Duas enzimas, as iodotironinas desiodases tipos I e II (D1 e D2), catalizam a reação de 5’ desiodação do T4 promovendo a formação do hormônio tireoidiano ativo, T3. A D1, principal fonte de T3 circulante no plasma, esta presente no fígado, rim e tireóide. Até recentemente, acreditava-se que a expressão da D2 estivesse restrita a tecidos nos quais a concentração intracelular de T3 desempenha um papel crítico como na hipófise, sistema nervoso central e tecido adiposo marrom (TAM). Estes conceitos foram estabelecidos com base em estudos de atividade enzimática em homogenados de tecidos de ratos. A recente clonagem dos cDNAs da D1 e D2, de ratos e humanos, forneceu novos meios para a avaliação da distribuição tecidual e dos mecanismos que regulam a expressão dos genes destas enzimas. Estudos anteriores demonstraram que altos níveis de mRNA da D2 são encontrados na tireóide e músculos cardíaco e esquelético em humanos, entretanto este mesmo padrão não foi observado em ratos. Os hormônios tireoidianos tem um efeito direto sobre as desiodases, regulando a ação dessas enzimas de maneira tecido-específica. Estudos prévios demonstraram que elevados níveis de T4 reduzem à metade a atividade da D2 no cérebro e hipófise dos camundongos C3H/HeJ (C3H), linhagem de camundongos que apresenta uma deficiência inata da D1 compensada com o aumento dos níveis séricos de T4 que, nestes animais, são aproximadamente o dobro daqueles observados nos camundongos normais, C57BL/6J (C57). No presente trabalho, utilizamos a técnica da PCR a partir da transcrição reversa (RT-PCR) para determinar o padrão de expressão do mRNA da D1 e D2 em diferentes tecidos de camundongos e avaliar sua regulação pelos hormônios tireoidianos. Investigamos, também, os níveis de mRNA da D2 em diferentes tecidos de camundongos normais e com deficiência inata da D1 para avaliarmos o mecanismo pelo qual o T4 regula a atividade da D2 nos animais deficientes. Nossos resultados demonstraram, como esperado, que altos níveis de mRNA da D1 estão presentes no fígado e rim e em menores quantidades no testículo e hipófise. Detectamos mRNA da D2, predominantemente, no TAM, cérebro, cerebelo, hipófise e testículo. Níveis mais baixos de expressão foram detectados, também, no coração. O tratamento com T3 reduziu, significativamente, a expressão da D2 no TAM e coração, mas não no cérebro e testículo. Por outro lado, os níveis de mRNA da D2 aumentaram, significativamente, no testículo de camundongos hipotireoideos. Transcritos da D2 foram identificados no cérebro, cerebelo, hipófise, TAM, testículo e, em menores quantidades, no coração em ambas as linhagems de camundongos, C57 e C3H. Entretanto, ao contrário da atividade, nenhuma alteração significativa nos níveis basais de expressão do mRNA da D2 foi detectada nos tecidos dos camundongos deficientes. O tratamento com T3 reduziu de forma similar, os níveis de mRNA da D2 no TAM e coração em ambos os grupos de animais. Em conclusão, nossos resultados demonstraram que o mRNA da D2 se expressa de forma ampla em diferentes tecidos de camundongos, apresentando um padrão de expressão similar ao descrito em ratos. A co-expressão da D1 e D2 no testículo sugere um papel importante dessas enzimas no controle homeostático do hormônio tireoidiano neste órgão. Demonstramos, também, que a deficiência da D1 não altera os níveis basais de expressão do mRNA da D2 nos camundongos C3H, confirmando que o T4 atua ao nível pós-transcricional na regulação da atividade da D2 nestes animais. Além disso, o T3 age de forma tecido-específica e tem efeito similar sobre a regulação pré-transcricional do gene da D2 em ambas as linhagens de camundongos.

