2) καθώς και ο τρόπος που ακινητοποιείται το βιομόριο πάνω σε αυτό, γι’ αυτό και έχει δοθεί έμφαση στην ανάλυση των παραπάνω πληροφοριών. Στη συνέχεια περιγράφεται η δομή και η φυσική λειτουργία της πρωτεΐνης, (κυτόχρωμα c), που χρησιμοποιήθηκε ως το βιομόριο επιλογής για την ανάπτυξη του βιοαισθητήρα. Αναλύονται οι κρυσταλλικές δομές του διοξειδίου του τιτανίου και οι βασικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Επίσης γίνεται περιγραφή του φαινομένου της φωτοκατάλυσης, ενώ αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του TiO2 για την εφαρμογή αυτή. Στο τέλος του πρώτου κεφαλαίου γίνεται αναφορά και στα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και στους λόγους που βοηθούν στην αύξηση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης του TiO2. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τον χαρακτηρισμό των υμενίων TiO2 όσο και για την αναλυτική μελέτη της ακινητοποίησης του κυτοχρώματος c και των νανοσωματιδίων αργύρου πάνω σε αυτά. Περιγράφεται επίσης, η ηλεκτροχημική κυψελίδα 3 ηλεκτροδίων και οι τεχνικές της κυκλικής βολταμμετρίας και της φασματοηλεκτροχημείας που επιλέχθηκαν για τη μελέτη των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των υμενίων TiO2 με ή χωρίς ακινητοποιημένη πρωτεΐνη, των υμενίων TiO2 με ακινητοποιημένα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και για την ανάπτυξη των αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο H2O2. Τέλος, περιγράφεται η σύνθεση των τριών διαφορετικών παστών TiO2, η πειραματική διαδικασία εναπόθεσης των υμενίων του TiO2 σε υποστρώματα αγώγιμου υάλου και κατόπιν, ακολουθεί η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. / In this report 3 different types of TiO2 films were used as solid substrates for the immobilization of proteins in order to be used for the development and evaluation of amperometric biosensors for hydrogen peroxide (H2O2). The first type of thin TiO2 films were made using a Dyesol sol gel commercial TiO2 paste, the second type was produced from a TiO2 paste produced in our lab following a standard sol-gel procedure and the third type of films were produced from a paste prepared using Degusa P25 TiO2 powder. In addition, the thin TiO2 films produced from the Dyesol paste were modified with Ag nanoparticles in order to examine their electrochemical behavior which could lead to enhanced photcatalytic and/or biosensing performance. In the first chapter, a general decription of the different types of biosensors developed so far is presented and emphasis is given to their function and applications. In order to develop a successful biosensor, the choice of the material to be used as the solid substrate is very important as well as the type of the biomolecule used as the recognition element. The sensitivity and response of the biosensor is greatly enhanced by the method used to immobilize the biomolecule on the solid support in a stable and functional way. Therefore in this work both the material, TiO2 films, and the biomolecule of choice, Cytochrome-c, are presented in detail and in particular their physicochemical properties, their functions and applications. Moreover the different methods that have been used for the successful immobilization of biomolecules on solid surfaces are well documented. Furthermore, the photocatalytic properties of the TiO2 films are discussed and how they are enhanced by the deposition of silver nanoparticles on their surfaces that could also lead to the development of more sensitive and accurate amperometric biosensors. In the second chapter, the experimental techniques and procedures used for the characterization of the resulting TiO2 films and for the adsorption process of protein and/or silver nanoparticles on their surfaces are well presented. Furthermore, details are given of the electrochemical techniques (cyclic voltammetry and spectroelectrochemistry) used to evaluate the electrochemical performance of the resulting films with or without protein or silver nanoparticles. A detailed description of the 3 electrode electrochemical used to perform these experiments is also presented. Finally emphasis is given to the procedures used for the development of the electrochemical biosensors for H2O2. Finally, a description of the procedures used for the synthesis of the 3 different TiO2 pastes and of the method used for the production of thin TiO2 films on conducting glass is given followed by the presentation, analysis and discussion of the data collected.