As fosfolipases A2 (PLA2s, ou fosfatidil-acil hidrolases EC 3.1.1.4) catalisam especificamente a hidrólise das ligações ácido-éster na posição sn-2 de glicerofosfolipídios liberando, como produto da catálise, ácidos graxos e lisofosfolipídio. São encontradas em plantas, mamíferos e em veneno de animais vertebrados e invertebrados e estão envolvidas em uma ampla variedade de processos fisiológicos. A fosfolipase A2 secretada humana do grupo IIA (hsPLA2 gIIA) é uma proteína de fase aguda da resposta imunológica, pois sua expressão é induzida por endotoxinas e citocinas via processos autócrinos e/ou parácrinos durante processos inflamatórios de relevância clínica. A hsPLA2 gIIA mostra efeito bactericida contra infecção por Staphylococcus aureus, e tem marcada preferência por fosfolipídios aniônicos tais como fosfatidilglicerol (PG) encontrados em membranas bacterianas. Uma grande variedade de inibidores de PLA2 do grupo IIA foi descrita na literatura, incluindo substâncias polianiônicas que atuam contra os efeitos inflamatórios destas enzimas. Suramina é um derivado de naftiluréia polissulfonado que recentemente mostrou ligação com os resíduos catiônicos no sítio de reconhecimento interfacial de Bothropstoxina-I (BthTX-I), uma PLA2-Lys49 isolada do veneno de Bothrops jararacussu, inibindo a atividade miotóxica da proteína. Devido ao tipo de interação diferenciada da suramina com BthTX-I em relação aos inibidores competitivos de PLA2, nós avaliamos a especificidade de ligação da suramina na hsPLA2 gIIA como um modelo para estudar este novo tipo de inibidor de PLA2s. O efeito da suramina nas atividades biológicas e de membranas artificiais da hsPLA2 gIIA foi avaliado. A suramina aboliu tanto a atividade hidrolítica da hsPLA2 gIIA quanto a atividade de danificação de membranas artificiais Ca2+ independente. Embora a suramina não tenha inibido a atividade bactericida da hsPLA2 gIIA contra a linhagem Micrococcus luteus, a ativação de macrófagos foi abolida pela mesma de maneira dependente de hidrólise. Além disso, técnicas de simulação de dinâmica molecular, calorimetria de titulação isotérmica e mutagênese sítio dirigida foram utilizadas para mapear os sítios de ligação da suramina na proteína. A interação da suramina com a hsPLA2 gIIA resultou de interações eletrostáticas entre grupos sulfonados com cadeias laterais de aminoácidos da região do sítio ativo e dos resíduos em torno das posições 15 e 116 localizados, respectivamente, na N- e Cterminal. Portanto, estes resultados permitem sugerir que a suramina pode atuar como inibidor de sPLA2s / Suramin is a polysulphonated napthylurea used as an antiprotozoal drug that presents inhibitory activity against a broad range of enzymes. We have evaluated the effect of suramin against the artificial and biological activities of the secreted human group IIA phospholipase A2 (hsPLA2 gIIA), a protein involved in inflammatory processes. To map the suramin binding sites on the hsPLA2 gIIA, proteins with mutations in the active site region and in the protein surface that makes contact with the phospholipids membrane were expressed in E. coli and refolded from inclusion bodies. The activation of macrophage cell line RAW 264.7 by hsPLA2 gIIA was monitored by nitric oxide release, and bactericidal activity of the protein against Micrococcus luteus was evaluated by colony counting and by flow cytometry. The hydrolytic activity of the hsPLA2 gIIA against lipossomes composed of a mixture of dioleoylphosphatidylcholine/dioleoylphosphatidylglycerol (DOPC/DOPG) was inhibited by a concentration of 100 nM suramin. The activation of macrophages by hsPLA2 gIIA was abolished at protein/suramin molar ratios where the hydrolytic activity of the enzyme was inhibited. In contrast, both the bactericidal activity of hsPLA2 gIIA against Micrococcus luteus and permeabilization of the bacterial inner membrane were unaffected by suramin concentrations up to 50 M. The affinity of interaction of the suramin with hsPLA2 gIIA was evaluated by suramine fluorescence and the mutants K15A, K38A, R54A and K123A presented a reduced affinity. The binding of the suramin/hsPLA2 gIIA complex was investigated by molecular dynamics simulations, which indicated two conformations of the bound inhibitor, which involve cationic amino-acid side chains in the active-site region and residues around positions 15 and 116 located in the N- and C-termini respectively in the substrate recognition surface. These results were correlated with isothermal titration calorimetry data, which demonstrated 2.7 suramin-binding sites on the hsPLA2 gIIA. These results suggested that suramin represents a novel class of phospholipase A2 inhibitor

Anti-microbial proteins (AMP) are the key effector arm of the innate immune system. The prevalence of AMP in single-celled eukaryotes to humans shows its importance during the course of evolution. The first report for the role of the anti-microbial peptide in clearing infection was given by Alexander Fleming in 1990’s through the discovery of Penicillin and Lysozyme. The search for antimicrobial agents in human granulocytes was begun by Ehrlich in 1870’s but the first successful isolation of an antimicrobial agent from rabbit neutrophils was done by Zeya and Spitznagel in 1969. Later work by Peter Elshbach and his group on AMPs in rabbit neutrophils brought to light an AMP that can increase the permeability of the bacterial membrane. This AMP named as Bactericidal/permeability-increasing protein (BPI) was further isolated from human neutrophils. Since then many studies have been carried out to understand the mode of action of BPI, which culminated in understanding the new functional activity of this protein viz opsonisation, LPS