Duas enzimas, as iodotironinas desiodases tipos I e II (D1 e D2), catalizam a reação de 5’ desiodação do T4 promovendo a formação do hormônio tireoidiano ativo, T3. A D1, principal fonte de T3 circulante no plasma, esta presente no fígado, rim e tireóide. Até recentemente, acreditava-se que a expressão da D2 estivesse restrita a tecidos nos quais a concentração intracelular de T3 desempenha um papel crítico como na hipófise, sistema nervoso central e tecido adiposo marrom (TAM). Estes conceitos foram estabelecidos com base em estudos de atividade enzimática em homogenados de tecidos de ratos. A recente clonagem dos cDNAs da D1 e D2, de ratos e humanos, forneceu novos meios para a avaliação da distribuição tecidual e dos mecanismos que regulam a expressão dos genes destas enzimas. Estudos anteriores demonstraram que altos níveis de mRNA da D2 são encontrados na tireóide e músculos cardíaco e esquelético em humanos, entretanto este mesmo padrão não foi observado em ratos. Os hormônios tireoidianos tem um efeito direto sobre as desiodases, regulando a ação dessas enzimas de maneira tecido-específica. Estudos prévios demonstraram que elevados níveis de T4 reduzem à metade a atividade da D2 no cérebro e hipófise dos camundongos C3H/HeJ (C3H), linhagem de camundongos que apresenta uma deficiência inata da D1 compensada com o aumento dos níveis séricos de T4 que, nestes animais, são aproximadamente o dobro daqueles observados nos camundongos normais, C57BL/6J (C57). No presente trabalho, utilizamos a técnica da PCR a partir da transcrição reversa (RT-PCR) para determinar o padrão de expressão do mRNA da D1 e D2 em diferentes tecidos de camundongos e avaliar sua regulação pelos hormônios tireoidianos. Investigamos, também, os níveis de mRNA da D2 em diferentes tecidos de camundongos normais e com deficiência inata da D1 para avaliarmos o mecanismo pelo qual o T4 regula a atividade da D2 nos animais deficientes. Nossos resultados demonstraram, como esperado, que altos níveis de mRNA da D1 estão presentes no fígado e rim e em menores quantidades no testículo e hipófise. Detectamos mRNA da D2, predominantemente, no TAM, cérebro, cerebelo, hipófise e testículo. Níveis mais baixos de expressão foram detectados, também, no coração. O tratamento com T3 reduziu, significativamente, a expressão da D2 no TAM e coração, mas não no cérebro e testículo. Por outro lado, os níveis de mRNA da D2 aumentaram, significativamente, no testículo de camundongos hipotireoideos. Transcritos da D2 foram identificados no cérebro, cerebelo, hipófise, TAM, testículo e, em menores quantidades, no coração em ambas as linhagems de camundongos, C57 e C3H. Entretanto, ao contrário da atividade, nenhuma alteração significativa nos níveis basais de expressão do mRNA da D2 foi detectada nos tecidos dos camundongos deficientes. O tratamento com T3 reduziu de forma similar, os níveis de mRNA da D2 no TAM e coração em ambos os grupos de animais. Em conclusão, nossos resultados demonstraram que o mRNA da D2 se expressa de forma ampla em diferentes tecidos de camundongos, apresentando um padrão de expressão similar ao descrito em ratos. A co-expressão da D1 e D2 no testículo sugere um papel importante dessas enzimas no controle homeostático do hormônio tireoidiano neste órgão. Demonstramos, também, que a deficiência da D1 não altera os níveis basais de expressão do mRNA da D2 nos camundongos C3H, confirmando que o T4 atua ao nível pós-transcricional na regulação da atividade da D2 nestes animais. Além disso, o T3 age de forma tecido-específica e tem efeito similar sobre a regulação pré-transcricional do gene da D2 em ambas as linhagens de camundongos.

Duas enzimas, as iodotironinas desiodases tipos I e II (D1 e D2), catalizam a reação de 5’ desiodação do T4 promovendo a formação do hormônio tireoidiano ativo, T3. A D1, principal fonte de T3 circulante no plasma, esta presente no fígado, rim e tireóide. Até recentemente, acreditava-se que a expressão da D2 estivesse restrita a tecidos nos quais a concentração intracelular de T3 desempenha um papel crítico como na hipófise, sistema nervoso central e tecido adiposo marrom (TAM). Estes conceitos foram estabelecidos com base em estudos de atividade enzimática em homogenados de tecidos de ratos. A recente clonagem dos cDNAs da D1 e D2, de ratos e humanos, forneceu novos meios para a avaliação da distribuição tecidual e dos mecanismos que regulam a expressão dos genes destas enzimas. Estudos anteriores demonstraram que altos níveis de mRNA da D2 são encontrados na tireóide e músculos cardíaco e esquelético em humanos, entretanto este mesmo padrão não foi observado em ratos. Os hormônios tireoidianos tem um efeito direto sobre as desiodases, regulando a ação dessas enzimas de maneira tecido-específica. Estudos prévios demonstraram que elevados níveis de T4 reduzem à metade a atividade da D2 no cérebro e hipófise dos camundongos C3H/HeJ (C3H), linhagem de camundongos que apresenta uma deficiência inata da D1 compensada com o aumento dos níveis séricos de T4 que, nestes animais, são aproximadamente o dobro daqueles observados nos camundongos normais, C57BL/6J (C57). No presente