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη της σκληρωτιακής διαφοροποίησης στις τέσσερις βασικές μορφές της στους μυκηλιακούς μύκητες S. rolfsii, S. sclerotiorum, R. solani και S. minor σε σχέση με το οξειδωτικό στρες. Ως μάρτυρες για τους υπό μελέτη μύκητες χρησιμοποιήθηκαν αντίστοιχα μη σκληρωτιογόνα στελέχη. Τα πιο σημαντικά υπεροξείδια που συμβάλλουν στην δημιουργία οξειδωτικού στρες είναι: α) η ρίζα του σουπεροξειδίου (O2•-), που είναι το πρωταρχικό αίτιο του οξειδωτικού στρες, β) το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2), που κυρίως προκύπτει από την ένωση δύο μορίων O2•- (αντίδραση αυτοοξειδοαναγωγής) και γ) τα λιπιδικά υδροϋπεροξείδια (LOOH), που είναι από τα πρώιμα αποτελέσματα του οξειδωτικού στρες, λόγω της προσβολής των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων. Επειδή λοιπόν στην διεθνή βιβλιογραφία δεν υπήρχε κατάλληλη μεθοδολογία για τον προσδιορισμό του O2•-, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος εφαρμόσιμη εκτός από τους υπό μελέτη μύκητες, σε όλους τους οργανισμούς. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε η ποσοτικοποίηση της συγκέντρωσης των βασικών ενζύμων που σχετίζονται με τα προαναφερθέντα υπεροξείδια τα οποία είναι: α) η δισμουτάση του O2•- (SOD), που επιταχύνει την αντίδραση αυτοοξειδοαναγωγής, β) η καταλάση (CAT), που καταναλώνει το H2O2, γ) οι μη εξειδικευμένες υπεροξειδάσες (NSPX) που χρησιμοποιούν το H2O2 και τα LOOH σαν υπόστρωμα για να οξειδώνουν άλλα μόρια και δ) η οξειδάση της ξανθίνης (ΧΟ), που ανιχνεύεται για πρώτη φορά σε μύκητες και είναι υπεύθυνη μεταξύ άλλων και για την παραγωγή του O2•- και H2O2 στους οργανισμούς. Ακόμη, έγινε εκτίμηση της οξειδωτικής καταστροφής των μεμβρανικών λιπιδίων με τη μέτρηση των αλδεϋδικών παραγώγων της υπεροξείδωσης των λιπιδίων (MDA). Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν οι εξής εξωγενείς τροποποιητές των παραπάνω μορίων: α) μιμητές της SOD β) H2O2 γ) υδροϋπεροξείδιο του κουμενίου (λιπιδικό υδροϋπεροξείδιο) και δ) αμινοτριαζόλη (αναστολέας της CAT). Τα αποτελέσματα της μελέτης επιβεβαίωσαν την αναγκαιότητα της ανάπτυξης της νέας μεθόδου ποσοτικοποίησης του O2•-. Συγκεκριμένα, δείχθηκε ότι οι τέσσερις μορφές σκληρωτιακής διαφοροποίησης εξαρτώνται άμεσα από το οξειδωτικό στρες, και ότι οι σχετιζόμενοι με αυτό παράγοντες που εξετάστηκαν σε αυτή τη μελέτη μεταβάλλονται με διαφορετικό τρόπο σε κάθε μορφή σκληρωτιακής διαφοροποίησης. Τα βασικότερα συμπεράσματα αυτής της μελέτης είναι: α) το O2•- φαίνεται ότι παίζει έμμεσο ρόλο στην έναρξη της σκληρωτιογένεσης των μυκήτων S. rolfsii και S. sclerotiorum και άμεσο στων μυκήτων R. solani και S. minor και κύρια πηγή παραγωγής του O2•- είναι τα μιτοχόνδρια και δευτερευόντως η ΧΟ β) η SOD που υπάρχει σε όλους τους μύκητες χρησιμοποιείται από αυτούς για τη μετατροπή του O2•- σε H2O2 γ) η ΧΟ που μέχρι σήμερα δεν ήταν γνωστή η ύπαρξή της στους μύκητες, καθώς και η EC-SOD αλλά και το EC-H2O2, δεν σχετίζονται με τη διαφοροποίηση και ως γνωστόν μπορεί να εμπλέκονται στην προσβολή των φυτών ξενιστών από τους μύκητες αυτούς δ) το H2O2 επάγει την έναρξη της σκληρωτιογένεσης δρώντας σαν παράγοντας σημειακού κυτταρικού πολλαπλασιασμού ε) η CAT που υπάρχει σε όλους τους μύκητες στο αδιαφοροποίητο μόνο στάδιο, μάλλον χρησιμοποιείται από αυτούς ώστε ο κυτταρικός πολλαπλασιασμός να μην γίνεται σε