neutralization and anti-angiogenic function. Knowing to the role of BPI as an anti-inflammatory agent, multiple studies have tried to use BPI for treating endotoxic shock. Dysregulation of BPI expression is associated with various inflammatory diseases like Crohn’s Disease (CD), Ulcerative colitis (UC) and Infectious enteritis’s. Mutations in BPI are also linked to susceptibility to various infections. Even though there are several studies focusing on the functional aspects of BPI, the regulation of BPI expression is poorly understood. Knowing the clinical importance of dysregulation of BPI, it is vital to understand the regulation of BPI expression during the course of bacterial infection. The Thesis is divided into four chapters. As the main aim of this study is to understand the regulation of BPI expression, in Chapter 1 we introduce the known facts about the protein. A brief overview of the mode of action and regulation of BPI is discussed in this chapter. The subsequent sections describe the diseases associated with Dysregulation of BPI and the use of BPI as a therapeutic agent in various diseases. Towards the end, the objective of the present study is discussed. BPI is primarily known to be expressed in human neutrophils and epithelial cells. Previous studies have shown that among innate immune cells, murine BPI is expressed only in dendritic cells and neutrophils, but not in macrophages. Based on these results, it was presumed that BPI is not expressed in human macrophages. In Chapter 2, we report the presence of BPI in human macrophages. Our studies revealed increased expression of BPI in human macrophages stimulated with various PAMPs (Pathogen-associated molecular patterns) viz., LPS, flagellin as well as during bacterial infection. Further, during the course of an infection, BPI interacted with Gram-negative bacteria, resulting in enhanced phagocytosis and subsequent control of the bacterial replication. However, it was observed that bacteria which can maintain an active replicating niche (Salmonella Typhimurium) avoid the interaction with BPI during later stages of infection. On the other hand Salmonella mutants, which cannot maintain a replicating niche, as well as Shigella flexneri, which quit the endosomal vesicle, showed interaction with BPI. BPI was induced in both M1 and M2 differentiated macrophages suggesting its role in limiting Gram-negative bacteria and parasitic infection. These results propose an active role of BPI in Gram-negative bacterial clearance by human macrophages. This chapter concludes with a discussion on the importance of BPI expression in human but not murine macrophages. The importance of maintaining an active replicating niche by STM to evade interaction with BPI is also discussed. As the first line of defense against invading pathogens, intestinal epithelium produces various antimicrobial proteins (AMP) that help with clearance of pathogen. The precise mechanism of AMP regulation in intestinal epithelium is not clear. Intestinal epithelium being a primary entry point for various pathogens, we tried to understand the regulation of BPI expression in the intestine during the course of bacterial infection. In Chapter 3, we report a direct correlation between intestinal damage and BPI expression. In Caco-2 cells, we see a significant increase in BPI levels upon membrane damage mediated by S.aureus infection and pore-forming toxins (Streptolysin and Listeriolysin). Cells detect changes in potassium levels as a Danger-associated molecular pattern (DAMP) associated with cell damage and induce BPI expression in a p38 dependent manner. These results are further supported by in vivo findings that BPI expression in the murine intestinal epithelium is induced upon infection with bacteria which cause intestinal damage (Salmonella Typhimurium & Shigella flexneri) whereas mutants which don’t cause intestinal damage (STM fliC & STM invC), didn’t induce BPI expression. These findings have a huge impact on our current understanding of AMP response during inflammatory bowel diseases (IBD). Our results suggest that dysregulation of BPI expression might be an effect rather than a cause of IBD. This chapter concludes with a discussion on the importance of potassium efflux associated with membrane damage as an important signal that helps in discriminating the invading pathogen from the pool of gut microflora. Bactericidal/permeability-increasing protein had been shown to possess anti-inflammatory and endotoxin neutralizing activity by interacting with LPS of Gram-negative bacteria. Even though rBPI (recombinant BPI) has cleared phase III clinical trials for treating endotoxemia, the high cost of purified BPI provided by pharmaceutical companies makes it inaccessible or unavailable for the common man. In Chapter 4, we examined the feasibility of using murine BPI (mBPI) expressed on halophilic Archaeal gas vesicle nanoparticles (GVNPs) for the treatment of endotoxemia in high-risk patients, using a murine model of D-galactosamine-induced endotoxic shock. Halobacterium sp. NRC-1 was used to express the N-terminal 199 amino acid residues of mBPI fused to the GVNP GvpC protein, and bound to the surface of the haloarchaeal GVNPs. Our results indicate that delivery of mBPIN-GVNPs increase the survival rate of mice challenged with lethal concentrations of lipopolysaccharide (LPS) and D-galactosamine. Additionally, the mBPIN-GVNP-treated mice displayed reduced symptoms of inflammation including inflammatory anemia, recruitment of neutrophils, liver apoptosis and pro-inflammatory serum cytokine levels. This chapter concludes with a discussion of the advantages of using mBPIN-GVNPs over purified protein in treating endotoxic shock.