trabalho, utilizamos a técnica da PCR a partir da transcrição reversa (RT-PCR) para determinar o padrão de expressão do mRNA da D1 e D2 em diferentes tecidos de camundongos e avaliar sua regulação pelos hormônios tireoidianos. Investigamos, também, os níveis de mRNA da D2 em diferentes tecidos de camundongos normais e com deficiência inata da D1 para avaliarmos o mecanismo pelo qual o T4 regula a atividade da D2 nos animais deficientes. Nossos resultados demonstraram, como esperado, que altos níveis de mRNA da D1 estão presentes no fígado e rim e em menores quantidades no testículo e hipófise. Detectamos mRNA da D2, predominantemente, no TAM, cérebro, cerebelo, hipófise e testículo. Níveis mais baixos de expressão foram detectados, também, no coração. O tratamento com T3 reduziu, significativamente, a expressão da D2 no TAM e coração, mas não no cérebro e testículo. Por outro lado, os níveis de mRNA da D2 aumentaram, significativamente, no testículo de camundongos hipotireoideos. Transcritos da D2 foram identificados no cérebro, cerebelo, hipófise, TAM, testículo e, em menores quantidades, no coração em ambas as linhagems de camundongos, C57 e C3H. Entretanto, ao contrário da atividade, nenhuma alteração significativa nos níveis basais de expressão do mRNA da D2 foi detectada nos tecidos dos camundongos deficientes. O tratamento com T3 reduziu de forma similar, os níveis de mRNA da D2 no TAM e coração em ambos os grupos de animais. Em conclusão, nossos resultados demonstraram que o mRNA da D2 se expressa de forma ampla em diferentes tecidos de camundongos, apresentando um padrão de expressão similar ao descrito em ratos. A co-expressão da D1 e D2 no testículo sugere um papel importante dessas enzimas no controle homeostático do hormônio tireoidiano neste órgão. Demonstramos, também, que a deficiência da D1 não altera os níveis basais de expressão do mRNA da D2 nos camundongos C3H, confirmando que o T4 atua ao nível pós-transcricional na regulação da atividade da D2 nestes animais. Além disso, o T3 age de forma tecido-específica e tem efeito similar sobre a regulação pré-transcricional do gene da D2 em ambas as linhagens de camundongos.

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The role of thyroid-stimulating hormone (TSH) in the regulation of peripheral thyroid function in non-mammalian species is still poorly understood. Thyroxine (T₄), the principal hormone released from the thyroid gland in response to TSH stimulation, circulates with a robust daily rhythm in the sciaenid fish, red drum. Previous research has suggested that the red drum T₄ cycle is circadian in nature, driven by TSH secretion in the early photophase and inhibited by T₄ feedback in the early scotophase. To determine whether TSH is produced in a pattern consistent with driving this T₄ cycle, I developed quantitative real time RT-PCR (qPCR) techniques to quantify the daily cycle of expression of the pituitary TSH subunits GSU[alpha], and TSH[beta]. I found that pituitary TSH expression cycled inversely to, and 6-12 hours out of phase with, the T₄ cycle, consistent with the hypothesis that TSH secretion drives the T₄ cycle. To examine the potential role of deiodinases in negative feedback regulation of this TSH cycle, I also utilized qPCR to assess the pituitary expression patterns of the TH activating enzyme outer-ring deiodinase (Dio2) and the TH deactivating enzyme inner ring deiodinase (Dio3). Whereas Dio2 was not expressed with an obvious daily cycle, Dio3 was expressed in the pituitary mirroring the TSH cycle. These results are consistent with T₄ negative feedback on TSH and suggest that TH inactivation by pituitary cells is an important component of the negative feedback system. To further examine the TH regulation of this Dio3 cycle, I developed an immersion technique to administer physiological doses of T₃ and T₄ in vivo. Both hormones persist in static tank water for at least 40 hours. Immersion in 200ng/ml T₄ significantly increased both plasma T₄ and T₃ within physiological ranges above control at 4.5 hours. Immersion in 100ng/ml T₃ increased plasma T₃ within physiological ranges over control by 22 hours while significantly decreasing plasma T₄ below control, presumably through inhibition of TSH secretion. T₄ also significantly inhibited the expression of the TSH [alpha] and [beta] subunits at 4.5 and 22 hours of immersion whereas T₃ immersion significantly inhibited the expression of the [alpha] and [beta] subunits of TSH by 22 hours. Both Dio2 and Dio3 expression were significantly diminished by T3 and T₄ at 22 hours. Inhibition of circulating THs with the goitrogen methimazole significantly increased the expression of TSH. These results indicate that both T₄ and T₃ are capable of negative feedback regulation of TSH expression in red drum on a time scale consistent with the T₄ daily cycle, and further support Dio3 destruction of THs in the pituitary, potentially regulated by circulating T₄, as a critical component of negative feedback on TSH. This study supports the importance of central mechanisms acting through pituitary TSH secretion in regulating thyroid function in red drum.

