O diabetes mellitus tipo 1 (DM1) está associado com condições pró-oxidantes, próinflamatórias e elevado risco cardiovascular, enquanto o exercício físico pode ser considerado um dos melhores instrumentos não farmacológicas para o tratamento do DM1. Nesse contexto, exercícios que propiciem um menor risco hipoglicêmico e diversos benefícios sobre a saúde devem ser estimulados. Um dos objetivos da tese foi verificar a influência da realização de exercícios de força (SE) antes ou depois do exercício intervalado de alta intensidade (HIIE) sobre o comportamento glicêmico durante e logo após uma sessão de esforço (estudo transversal) (manuscrito original 1). Entretanto, o principal objetivo desta tese foi comparar os efeitos do treinamento intervalado de alta intensidade (HIIT), do treinamento de força (ST) e da combinação destes (ST+HIIT), sobre marcadores sanguíneos inflamatórios, de estresse oxidativo (OS) e metabolismo glicêmico em pacientes com DM1 através de um ensaio clínico randomizado (ECR) (manuscrito original 2). Com relação ao estudo transversal (manuscrito 1), em três visitas, adultos fisicamente ativos realizaram 30 min de SE antes de 30 min de HIIE ou realizaram a ordem inversa da sessão (HIIE+SE) ou permaneceram em repouso nesse período (REST). A glicemia capilar foi mensurada a cada 15 min durante e até 60 min da recuperação. Comparando-se com os valores basais, a condição HIIE+SE reduziu a glicemia em 30, 45 e 60 min, enquanto SE+HIIE adiou esta queda glicêmica para a partir de 60 min. HIIE+SE também acarretou uma maior glicemia em 105 min quando comparado a 60 min. A quantidade ingerida de carboidratos durante as sessões, bem como a dose insulínica no mesmo dia antes e depois dos protocolos, além dos episódios noturnos de hipoglicemia, foram similares entre as três condições. Conclui-se que pacientes com DM1 propensos a desenvolver hipoglicemia associada ao exercício devem realizar SE antes do HIIE na mesma sessão. Com relação ao estudo principal (ECR) (manuscrito original 2), após 4 semanas de um período controle, pacientes fisicamente inativos com DM1 foram randomizados para realização de 10 semanas de HIIT, ST ou ST+HIIT, praticados 3x/sem. As sessões de HIIT duraram 25 min, as de ST 40 min, e as de ST+HIIT ~65 min. Os desfechos foram analisados através do modelo de equações de estimativas generalizadas (GEE), com post hoc de Bonferroni. ST, HIIT e ST+HIIT melhoraram parâmetros glicêmicos e antioxidantes, mas não os marcadores plasmáticos de inflamação e de OS. Interessantemente, as intervenções reduziram as concentrações de receptores solúveis para produtos finais da glicação avançada. Entretanto, o conteúdo intracelular das proteínas de choque térmico de 70 kDa aumentou somente depois do HIIT. Enquanto a dose diária de insulina utilizada reduziu apenas no grupo ST+HIIT, todos os protocolos induziram benefícios antropométricos, cardiorrespiratórios e funcionais. Sob uma perspectiva prática, conclui-se que um maior volume (ST+HIIT) de treinamento é necessário para o benefício adicional da redução insulínica diária. Já o HIIT, por exemplo, é diretamente aplicável para pessoas que reclamam da falta de tempo, podendo ser recomendado devido a vantagem extra com relação a proteínas anti-inflamatórios em células imunológicas. / Type 1 diabetes mellitus (DM1) is associated with prooxidant and proinflammatory conditions, besides an increased cardiovascular risk, while exercise may be considered one of the best nonpharmacological tools for DM1 treatment. In this context, exercises linked with a lower hypoglycemic risk and several health benefits should be stimulated. One of the goals of this thesis was to verify the influence of performing strength exercises (SE) before or after highintensity interval exercise (HIIE) on glycaemia during and postexercise (cross-sectional study) (original manuscript 1). However, the main objective of this thesis was to compare the effects of high-intensity interval training (HIIT), strength training (ST) or their combination (ST+HIIT), on blood inflammatory, oxidative stress (OS) and glycemic markers in DM1 patients using a randomized clinical trial (ECR) (original manuscript 2). Regarding the crosssectional study (original manuscript 1), in three visits, physically active adults performed 30 min of SE before 30 min of HIIE