As fosfolipases A2 (PLA2s, E.C. 3.1.1.4) pertencem a uma superfamília de enzimas que realizam a clivagem de fosfolipídios da membrana celular em ácidos graxos e lisofosfolipídios, numa reação dependente de cálcio. As PLA2s apresentam um importante papel em várias funções celulares, incluindo manutenção dos fosfolipídios celulares, geração de prostaglandinas e leucotrienos, tradução de sinais, proliferação celular e contração muscular. O presente trabalho teve como objetivo a caracterização estrutural e funcional de uma fosfolipase A2 ácida tóxica(BmooTX-I) isolada da peçonha da serpente Bothrops moojeni. A BmooTX-I foi purificada por uma combinação de cromatografias em resinas de troca iônica (DEAE-Sephacel), exclusão molecular (Sephadex G-75) e interação hidrofóbica (Phenyl-Sepharose CL-4B). A confirmação do grau de pureza foi realizada através de análise por espectrometria de massa MALDI TOF da BmooTX-I reduzida (monômero, 13.802,66 Da) e não reduzida (dímero, 27.506,38 Da), da focalização isoelétrica (pI 4,2) e de SDS-PAGE. A região N-terminal da enzima apresentou alta homologia com outras PLA2s Asp49 de peçonhas de serpentes. A BmooTX-I apresentou também elevada atividade fosfolipásica e induziu edema moderado in vivo. Além disso, foi capaz de inibir a agregação plaquetária e a coagulação do plasma, induzir a liberação de PGI2 por HUVECs e apresentar efeito citotóxico sobre células tumorais, bactérias e fungos. O tratamento da enzima com o reagente brometo de p-bromofenacila (BPB) neutralizou a atividade enzimática e de inibição da agregação plaquetária. A determinação da miotoxicidade foi realizada através da dosagem dos níveis de CK no plasma de camundongos previamente injetados com a toxina. A análise histopatológica das fibras musculares demonstrou a presença de infiltrado inflamatório e líquido intercelular, ambos confirmados pela análise ultra-estrutural. O presente trabalho deverá contribuir para a elucidação e determinação da composição bioquímica dos venenos animais, já que as fosfolipases A2 ácidas tóxicas possuem mecanismos de ação ainda não totalmente esclarecidos. / Phospholipases A2 (PLA2s, EC 3.1.1.4) belong to a superfamily of enzymes that perform the cleavage of phospholipids of cell membranes in fatty acids and lysophospholipids in a calcium dependent reaction. PLA2s have an important role in several cellular functions, including maintenance of cellular phospholipids, the generation of prostaglandins and leukotrienes, translation signals, cell proliferation and muscle contraction. This study aimed at the structural and functional characterization of an acidic and toxic phospholipase A¬2 (BmooTX-I) isolated from Bothrops moojeni snake venom. BmooTX-I was purified by a combination of chromatographic steps on resins of ion exchange (DEAE Sephacel), molecular exclusion (Sephadex G-75) and hydrophobic interaction (Phenyl Sepharose CL-4B). The confirmation of the purity degree was analyzed by MALDI TOF mass spectrometry of reduced BmooTX-I (monomer, 13,802.66 Da) and not reduced (dimer, 27,506.38 Da), by isoelectric focusing (pI 4.2) and by SDS-PAGE. The N-terminal region of the enzyme showed high homology with other Asp49 PLA2s of snake venoms. BmooTX-I also presented high phospholipase activity and induced moderate edema in vivo. Furthermore, this enzyme was capable of inhibiting platelet aggregation and plasma coagulation, inducing the release of PGI2 by HUVECs, also showing cytotoxic effects on tumor cells, bacteria and fungi. Treatment of the enzyme with the p-bromophenacyl bromide (BPB) neutralized the enzymatic activity and the inhibition of platelet aggregation. The determination of myotoxicity was accomplished through the determination of the CK levels in plasma of mice previously injected with the toxin. The histopathological analysis of muscle fibers showed the presence of inflammatory infiltration and intercellular fluid, both confirmed by ultrastructural analysis. This work contributes to the elucidation and determination of the biochemical composition of animal venoms, since the mechanisms of action of toxic acidic phospholipases A2 are not yet fully understood.