<p>Polybrominated diphenyl ether (PBDE) flame retardants are ubiquitous contaminants in the environment due to their heavy usage in plastics, foam, and textiles to comply with flammability standards from the 1970s through the late 2000s. Due to their toxicity and persistence in the environment, two of the three PBDE commercial mixtures (PentaBDE and OctaBDE) were banned by the Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants in 2009. The DecaBDE commercial mixture, which consists primarily of the fully brominated congener BDE-209, has been banned or phased out in the United States and Europe but is still in use in other parts of the world. Human exposure to PBDEs persists via environmental reservoirs of PBDEs and products produced before the bans/phase-outs. PBDEs disrupt thyroid hormone levels and neurodevelopment in fish and rodents and are associated with altered thyroid hormone levels and neurodevelopmental impairments in humans. However, the mechanism by which PBDEs alter neurodevelopment remains unclear. Knowledge of the mechanisms and molecular targets of PBDEs is necessary for a causal link to be established between PBDEs and neurodevelopmental impairments. The hypothesis of this thesis research is that PBDEs alter thyroid hormone levels in the brain by interfering with the activity of PBDE-metabolizing deiodinase enzymes in brain cells, which may result in decreased levels of thyroid hormones in the brain and impaired neurodevelopment. </p><p>In the first aim of this thesis research, the biotransformation of PBDEs was examined to determine whether hydroxylated PBDEs (OH-BDEs) are formed in the human brain. In biotransformation assays performed with human astrocytes, which are cells located at the blood brain barrier, no debrominated or OH-BDE metabolites were identified. The results indicate that the enzyme responsible for PBDE hydroxylation (CYP2B6) was not expressed in sufficient quantities to metabolize PBDEs in the astrocyte cells used in this study, but future studies should analyze the potential for PBDE hydroxylation in other brain cells. </p><p>In the second aim of this thesis research, the effects of PBDEs on the thyroid-activating enzyme Type 2 deiodinase (DIO2) were determined in human astrocyte cells. DIO2 converts thyroxine (T4) into triiodothyronine (T3), which is the primary ligand that binds to the thyroid nuclear receptors, and is a very important signaling molecule during neurodevelopment. Cultured primary astrocytes and a human glioma cell line (H4 cells) were exposed to PBDEs and OH-BDEs, and changes in DIO2 activity were measured using liquid chromatography with tandem mass spectrometry (LC/MS/MS). Exposure to BDE-99, -153, and -209, 3-OH-BDE-47, and 5'-OH-BDE-99 all resulted in significant decreases in DIO2 activity in the H4 cells by up to 80% at doses of 500-1,000 nM. Further experiments deduced that the primary mechanism responsible for this decrease in activity was attributed to decreased DIO2 mRNA expression, increased post-translational degradation of DIO2, and competitive inhibition of DIO2. The reduction in DIO2 activity by PBDE and OH-BDE exposures could potentially reduce the concentration of T3 in the brain, which may be responsible for the neurodevelopmental impairments produced by exposure to this class of compounds and needs to be further explored. </p><p>In the third aim of this thesis research, the effects of PBDEs and OH-BDEs were examined in the H4 cells and in a mixed culture containing a human neuroblastoma cell line (SK-N-AS cells). The SK-N-AS cells express the thyroid hormone-inactivating enzyme Type 3 deiodinase (DIO3), which works in concert with DIO2 to buffer the concentration of T3 in the brain. Exposure to BDE-99 decreased the concentration of T3 and the inactive thyroid hormone rT3 in the cell culture medium of co-cultured cells by 59-76%. 3-OH-BDE-47 competitively inhibited DIO3 with an IC50 of 19 uM. 5'-OH-BDE-99 increased the rT3 concentrations in cell culture medium by 400%, increased DIO3 activity in exposed cells by 50%, and increased DIO3 catalytic activity in cellular homogenates by over 500%. Further effects on the mRNA expression of several thyroid-regulated genes (DIO3, TR-a, TR-b, MCT8, and ENPP2) and oxidative respiration were also assessed in the SK-N-AS cells. DIO3 mRNA expression increased by 9 fold in cells exposed to 400 nM BDE-99, and ENPP2 mRNA expression increased by 2 fold in cells exposed to 500 nM BDE-99 and a mixture of the three congeners, but no other significant effects on mRNA expression were observed. The basal respiration rates and other parameters of oxidative respiration were also not significantly altered by exposure to PBDEs or OH-BDEs, but proton leak was increased by over 400% in cells exposed to 2 uM 5'-OH-BDE-99. </p><p>This was the first study to examine the effects of an environmental contaminant on human DIO2 and DIO3 in cultured cells. The results indicated that BDE-99 and OH-BDEs decreased the activity of DIO2 and 5'-OH-BDE-99 increased the activity of DIO3, which combined would lead to decreased levels of T3 exported from the cells into the extracellular environment. These results provide more evidence that disruption of DIO2 and DIO3 by PBDEs during development may mediate the neurodevelopment effects associated with PBDEs.</p> / Dissertation