or performed the reverse order (HIIE+SE) or rested for 30 min (REST). Capillary glycaemia was measured each 15 min during and 60 min postexercise recovery. HIIE+SE lowered glycaemia at 30, 45 and 60 min compared with baseline concentrations, while SE+HIIE postponed this glucose decayment to 60 min and thereafter. HIIE+SE increased glycaemia at 105 min compared with 60 min. Carbohydrates ingested during exercise, insulin dosage at same day before and after protocols, and nocturnal hypoglycemia episodes were similar among the three conditions. DM1 patients prone to develop exercise-associated hypoglycemia should perform SE before HIIE in a single session. Regarding the main study (ECR) (original manuscript 2), after 4-week control period, physically inactive patients with DM1 were randomly assigned to 10-week HIIT, ST or ST+HIIT protocol, performed 3 x/week. HIIT sessions lasted 25 min, ST lasted 40 min and ST+HIIT sessions lasted ~65 min. Blood biochemical, anthropometric, strength and cardiorespiratory fitness variables were assessed. Outcomes were analyzed via generalized estimating equations (GEE), with Bonferroni post hoc analysis. ST, HIIT and ST+HIIT improved glycemic and antioxidant parameters, but not plasma inflammatory or OS markers. Noteworthy, interventions reduced soluble receptors for advanced glycation end products levels. However, intracellular heat shock protein 70 content increased only after HIIT. While daily insulin dosage decreased only in the ST+HIIT group, all training models induced anthropometric and functional benefits. From a practical clinical perspective, a higher volume (SE+HIIT) of training is required for the additional benefit of daily insulin reduction. The HIIT, for example, is directly applicable for people who claim lack of time, and it may be 13 recommended due to extra advantage concerning anti-inflammatory proteins at immunological cells.

O diabetes mellitus tipo 1 (DM1) está associado com condições pró-oxidantes, próinflamatórias e elevado risco cardiovascular, enquanto o exercício físico pode ser considerado um dos melhores instrumentos não farmacológicas para o tratamento do DM1. Nesse contexto, exercícios que propiciem um menor risco hipoglicêmico e diversos benefícios sobre a saúde devem ser estimulados. Um dos objetivos da tese foi verificar a influência da realização de exercícios de força (SE) antes ou depois do exercício intervalado de alta intensidade (HIIE) sobre o comportamento glicêmico durante e logo após uma sessão de esforço (estudo transversal) (manuscrito original 1). Entretanto, o principal objetivo desta tese foi comparar os efeitos do treinamento intervalado de alta intensidade (HIIT), do treinamento de força (ST) e da combinação destes (ST+HIIT), sobre marcadores sanguíneos inflamatórios, de estresse oxidativo (OS) e metabolismo glicêmico em pacientes com DM1 através de um ensaio clínico randomizado (ECR) (manuscrito original 2). Com relação ao estudo transversal (manuscrito 1), em três visitas, adultos fisicamente ativos realizaram 30 min de SE antes de 30 min de HIIE ou realizaram a ordem inversa da sessão (HIIE+SE) ou permaneceram em repouso nesse período (REST). A glicemia capilar foi mensurada a cada 15 min durante e até 60 min da recuperação. Comparando-se com os valores basais, a condição HIIE+SE reduziu a glicemia em 30, 45 e 60 min, enquanto SE+HIIE adiou esta queda glicêmica para a partir de 60 min. HIIE+SE também acarretou uma maior glicemia em 105 min quando comparado a 60 min. A quantidade ingerida de carboidratos durante as sessões, bem como a dose insulínica no mesmo dia antes e depois dos protocolos, além dos episódios noturnos de hipoglicemia, foram similares entre as três condições. Conclui-se que pacientes com DM1 propensos a desenvolver hipoglicemia associada ao exercício devem realizar SE antes do HIIE na mesma sessão. Com relação ao estudo principal (ECR) (manuscrito original 2), após 4 semanas de um período controle, pacientes fisicamente inativos com DM1 foram randomizados para realização de 10 semanas de HIIT, ST ou ST+HIIT, praticados 3x/sem. As sessões de HIIT duraram 25 min, as de ST 40 min, e as de ST+HIIT ~65 min. Os desfechos foram analisados através do modelo de equações de estimativas generalizadas (GEE), com post hoc de Bonferroni. ST, HIIT e ST+HIIT melhoraram