A hidroxiapatita (HA) tem sido amplamente utilizada como material de implante por possuir alta similaridade com a composição dos ossos e ter capacidade de formar ligações químicas fortes com o tecido ósseo. Entretanto, a adsorção fácil de moléculas orgânicas (proteínas, aminoácidos e polissacarídeos) pela HA também favorece a adsorção e replicação de bactérias, aumentando os casos de infecções relacionados a esse biomaterial. Visando contribuir para o avanço de novos biomateriais com propriedades antibacterianas, foram produzidas neste trabalho hidroxiapatitas contendo nanopartículas de prata (AgNPs) com diferentes proporções (0,01; 0,05; 0,10 e 0,25% m/m). A primeira etapa do trabalho consistiu na obtenção do pó de HA por precipitação química e na produção de AgNPs em suspensões coloidais por meio de síntese que utiliza a quitosana como agente redutor e estabilizante. Na segunda etapa, as AgNPs foram adsorvidas na HA pelo método de imersão do pó usando um dos coloides sintetizados, obtendo-se quatro hidroxiapatitas contendo AgNPs (HA-AgNPs) nas formas de pó e disco. Na terceira e última etapa, os materiais produzidos foram caracterizados utilizando diversas técnicas e os pós (HA e HA-AgNPs) foram submetidos a avaliações in vitro. O efeito antibacteriano foi avaliado frente a cepas de S. aureus e E. coli utilizando métodos qualitativos e quantitativos. A adesão bacteriana sobre a superfície dos discos foi observada por microscopias eletrônica de varredura (MEV) e confocal de varredura a laser. A citotoxicidade in vitro foi avaliada utilizando cultura de células contendo linhagem de osteoblastos (MG-63). Nesse ensaio, a viabilidade dos osteoblastos foi estudada usando o teste da resazurina; a atividade enzimática foi investigada através da fosfatase alcalina (ALP); e a adesão dos osteoblastos foi observada por MEV. Os resultados mostraram que a HA produzida é nanométrica e que as AgNPs sintetizadas são estáveis e esféricas, com diâmetros variando entre 5-10 nm. Técnicas de MEV, EDS e ICP-AES confirmaram a presença de prata nas HA-AgNPs. As demais caracterizações não mostraram alterações relevantes na estrutura, morfologia e características de superfície (hidrofobicidade e carga líquida). No entanto, a atividade antibacteriana dos materiais mostrou-se eficiente para ambas as cepas e com uma redução de 99,9% das colônias bacterianas em quase todos os materiais já nas primeiras 4 h. Também foi encontrado que a eliminação foi maior tanto para E. coli quanto utilizando materiais em pó. O estudo da adesão bacteriana confirmou os resultados anteriores mostrando efeito superior para quase todas HA-AgNPs produzidas comparado a HA, exceto para o material com menor proporção de AgNPs (0,01% m/m). Por outro lado, os testes de viabilidade, ALP e adesão demonstraram que a HA-AgNPs com maior quantidade de AgNPs (0,25% m/m) tem um efeito negativo sobre os osteoblastos. Considerando ambos os efeitos de citotoxicidade e antibacteriano, aliado a metodologia simples e de baixo custo envolvido na produção desses materiais, sugere-se que a HA contendo entre 0,05 0,10% m/m das AgNPs sintetizada pode ser a mais favorável para o desenvolvimento proposto visando futuras aplicações biomédicas. / Hydroxyapatite (HA) has been widely used as implant material due to its high similarity with the bone composition and its capacity to form strong chemical bonds with the bone tissue. However, the easy adsorption of organic molecules (proteins, amino acids and polysaccharides) by the HA also favors bacteria adsorption and replication, increasing the cases of infection related to this biomaterial. Aiming to contribute to the advancement of new biomaterials with antibacterial properties, were produced in this work hydroxyapatites containing silver nanoparticles (AgNPs) with different ratios (0.01, 0.05, 0.10 and 0.25% m/m). The first step of this work consisted in obtaining the HA powder by chemical precipitation and production of AgNPs colloidal suspensions by synthesis using chitosan as a reducing agent and stabilizer. In the second step, the AgNPs were adsorbed to the HA matrix by the powder immersion method using onde of the synthesized colloids, resulting in four hydroxyapatites containg AgNPs (HA-AgNPs) in disk and powder forms. In the third and final step, the materials produced were characterized using several techniques, with the powders (HA and HA-AgNPs) evaluated in vitro. The antibacterial effect was evaluated against strains of S. aureus and E. coli using qualitative (ágar diffusion test) and quantitative (bacterial colony counts) methods. The bacterial adhesion over the disks surface were observed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and confocal laser scanning microscopy. Cytotoxicity was evaluated in vitro using cell culture containing the osteoblast lineage (MG- 63). In this assay, osteoblasts viability was studied using the resazurin test; the enzyme activity was investigated by alkaline phosphatase (ALP), and osteoblast adhesion was observed by SEM. The results showed that the HA produced is nanometric and the synthesized AgNPs are stable and spherical with diameters ranging from 5-10 nm. SEM, EDS and ICP-AES techniques confirmed the presence of silver in the HA-AgNPs. The others characterizations showed no significant changes in the structure, morphology and surface characteristics (hydrophobicity and net charge). However, the materials antibacterial activity was effective for both strains and with reduction of 99.9% of bacterial colonies in almost all materials within the first 4 h. It was also found that the removal was as great for E. coli as for powder materials. The bacterial adhesion study confirmed previous results showing superior effect for almost all HA-AgNPs produced compared to HA, except for the material with the lowest proportion of AgNPs (0.01% m/m). On the other hand, viability tests, ALP and adhesion demonstrated that HA-AGNPS with higher AGNPS quantities (0.25% m/m) has a negative effect on osteoblasts. Considering both cytotoxicity and antibacterial effects, combined with the simple methodology and low cost involved in the production of these materials, it is suggested that the HA containing synthesized AgNPs ranging from 0.05 to 0.10% m/m can be the most favorable for the development of the proposed material for future biomedical applications.