Thyroid hormones (THs; T4 and T3), secreted from thyroid gland, play an important role in human growth and development. T3 (3,5,3′-triiodothyronine) is the active hormone and the conversion of T4 (3,3′,5,5′-tetraiodothyronine) to T3 in cells is mediated by iodothyronine deiodinases enzymes (DIOs). DIOs are selenocysteine containing enzymes and are classified into three types (DIO1, DIO2 and DIO3). DIO1 catalyzes the outer-ring deiodination (ORD; T3 formation) and inner-ring deiodination (IRD; rT3 formation) reactions, involving in the activation (T4 to T3 conversion) and inactivation (T4 to rT3 conversion), respectively. DIO2 and DIO3 catalyse the ORD and IRD reactions, respectively. This homeostasis is regulated tightly and any deviation would lead to diseases like hyperthyroidism or hypothyroidism. Recently it is of interest to many research groups to develop iodothyronine deiodinase mimics and we have developed naphthalene-based peri-substituted thioselenol pair at 1,8-positions (1.25), which remove iodine selectively from inner-ring of T4. When selenium atom is substituted in place of sulfur (selenol-selenol pair; 1.26), the deiodination activity was ca. 90 times faster than with 1.25. This thesis deals with various aspects of the effect of substituents on the naphthalene-1,8-diselenol and solvent effect on the thyroid hormone deiodination by naphthalene-based iodothyronine deiodinase mimics. Figure 1. (A) Deiodination reactions by DIOs. (B) Chemical structure of 1.25 and 1.26. The thesis consists of five chapters. The first chapter provides a general overview about sialoproteins, thyroid hormone biosynthesis, thyroid hormone metabolism, halogen bonding, iodothyronine deiodinase mimics and proposed mechanisms for the deidoination of thyroid hormones. This chapter also introduces peri-naphthalene-1,8-diselenol (1.26), which is the key compound in this thesis and discusses about proposed mechanism for the deiodination of thyroxine involving co-operative halogen bonding and chalcogen bonding mechanism. Figure 2. (A) TH action. (B) Proposed mechanism for the deiodination of T4 by 1.26 involving cooperative halogen bonding and chalcogen bonding. Chapter 2 discusses about the synthesis, characterization and deiodination activity of a series of naphthalene-based peri-substituted-1,8-diselenols (Figure 3). These diselenols regioselectivity remove iodine from inner ring of thyroxine and other thyroid hormones, (T3 and 3, 5-T2). Substitution with different groups on the naphthalene ring did not change the regioselectivity of deiodination, indicating that the deiodination activity does not depend on the nature of substituents. Secondary or tertiary amine side chain group attached at the 2nd position of the naphthalene ring showed better activity. It is due to the secondary interaction, which facilitates the iodine removal. It was further confirmed with the substitutions at the 4th position of the ring to discriminate the possibility of electronic effect. The higher deiodination rate owing to the t-butyl group at second position of the ring also suggests that the steric effect may also play a role in the deiodination reaction (Figure 4). It is proposed that peri substituted naphthalene-1,8-diselenols remove iodine from thyroid hormones through halogen bonding-chalcogen bonding mechanism (Figure 2). The investigation of Se···Se bond distance from the crystal structures and through DFT calculation and NMR experiment showed that the stronger chalcogen bond could be the reason for the increase in the reactivity observed with substituted peri-naphthalene-1,8-diselenols. Figure 3. peri-substituted naphthalene-1,8-diselenols used for the study. Figure 4. Relative deiodinase activity of substituted-peri-naphthalene-1,8-diselenols with T4. In Chapter 3, we have discussed about the effect of chalcogen atom substitution in a series of deiodinase mimics on the deiodination of thyroid hormones. Moving from thiol-selenol pair (1.25) to selenol-selenol pair (1.26) in naphthalene based peri-substituted mimics, an increase in the activity was observed. In this chapter, we have shown that substituting with tellurium, as tellurium-thiol pair (3.3) and ditellurol (3.4) increases the reactivity of