μεγάλη ένταση και αναστείλλει την σημειακή διαφοροποίηση ζ) οι NSPX που εντοπίζονται σε όλους τους μύκητες φαίνεται ότι ελέγχουν τα επίπεδα του H2O2 κυρίως στο διαφοροποιημένο στάδιο η) τα LOOH φαίνεται να δρουν στις μεμβράνες των μυκήτων και σχετίζονται με διαδικασίες μεταβίβασης κυτταρικών μηνυμάτων που επηρεάζουν τον κυτταρικό κύκλο θ) οι μιμητές της SOD Tiron και Tempol, που είχαν ανασταλτική δράση στην διαφοροποίηση θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως μη τοξικά αντιμυκητιακά παρασκευάσματα. / The purpose of this dissertation was the study of sclerotial differentiation, represented by four basic sclerotial types expressed by the filamentous fungi S. rolfsii, R. solani, S. sclerotiorum and S. minor in relation to oxidative stress. Non-sclerotium producing fungi were used as controls of the corresponding wild type strains. The most important peroxides that are responsible for oxidative stress are: a) superoxide radical (O2•-), the primary cause element of oxidative stress, b) hydrogen peroxide (H2O2), produced by the reaction between two O2•- (dismutation reaction), and c) lipid hydroperoxides (LOOH), the primary consequences of oxidative destruction due to free radical attack to polyunsaturated fatty acids. Since there was not available any appropriate method for the quantification of O2•-, a new method was developed for the purpose of this study and its applicability was extended to any organism. In addition, the estimation of the concentration of certain enzymes that regulate the levels of the peroxides mentioned above was also used. These enzymes are a) superoxide dismutase (SOD), which catalyzes the dismutation reaction, b) catalase (CAT), which destroys H2O2, c) non-specific peroxidases (NSPX), which use either H2O2 or LOOH as substrates in order to oxidize other molecules and d) xanthine oxidase (XO), which was detected for the first time in fungi and is responsible, among other functions, for the production of O2•- in organisms. Furthermore, the aldehydic adducts of lipid peroxidation (MDA) were measured in order to evaluate the oxidative destruction of membrane lipids. Finally, specific externally added modulators of the above molecules were used, like: a) SOD mimetics b) H2O2 c) cumene hydroperoxide (lipid hydroperoxide) and d) aminotriazole (CAT inhibitor). The results of this study verified the need for the development of the new method for the quantification of O2•-. Specifically, it was found that the four studied types of sclerotial differentiation are directly related with oxidative stress, and that its components, tested in this study, are formed and changed variously, depending on the type of sclerotial differentiation. The most important conclusions of this study are: a) O2•- plays an indirect role in the initiation of sclerotiogenesis in fungi S. rolfsii and S. sclerotiorum, while in R. solani and S. minor its role is direct, and the main source that produces it in all four fungi are mitochondria and secondarily the ΧΟ enzyme, b) SOD is used by these fungi in order to convert O2•- to H2O2 via the dismutation reaction, c) ΧΟ which was found for the first time in fungi as well as EC-SOD and EC-H2O2, are not related with differentiation and possibly they are involved in tha attack of target plants by these fungi, d) H2O2 induces the initiation of sclerotiogenesis acting as a cell proliferating factor, e) CAT which was found in all fungi only in the undifferentiated stage, is probably used by them in order to control cell proliferation so as to avoid inhibition of sclerotiogenesis, f) NSPX are possibly used by these fungi in order to control H2O2 concentration mainly in the differentiated stage, g) LOOH appear to act on cell membrane and are related to signal transduction processes which affect cell cycle and h) SOD mimetics Tiron and Tempol, which reduced differentiation could be used as non-toxic fungicides.