Mannheimia haemolytica (M. haemolytica)-induced bovine respiratory disease causes millions of dollars in economic losses to Canadian cattle industry. Contemporary management strategies built around the use of antimicrobials are proving to be increasingly unavailing and lead to drug residues in meat which may contribute to the development of multi drug resistant bacteria. Many M. haemolytica vaccines are effective in stimulating antibody responses but studies of vaccina-tion in young calves and the cattle exposed to M. haemolytica (high-risk cattle) have shown poor vaccine efficacy. Antimicrobial peptides (AMPs) may help in the management of respiratory disease caused by M. haemolytica while minimizing the risk of drug residues in animal-derived food products. AMPs are positively charged molecules that can kill bacteria primarily through the electrostatic interactions with the anionic bacterial lipid bilayer. Since the primary target of AMPs is the bac-terial surface charge, which is evolutionarily conserved, the development of resistance towards AMPs seems less likely. These peptides hold potential to replace or reduce the use of antibiotics. Human β-Defensin 3 (HBD3) and Microcin J25 (MccJ25) are cationic peptides that have shown good activity against many Gram-negative bacteria. Five peptides, namely native HBD3, three synthetic HBD3 analogues (28 amino acid, 20AA, and 10AA), and MccJ25 were selected for microbicidal activity against M. haemolytica. Three C-terminal analogues of HBD3 with all cysteines replaced with valines were manually synthesized using solid phase peptide synthesis (SPPS). In all the three analogue, replacement of cysteine with valine rendered them linear and increased their antibacterial activity. Minimum Bactericidal concentration (MBC) assays were performed with the final inoculum size of 1-5x105 cells/ml, with the exception of the 10AA analogue which was incubated with 104 cells/ml final inoculum size. The antimicrobial assay showed that M. haemolytica was intermediately sensitive to HBD3, 28AA and 20AA analogue with an MBC of 50 µg/ml. MccJ25 had limited effect with an MBC greater than 100 µg/ml. The MBC value of 6.3 µg/ml achieved with the 10AA analogue is likely a result of lower final inoculum size. AMPs have several immunomodulatory functions, and these peptides can act as chemoattractant, induce cytokine release that in turn leads to chemotaxis of monocytes and neutrophils. Since neutrophils play an important role in the pathogenesis of BRD, the chemotactic effect of HBD3, 20AA and 28AA peptides on bovine neutrophils was studied using Boyden chamber. Peripheral blood neutrophils isolated from normal healthy cattle showed chemotaxis towards HBD3 and 20AA peptides (P<0.05) but not towards 28AA analogue. Co-incubation of neutrophils with any of the peptides did not affect their chemotaxis towards N-formyl-L-methionyl-L-leucyl-phenylalanine (fMLP). Based on these data, it can be concluded that HBD3 and its analogues showed antimicrobial ef-fects against M. haemolytica but MccJ25 had limited microbicidal activity against M. haemolytica. While HBD3 and 20AA analogue were chemotactic for bovine peripheral blood neutrophils, none of the peptides inhibited fMLP-induced migration of neutrophils. These peptides hold potential for further in vivo testing to develop them for use to manage M. haemolytica-induced respiratory disease in cattle.