deiodination to several times and also regioselectivity of deiodination is changed from IRD in the case of 1.26 to both IRD and ORD for 3.3 and 3.4. The presence of two tellurol moieties (3.4) or a thiol-tellurol pair (3.3) can mediate sequential deiodination of T4, to produce all the possible thyroid hormone derivatives under physiologically relevant conditions (Figure 5). This study provided the first experimental evidence that the regioselectivity of the thyroid hormone deiodination is controlled by the nucleophilicity and the strength of halogen bond between the iodine and chalcogen atoms. Figure 5. (A) HPLC chromatograms of deiodination reaction of T4 with 3.3 and 3.4. (B) Chemical structure of 3.3 and 3.4. (C) Sequential deiodination reaction of T4 by 3.3 and 3.4. Chapter 4 describes the effect of alkyl conjugation at 4′-OH position of THs on the deiodination by iodothyronine mimics. In addition to the deiodination, iodothyronines undergo conjugation with sulfate and glucuronic acid group at 4′-hydroxyl position. Conjugation alters the physico-chemical properties of iodothyronines. For example, it is known that sulfate conjugation increases the rate of deiodination to a large extend. We have conjugated alkyl group at 4′-hydroxyl position of iodothyronines and investigated the deiodination reactions with reported peri-substituted naphthalene-1,8-diselenols. We observed that similar to sulfated thyroid hormones O-methylthyroxine also undergoes both phenolic and tyrosyl ring deiodination reactions and overall the rate of deiodination is increased at least by 5 times as compared with T4 under identical conditions. The phenolic iodine removal is favored by conjugation as compared to the tyrosyl ring iodine, which is similar to the observation made for T4S. Interestingly, when the acetamide group is conjugated at 4′-OH position, the regioselectivity of deiodination is changed exclusively to 5′-iodine. DFT calculations show that the positive potential on the iodine increase upon conjugation, which leads to stronger halogen bonding interaction with selenol, might be the reason for the change in the regioselectivity of deiodination. Figure 6. (A) HPLC chromatogram of deiodination reaction of T4(Me) with 1.26. (B) Initial rate comparison of T4 and T4(Me).(C) HPLC chromatogram of deiodination reaction of T4(AA) with 1.26 showing the formation of T3(AA) (ORD product). (D) Electron potential map of T4, T4(Me) and T4(AA) showing the increase in electro positive potential on 5′-iodine upon conjugation. Chapter 5 deals with the solvent effect on the deiodination reactions of THs by iodothyronine deiodinase mimics. As discussed in the earlier chapters, the deiodination reaction of thyroxine by naphthalene based-1,8-diselenols under physiological conditions produce, rT3 (IRD) as the only observable products. Surprisingly, when the deiodination reaction was performed in DMF or DMSO in the presence of 1.26, the regioselectivity of reaction was changed and the formation of both T3 (ORD) and rT3 was observed. In DMF or in DMSO, the deiodination reactivity of 1.26 was found to be 1000 fold higher than the reaction performed in phosphate buffer at pH 7.4. Figure 7. (A) HPLC chromatogram for the deiodination reaction of T4 in DMF by 1.26 showing both IRD and ORD. (B) A comparison of initial rate for the deiodination reactions of T4, T3 and 3,5-T2 in DMF and in DMSO by 1.26. (C) HPLC chromatograms for the deiodination reaction of T4 in DMF by 1.26 in the presence of TEMPO, showing the inhibition of deiodination (i) 0 mM TEMPO (ii) 10 mM of TEMPO (iii) 30 mM TEMPO. (D) HPLC chromatograms for the deiodination reaction of T4 in DMSO by 1.26 in the presence of TEMPO showing the inhibition of deiodination (i) 0 mM TEMPO (ii) 10 mM of TEMPO (iii) 30 mM TEMPO. 3,5-DIT was not denominated under physiological conditions, however, in DMF and in DMSO, 3,5-DIT was deiodinated by 2.4 to produce 3-MIT. We also observed that the control reactions in DMF or DMSO also showed a little deiodination activity. The very high reactivity observed in the presence of DMF or DMSO implied that the mechanism of denomination in these solvents may be different. It has been reported that DMSO or DMF radicals can be formed with small amounts of a base. Reaction mixture consisting of NaBH4 (for generating selenol from diselenide) and NaOH (T4 solution) may facilitate the radical formation. We also performed the reaction in the presence of TEMPO (free radical scavenger) and observed the inhibition of deiodination reaction. However, it is not clear whether the radical pathway could be one of the possible mechanisms of deiodination in these solvents by compounds 1.26 and 2.4. Further studies are required to propose a radical mechanism in different solvents such as DMF and DMSO.