parâmetros glicêmicos e antioxidantes, mas não os marcadores plasmáticos de inflamação e de OS. Interessantemente, as intervenções reduziram as concentrações de receptores solúveis para produtos finais da glicação avançada. Entretanto, o conteúdo intracelular das proteínas de choque térmico de 70 kDa aumentou somente depois do HIIT. Enquanto a dose diária de insulina utilizada reduziu apenas no grupo ST+HIIT, todos os protocolos induziram benefícios antropométricos, cardiorrespiratórios e funcionais. Sob uma perspectiva prática, conclui-se que um maior volume (ST+HIIT) de treinamento é necessário para o benefício adicional da redução insulínica diária. Já o HIIT, por exemplo, é diretamente aplicável para pessoas que reclamam da falta de tempo, podendo ser recomendado devido a vantagem extra com relação a proteínas anti-inflamatórios em células imunológicas. / Type 1 diabetes mellitus (DM1) is associated with prooxidant and proinflammatory conditions, besides an increased cardiovascular risk, while exercise may be considered one of the best nonpharmacological tools for DM1 treatment. In this context, exercises linked with a lower hypoglycemic risk and several health benefits should be stimulated. One of the goals of this thesis was to verify the influence of performing strength exercises (SE) before or after highintensity interval exercise (HIIE) on glycaemia during and postexercise (cross-sectional study) (original manuscript 1). However, the main objective of this thesis was to compare the effects of high-intensity interval training (HIIT), strength training (ST) or their combination (ST+HIIT), on blood inflammatory, oxidative stress (OS) and glycemic markers in DM1 patients using a randomized clinical trial (ECR) (original manuscript 2). Regarding the crosssectional study (original manuscript 1), in three visits, physically active adults performed 30 min of SE before 30 min of HIIE or performed the reverse order (HIIE+SE) or rested for 30 min (REST). Capillary glycaemia was measured each 15 min during and 60 min postexercise recovery. HIIE+SE lowered glycaemia at 30, 45 and 60 min compared with baseline concentrations, while SE+HIIE postponed this glucose decayment to 60 min and thereafter. HIIE+SE increased glycaemia at 105 min compared with 60 min. Carbohydrates ingested during exercise, insulin dosage at same day before and after protocols, and nocturnal hypoglycemia episodes were similar among the three conditions. DM1 patients prone to develop exercise-associated hypoglycemia should perform SE before HIIE in a single session. Regarding the main study (ECR) (original manuscript 2), after 4-week control period, physically inactive patients with DM1 were randomly assigned to 10-week HIIT, ST or ST+HIIT protocol, performed 3 x/week. HIIT sessions lasted 25 min, ST lasted 40 min and ST+HIIT sessions lasted ~65 min. Blood biochemical, anthropometric, strength and cardiorespiratory fitness variables were assessed. Outcomes were analyzed via generalized estimating equations (GEE), with Bonferroni post hoc analysis. ST, HIIT and ST+HIIT improved glycemic and antioxidant parameters, but not plasma inflammatory or OS markers. Noteworthy, interventions reduced soluble receptors for advanced glycation end products levels. However, intracellular heat shock protein 70 content increased only after HIIT. While daily insulin dosage decreased only in the ST+HIIT group, all training models induced anthropometric and functional benefits. From a practical clinical perspective, a higher volume (SE+HIIT) of training is required for the additional benefit of daily insulin reduction. The HIIT, for example, is directly applicable for people who claim lack of time, and it may be 13 recommended due to extra advantage concerning anti-inflammatory proteins at immunological cells.