Cellulose nanofibrils (CNFs) are nanoscale fibers of high aspect ratio that can be isolated from a wide variety of cellulosic sources, including wood and bacterial cellulose. With high strength despite of their low density, CNFs are a promising renewable building block for the preparation of nanostructured materials and composites. To fabricate CNF-based materials with improved inherent rheological and mechanical properties and additional new functionalities, it is essential to tailor the surface properties of individual CNFs. The surface structures control the interactions between CNFs and ultimately dictate the structure and macroscale properties of the bulk material. In this thesis we have demonstrated different approaches, ranging from non-covalent adsorption and covalent chemical modification to modification of cellulose biosynthesis, to tailor the structure and surface functionalities of CNFs for the fabrication of advanced materials. These materials possess enhanced properties such as water-redispersibility, water absorbency, dye adsorption capacity, antibacterial activity, and mechanical properties. In Paper I, CNFs were modified via the irreversible adsorption of carboxymethyl cellulose (CMC). The adsorption of small amounts of CMC onto the surface of CNFs prevented agglomeration and co-crystallization of the nanofibrils upon drying, and allowed the recovery of rheological and mechanical properties after redispersion of dried CNF samples. In Paper II, CNFs bearing permanent cationic charges were prepared through quaternization of wood pulp fibers followed by mechanical disintegration. The activation of the hydroxyl groups on pulp fibers by alkaline treatment was optimized prior to quaternization. This optimization resulted in individual CNFs with uniform width and tunable cationic charge densities. These cationic CNFs demonstrated ultrahigh water absorbency and high adsorption capacity for anionic dyes. In Paper III, via a similar approach as in Paper II, CNFs bearing polyethylene glycol (PEG) were prepared by covalently grafting PEG to carboxylated pulp fibers prior to mechanical disintegration. CNFs with a high surface chain density of PEG and a uniform width were oriented to produce macroscopic ribbons simply by mechanical stretching of the CNF hydrogel network before drying. The uniform grafted thin monolayer of PEG on the surface of individual CNFs prevented the agglomeration of CNFs and facilitated their alignment upon mechanical stretching, thus resulted in ribbons with ultrahigh tensile strength and modulus. These optically transparent ribbons also demonstrated interesting biaxial light scattering behavior. In Paper IV, bacterial cellulose (BC) was modified by the addition of chitin nanocrystals (ChNCs) into the growing culture medium of the bacteria Acetobacter aceti which secretes cellulose in the form of entangled nanofibers. This led to the in situ incorporation of ChNCs into the BC nanofibers network and resulted in BC/ChNC nanocomposites exhibiting bactericidal activity. Further, blending of BC nanofibers with ChNCs produced nanocomposite films with relatively lower tensile strength and modulus compared to the in situ cultivated ones. The bactericidal activity increased significantly with increasing amount of ChNCs for nanocomposites prepared by direct mixing of BC nanofibers and ChNCs. In Paper V, CNFs were isolated from suspension-cultured wild-type (WT) and cellulose-binding module (CBM) transformed tobacco BY-2 (Nicotiana tabacum L. cv bright yellow) cells. Results from strong sulfuric acid hydrolysis indicated that CNFs from transgenic cells overexpressing CBM consisted of longer cellulose nanocrystals compared to CNFs from WT cells. Nanopapers prepared from CNFs of transgenic cells demonstrated significantly enhanced toughness compared to CNFs of WT cells. / <p>QC 20141103</p> / CARBOMAT

Thesis (Ph. D.) -- University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas, 2006. / Embargoed. Vita. Bibliography: 194-220.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Neisseria meningitidis é uma das principais causas de meningite bacteriana e septicemia em todo o mundo, acometendo principalmente crianças menores de 4 anos. Atualmente, não existe uma vacina universal contra o meningococo B (MenB). A imunidade protetora contra o meningococo caracteriza-se pela presença e persistência de anticorpos bactericidas, porém pouco se sabe sobre os mecanismos de desenvolvimento desta memória sorológica. Avaliamos em modelo animal e em humanos, a geração e manutenção das células secretoras de anticorpos (ASC) e dos linfócitos B de memória (LBm) após vacinação contra MenB. Utilizamos como referência a vacina diftérica (dT ou DTP), considerada ter ótima eficácia em humanos. Para o estudo em modelo animal, grupos de 6 a 8 camundongos suíços, fêmeas, de 5 a 6 semanas, foram imunizados com 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC ou DTP, via intramuscular, com intervalo de 2 semanas entre as doses. Aproximadamente 2, 4 ou 6 meses após a última dose, os animais receberam a dose reforço. A vacina anti-MenB induziu uma resposta primária de ASC maior que a resposta à dose reforço. Ao contrário, a resposta de ASC à vacina dT foi maior após o booster. A resposta de LBm anti-MenB permaneceu constante (média de 1%) ao longo de todo o estudo, mas a resposta ao toxóide diftérico (TD) foi maior após o booster (média de 1,9%) que após a imunização primária. A concentração de IgG, anticorpos bactericidas e opsonizantes contra MenB foi dose-dependente e foi reativada após a administração das doses reforços. Esses resultados sugerem que os LBm presentes no baço foram responsáveis pela forte resposta de anticorpos observada após a dose reforço. Para o TD, ambos ASC e LBm foram importantes na manutenção da memória sorológica. Para o estudo em humanos, seis voluntários foram imunizados com 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC, via intramuscular, com intervalo de 6 a 7 semanas entre as doses. Seis meses após a imunização primária, os indivíduos receberam uma dose reforço. Outro grupo de voluntários (n = 5) foi imunizado com uma dose reforço da vacina dT. Somente após a terceira dose da vacina anti-MenB foi possível detectar a presença de LBm em todos os indivíduos. Seis meses após a imunização primária, a frequência de LBm voltou ao seu nível basal e não foi reativada após a dose booster. A vacina dT também induziu uma resposta de LBm heterogênea, mas esta foi 5 vezes maior que a induzida por VA-MENGOC-BC. A resposta de anticorpos funcionais anti-MenB foi de curta duração com pequena reativação após a dose reforço. As duas vacinas induziram diferentes frequências de LT de memória central (TCM) e de memória efetora (TEM) após a vacinação primária e após o booster. A resposta à dose booster foi caracterizada pelo aumento da população de linfócitos TCM e diminuição de TEM. A população de linfócitos TCM apresentou maior ativação (CD69+) que os linfócitos TEM, especialmente após a vacinação contra MenB. Concluindo, os dados desta tese indicam que a administração de 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC teve uma eficiência limitada em humanos e sugerem que a baixa eficácia da vacina, quando utilizada na década de 90 em São Paulo e no Rio de Janeiro, pode estar relacionada à deficiência na geração e manutenção de LBm específicos.