As doenças cardíacas são a principal causa de morte em todo o mundo. Os hormônios tireoidianos desempenham um papel chave no metabolismo miocárdico e na fisiologia do sistema cardiovascular. A doença cardíaca aguda ou crônica promove uma queda sistêmica da concentração dos hormônios tireoidianos que se associa a um prognóstico pior da doença e aumento da sua mortalidade. Essa redução dos hormônios tireoidianos pode ocorrer na presença de função normal da tireóide, entidade clínica conhecida por síndrome da doença não-tireoidiana ou síndrome do enfermo eutireoideo (SEE). A participação do músculo cardíaco na patogênese da SEE é desconhecida. O entendimento do papel do músculo cardíaco na SEE é essencial para o tratamento das doenças cardíacas. Este estudo se propõe a avaliar a variação dos hormônios tireoidianos promovida pelo metabolismo cardíaco nos pacientes submetidos a cirurgias cardíacas com diferentes graus de isquemia miocárdica aguda, bem como estudar os principais mecanismos envolvidos nessa variação. Para avaliar a variação sistêmica de hormônios tireoideanos induzida pela cirurgia cardíaca com e sem circulação extracorpórea (CEC), 35 pacientes com estenose aórtica grave e doença coronariana submetidos à cirurgia com CEC e 12 pacientes submetidos à cirurgia de revascularização miocárdica sem CEC tiveram as concentrações sistêmicas dos hormônios tireoidianos dosadas no início do procedimento cirúrgico, imediatamente antes do clampeamento da aorta, 3 minutos após o desclampeamento da aorta, 6 e 24h após o procedimento. Além disso, a avaliação da participação isolada do coração foi feita pela dosagem dos hormônios tireoidianos na raiz da aorta e no seio coronário antes e após a isquemia miocárdica aguda induzida pelo clampeamento da aorta. Foram ainda quantificadas, em amostras do tecido miocárdico colhidas após a CEC, a expressão do gene das desiodades, enzimas responsáveis pela conversão dos hormônios tireoidianos nos tecidos periféricos. Essas medidas sanguíneas foram comparadas, bem como a expressão das desiodases presentes no músculo cardíaco, relacionando a sua expressão à variação transcardíaca dos hormônios tireoidianos. O estudo demonstrou uma queda significativa de 37,6% da concentração periférica de T3 associada a uma elevação de 261,6% do rT3 e manutenção das concentrações séricas de T4 livre ao longo do acompanhamento perioperatório nos três grupos. Os resultados não mostraram diferença da variação periférica dos hormônios tireoidianos entre os grupos. Nas amostras centrais, observou-se uma redução transcardíaca de 4,6% de T3 com incremento de 6,9% do rT3, sem alterações do T4 total no grupo estenose aórtica antes do início da CEC. Esse comportamento, no entanto, não foi visto nos pacientes com doença arterial coronariana antes da CEC. Após cerca de 3 minutos de reperfusão miocárdica depois do término da CEC, as variações de concentração de T3 e de rT3 entre a aorta e o seio coronário se perderam. A análise do mRNA do tecido miocárdico indicou expressão significativa da desiodase tipo III com ausência de expressão da desiodase tipo II nos três grupos, sem diferença significativa entre elas. Dessa forma, pode-se concluir que as cirurgias cardíacas com CEC ou sem CEC estão associadas ao desenvolvimento da SEE e que a intensidade desse distúrbio metabólico é similar nos três tipos de procedimento, independente da CEC. Em relação à contribuição do coração para este fenômeno, a expressão das enzimas relacionadas à síndrome no tecido cardíaco foi observada em todos os grupos estudados, mas somente o grupo estenose aórtica demonstrou variação hormonal transcardíaca pré-CEC, com a isquemia miocárdica possivelmente neutralizando esse efeito após a CEC. É possível que a isquemia crônica provavelmente devido à hipertrofia miocárdica, e não a isquemia aguda causada pela CEC, tenha uma capacidade de modificar as concentrações dos hormônios tireoidianos / Heart diseases are the main cause of death over the world and thyroid hormones are key elements in myocardial metabolism and cardiovascular physiology. In heart disease patients, low thyroid hormone levels lead to a worse prognosis and increase in the mortality, even with regular thyroid function, in a condition known as Euthyroid Sick Syndrome (ESS). There is no evidence that myocardial tissue is involved in ESS pathophysiology. The better understanding of heart role might be important to optimal treatment of heart disease. The current study aims to evaluate thyroid hormones variation induced by myocardial metabolism in patients submitted to several acute myocardial ischemic intensities and study the main mechanisms associated to this condition. To reach this objective, 35 stable severe aortic stenosis coronary artery disease submitted to in-pump cardiac surgery and 12 patients submitted to off-pump myocardial revascularization surgery were analyzed at the procedure beginning, before aortic clamping, 3 minutes after aortic cross-clamp release, six and 24h after procedure by measuring thyroid hormones concentration in systemic circulation. Therefore, cardiac metabolism was evaluated alone by the thyroid hormones concentration measurement in aortic root and coronary sinus just before and after myocardial ischemia induced by aortic clamping, as well the gene expression