A doença meningocócica (DM) é, ainda hoje, um sério problema de saúde pública, estando associada a elevadas taxas de morbidade e letalidade no mundo. A DM evoca proteção imunológica persistente contra a doença em pessoas com sistema imunológico normal. Em contraste, a proteção induzida por vacinas meningocócicas sempre requer a administração de doses reforço (booster) da vacina. No Brasil, Neisseria meningitidis dos sorogrupos C (MenC) e B (MenB) são as principais causas de DM durante os últimos anos. Atualmente, não existe uma vacina universal contra o meningococo B (MenB). A infecção pelo vírus da imunodeficiência humana (HIV) tem sido apontada como um fator de risco para a mortalidade da DM. Um dos pilares do tratamento do HIV é a utilização de vacinas para doenças imuno-preveníveis. A vacina conjugada anti-MenC é frequentemente recomendada para crianças e adolescentes infectados pelo HIV no Brasil e em muitos outros países. Poucos estudos têm abordado os mecanismos pelos quais as vacinas meningocócicas geram e sustentam a memória imunológica. Os objetivos deste estudo foram: 1) avaliar a resposta de anticorpos bactericidas e de linfócito T (LT) CD4 de memória contra o meningococo após a infecção; 2) avaliar a resposta de anticorpos bactericidas e de LT CD4 de memória e linfócito B de memória (LBm) contra o meningococo após o booster da vacina cubana VA-MENGOC-BC em voluntários imunizados há aproximadamente 17 anos; 3) investigar a resposta de anticorpos funcionais (bactericidas e opsonizantes) após imunização com a vacina conjugada anti-MenC (CRM197) em indivíduos infectados pelo vírus HIV. Após a infecção, 83% dos pacientes diagnosticados como tendo DM pelo teste de látex e/ou cultura tiveram títulos de anticorpos bactericidas protetores, mas não houve uma associação entre os títulos de anticorpos bactericidas e a concentração de imunoglobulina total específica. Houve aumento na frequência de linfócitos T de memória central (TCM) (mediana de 15%) ativados, principalmente após estímulo com a cepa MenC. Nos voluntários pré-vacinados, 3 de 5 indivíduos soroconverteram 7 ou 14 dias após a administração da dose booster. Houve um aumento importante da população TCM 14 dias após o booster, mas sem ativação celular diferenciada dos grupos controles. Observamos resposta positiva de LBm na maioria dos voluntários, mas sem correlação com os anticorpos bactericidas. Em relação aos pacientes HIV positivos, os resultados mostraram a necessidade de uma segunda dose da vacina, já que apenas 15% soroconverteram a uma única dose e a segunda dose resultou em soroconversão de cerca de 55% dos indivíduos. Observamos correlação positiva (r= 0,43) e significativa (P= 0,0007) entre os anticorpos opsonizantes e bactericidas após a vacinação. Não observamos diferenças significativas quando relacionamos os títulos de anticorpos bactericidas com o número absoluto de LT CD4 P= 0,051) e LT CD4 nadir (P= 0,09) entre os pacientes que soroconverteram (n= 43) ou não soroconverteram (n= 106) após a primeira dose. Desta forma, os resultados desta tese indicaram que: 1) os pacientes convalescentes da DM adquirem anticorpos bactericidas após infecção por N. meningitidis; 2) nos voluntários vacinados, a dose booster da vacina anti-MenB não foi plenamente eficaz em ativar a memória imunológica através da produção de anticorpos bactericidas ou ativação de LTm; 3) os pacientes HIV positivos necessitam de uma dose booster da vacina conjugada anti-MenC. / Meningococcal disease (MD) is still a serious public health problem and is associated with high morbidity and mortality rates worldwide. MD evokes persistent immune protection against disease in people with normal immune systems. In contrast, protection induced by meningococcal always requires booster injections of the vaccine. In Brazil, Neisseria meningitidis serogroup C (MenC) and B (MenB) have been the main causes of MD for the past years. Currently, there is no universal vaccine against serogroup B. HIV infection has been implicated as a risk factor for the mortality of meningococcal disease. One of the cornerstones of HIV treatment is the use of vaccines for immunopreventable diseases. The anti-MenC conjugated vaccine is often recommended for children and adolescents infected with HIV in Brazil and many other countries. Few studies have addressed the mechanisms by which meningococcal vaccines generate and sustain immunological memory. The aims of this study were: 1) to evaluate the response of bactericidal antibody and memory CD4 T lymphocyte against meningococcus after infection; 2) to evaluate the bactericidal antibody response and memory T cells and memory B cells against meningococcal booster after the Cuban vaccine VA-MENGOC-BC in volunteers immunized for about 17 years; 3) to investigate the functional antibody response (bactericidal and opsonizing) after immunization with anti-MenC conjugated vaccine (CRM197) in individuals infected with HIV. After infection, 83% of patients diagnosed as having DM by latex and/or culture test, had protective titers of bactericidal antibodies, but there was no association between the titers of bactericidal antibodies and the total specific immunoglobulin concentration and an increase in frequency of TCM (median of 15%) activated mainly after stimulation with MenC strain. In pre-vaccinated volunteers, 3 of 5 subjects seroconverted 7 or 14 days after administration of the booster dose. There was a significant increase in TCM population 14 days after the booster dose but without differentiated cell activation of control groups. We observed positive response of memory B lymphocyte in most volunteers, but no correlation with bactericidal antibodies. Regarding HIV infected patients, the results showed the need for a second vaccine dose in this population since only about 15% responded to a single dose and second dose resulted in seroconversion in about 55 % of individuals. We observed a positive (r= 0,43) and significant (P= 0,0007) correlation between the opsonizing and bactericidal antibody after vaccination. No significant differences when we relate the titles of bactericidal antibodies with the absolute number of CD4 (P= 0,051) and CD4 nadir (P= 0,09) among patients who seroconverted (n= 43) or not seroconverted (n= 106) after the first dose. Thus, the results indicated that: 1) convalescent patients of DM acquire bactericidal antibodies after infection with N. meningitides; 2) in vaccinated volunteers, the booster dose of anti-MenB vaccine was not fully effective in activating the immune memory by production of bactericidal antibodies or activation of memory CD4 T lymphocyte; 3) HIV-positive patients need a booster dose of the anti-MenC conjugated vaccine.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Neisseria meningitidis é uma das principais causas de meningite bacteriana e septicemia em todo o mundo, acometendo principalmente crianças menores de 4 anos. Atualmente, não existe uma vacina universal contra o meningococo B (MenB). A imunidade protetora contra o meningococo caracteriza-se pela presença e persistência de anticorpos bactericidas, porém pouco se sabe sobre os mecanismos de desenvolvimento desta memória sorológica. Avaliamos em modelo animal e em humanos, a geração e manutenção das células secretoras de anticorpos (ASC) e dos linfócitos B de memória (LBm) após vacinação contra MenB. Utilizamos como referência a vacina diftérica (dT ou DTP), considerada ter ótima eficácia em humanos. Para o estudo em modelo animal, grupos de 6 a 8 camundongos suíços, fêmeas, de 5 a 6 semanas, foram imunizados com 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC ou DTP, via intramuscular, com intervalo de 2 semanas entre as doses. Aproximadamente 2, 4 ou 6 meses após a última dose, os animais receberam a dose reforço. A vacina anti-MenB induziu uma resposta primária de ASC maior que a resposta à dose reforço. Ao contrário, a resposta de ASC à vacina dT foi maior após o booster. A resposta de LBm anti-MenB permaneceu constante (média de 1%) ao longo de todo o estudo, mas a resposta ao toxóide diftérico (TD) foi maior após o booster (média de 1,9%) que após a imunização primária. A concentração de IgG, anticorpos bactericidas e opsonizantes contra MenB foi dose-dependente e foi reativada após a administração das doses reforços. Esses resultados sugerem que os LBm presentes no baço foram responsáveis pela forte resposta de anticorpos observada após a dose reforço. Para o TD, ambos ASC e LBm foram importantes na manutenção da memória sorológica. Para o estudo em humanos, seis voluntários foram imunizados com 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC, via intramuscular, com intervalo de 6 a 7 semanas entre as doses. Seis meses após a imunização primária, os indivíduos receberam uma dose reforço. Outro grupo de voluntários (n = 5) foi imunizado com uma dose reforço da vacina dT. Somente após a terceira dose da vacina anti-MenB foi possível detectar a presença de LBm em todos os indivíduos. Seis meses após a imunização primária, a frequência de LBm voltou ao seu nível basal e não foi reativada após a dose booster. A vacina dT também induziu uma resposta de LBm heterogênea, mas esta foi 5 vezes maior que a induzida por VA-MENGOC-BC. A resposta de anticorpos funcionais anti-MenB foi de curta duração com pequena reativação após a dose reforço. As duas vacinas induziram diferentes frequências de LT de memória central (TCM) e de memória efetora (TEM) após a vacinação primária e após o booster. A resposta à dose booster foi caracterizada pelo aumento da população de linfócitos TCM e diminuição de TEM. A população de linfócitos TCM apresentou maior ativação (CD69+) que os linfócitos TEM, especialmente após a vacinação contra MenB. Concluindo, os dados desta tese indicam que a administração de 3 doses da vacina VA-MENGOC-BC teve uma eficiência limitada em humanos e sugerem que a baixa eficácia da vacina, quando utilizada na década de 90 em São Paulo e no Rio de Janeiro, pode estar relacionada à deficiência na geração e manutenção de LBm específicos.