of thyroid hormones metabolism related enzyme in myocardial tissue samples. There was a significant 37.6% reduction in T3 systemic concentration, a 261.6% elevation in rT3 and no variation in free T4 systemic values during the observation time in three groups. However, there were no statistically differences among the groups. Central analysis showed a 4.6% significant reduction in T3 and 6.9% increase in rT3 in coronary sinus, compared to aortic root, in aortic stenosis group before cardiopulmonary bypass. The same behavior was not observed in coronary artery disease before aortic cross clamping. After cardiopulmonary bypass, no differences were seen in any group. However, Deiodinase Type III, which is responsible for the T3 concentration decrease, gene RNA-m expression was detected in all myocardial tissue biopsies, and the Deiodinase Type II, which produces T3 from T4, was absent in myocardial tissue during the heart surgery. In conclusion, in- or off-pump heart surgeries are associated to similar systemic ESS intensities and to ESS-enzyme related gene expressions in myocardial tissue. However, myocardial metabolism in aortic stenosis patients is able to change thyroid hormones concentrations, probably due to myocardial hypertrophy and chronic ischemia assault, which were no observed in coronary disease patients

Introdução: Os inibidores tirosino-quinase (ITQs) constituem uma nova terapia molecular para o carcinoma medular da tireoide (CMT). O vandetanibe, um ITQ que atua contra os receptores VEGFR, EGFR e RET, inibe a transformação e o crescimento do tumor no CMT. No entanto, os ITQs têm importantes efeitos adversos, incluindo o hipotireoidismo. O aumento da expressão da iodotironina desiodase do tipo 3 (D3/DIO3), uma enzima chave na inativação dos hormônios da tireoide, pode ser um possível mecanismo de indução do hipotireoidismo por estas drogas. Objetivo: Investigar os efeitos dos inibidores tirosino-quinase na expressão da D3 em células derivadas do CMT. Métodos: Estudo experimental in vitro, utilizando linhagem de células humanas oriundas de CMT (células TT). As células foram cultivadas em meio específico e tratadas com diferentes doses do ITQ vandetanibe (0,25; 0,5 e 1μM) ou com DMSO. A proliferação celular foi determinada por contagem em câmara de Neubauer. A expressão do mRNA foi avaliada por meio de PCR em tempo real, a expressão proteica por meio de Western Blot e a atividade da D3 foi avaliada por meio da técnica de cromatografia em colunas de Sephadex LH-20. Resultados: A adição do vandetanibe ao meio de cultura causou diminuição do número de células e seu efeito foi tempo e dose dependente, apresentando uma redução máxima (77%) após 6 dias de tratamento na dose de 1μM. Como esperado, o tratamento com vandetanibe inibiu a fosforilação do ERK. Não foram observadas alterações significativas dos níveis de mRNA da DIO3 após 3 (0,02 vs. 0,02 vs. 0,01 vs. 0,01; P = 0,34) ou 6 dias (0,02 vs. 0,02 vs. 0,03 vs. 0,02; P = 0,33) de tratamento. Consequentemente, a expressão proteica da D3 não aumentou nos grupos tratados. No entanto, observou-se um aumento de 2 a 5 vezes na atividade da D3 após 3 dias de tratamento e um aumento de 1,5 a 2,15 vezes em 6 dias de tratamento. Conclusões: O tratamento com vandetanibe não foi associado com níveis aumentados de expressão do mRNA e da proteína da D3 em células derivadas de CMT, embora tenha sido observado um aumento na sua atividade enzimática. / Background: Tyrosine kinase inhibitors (TKIs) constitute a novel molecular therapy for medullary thyroid carcinoma (MTC). Vandetanib, a TKI that acts against the VEGFR, EGFR and RET receptors, inhibits tumor transformation and growth in MTC. However, TKIs have important adverse effects, including hypothyroidism. Increases in the expression of type 3 iodothyronine deiodinase (D3/DIO3), a key enzyme in the inactivation of thyroid hormones, may be a possible mechanism of induction of hypothyroidism by these drugs. Objective: To investigate the effects of vandetanib on D3 expression in MTC-derived cells. Methods: In vitro experimental study using human MTC cell line (TT cells). Cells were cultured in specific medium and treated with different doses of vandetanib (0.25, 0.5 and 1μM) or DMSO. Cell proliferation was determined by counting in Neubauer's chamber. Expression of mRNA was evaluated by real-time PCR, protein expression by Western Blot and D3 activity was evaluated by Sephadex LH-20 column chromatography. Results: The addition of vandetanib to the culture medium caused a time and dose-dependent decrease in the number of cells, with a maximum reduction (77%) after 6 days of treatment at 1μM dose. As expected, vandetanib treatment inhibited ERK phosphorylation. No significant changes in DIO3 mRNA levels were observed after 3 (0.02 vs. 0.02 vs. 0.01 vs. 0.01; P = 0.34) or 6 days (0.02 vs. 0.02 vs. 0.03 vs. 0.02; P = 0.33) of treatment. Accordingly, D3 protein expression did not increase in treated groups. However, we observed a 2 to 5-fold increase in D3 activity after 3 days of treatment and a 1.5 to 2.15-fold increase in 6 days of treatment. Conclusions: Treatment with vandetanib was not associated with increased DIO3 mRNA and D3 protein expression levels in MTC-derived cells, although an increase in enzyme activity has been observed.