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Haloperidol-induced orofacial dyskinesia (OD) is a putative animal model of tardive dyskinesia (TD) whose pathophysiology has been related to an increase in dopamine turnover, reduction in gabaergic neurotransmission and oxidative stress. Schizophrenic patients have been reported to eat a diet higher in fat than the general population and dietary fat intake can lead to an increase in oxidative stress in animal models. Thus, the first objective of this study was to determine if the association of high fat diet ingestion with prolonged haloperidol treatment could alter the OD and lead to oxidative stress in the rat brain (article 1). Haloperidol decanoate administration (38 mg/kg, which is equivalent 1mg/kg/day) monthly for a period of 6 months to rats fed previously with a HF diet caused an increase in OD. Furthermore, haloperidol caused an increase in the levels of lipid peroxidation in striatum and substantia nigra only in rats fed with the HF diet. Another objective of this work was to evaluate the effects of V. officinalis (1% administered in the drink water) in the animal model of OD induced by long-term treatment with haloperidol (article 2). V. officinalis has been widely used to treat insomnia since it posses GABAmimetic and antioxidant properties. Concomitant treatment with V. officinalis did not modify the intensity or prevalence of OD. We did not find any statistical differences among the groups when oxidative stress parameters were evaluated. On the other hand, haloperidol treatment significantly decreased [3H]-dopamine uptake in slices from striatum of rats, an effect unaltered by V. officinalis. The treatment with V. officinalis reduced the locomotor activity in the open field and increased the time spent on open arm in the plus maze test, confirming the anxiolitic effect of V. fficinalis. Taken together, these results indicate that a high fat diet caused a transitory increase in haloperidol-induced OD in rats and this, at least in part, can be related to the haloperidol-induced oxidative stress in brain structures. Our data also suggest that the reduction in dopamine transport can be a possible mechanism related to the maintenance of chronic OD in rats feeding NF diet. Finally, V. officinalis seems not to be efficacious in the reduction of OD in rats. / A discinesia orofacial (DO) induzida por haloperidol consiste num modelo de discinesia tardia (DT) cuja patofisiologia tem sido relacionada a um aumento na renovação de dopamina, à redução na neurotransmissão gabaérgica e ao estresse oxidativo. Existem relatos de que pacientes esquizofrênicos ingerem uma maior quantidade de gordura na dieta do que a população em geral e o aumento da ingestão de gordura pode levar a um aumento do estresse oxidativo em modelos animais. Assim, um primeiro objetivo deste estudo foi determinar se a associação de ingestão de dieta rica em gordura concomitante ao tratamento prolongado com haloperidol poderia alterar a DO e levar ao estresse oxidativo em cérebro de ratos (artigo 1). A administração de decanoato de haloperidol (38 mg/kg, equivalente a 1mg/kg/dia) mensalmente, por um período de 6 meses, a ratos previamente alimentados com dietas normolipídica (NL) e hiperlipídica (HL) causou um aumento na DO. Além disso, o haloperidol causou um aumento nos níveis de peroxidação lipídica em estriado e substantia nigra somente em ratos ingerindo dieta HL. Um outro objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos da V. officinalis (administrada na água de beber na proporção de 1mL de tintura de raíz para 100mL de água) no modelo animal de DO induzido por tratamento prolongado com haloperidol (artigo 2). A V. officinalis tem sido largamente utilizada para o tratamento de insônia possuindo propriedades GABA-miméticas e antioxidantes. O tratamento concomitante com V. officinalis não modificou a intensidade ou a prevalência da DO. Além disto, não encontramos nenhuma diferença estatística entre os grupos quando os parâmetros de estresse oxidativo foram avaliados. Por outro lado, o tratamento com haloperidol reduziu significativamente a captação de [3H]-dopamina em fatias de estriado de ratos, um efeito inalterado pela V. officinalis. O tratamento com V. officinalis reduziu a atividade locomotora no campo aberto e aumentou o tempo de permanência no braço aberto do labirinto em cruz elevado, o que confirma o efeito ansiolítico da V. officinalis. Em conjunto, estes resultados indicam que a dieta rica em gordura causou um aumento transitório da DO induzida por haloperidol em ratos o que pode, em parte, ser relacionado ao estresse oxidativo induzido por haloperidol em estruturas do cérebro envolvidas com a DO. Nossos dados também sugerem que a redução no transporte de dopamina pode ser um possível mecanismo relacionado à manutenção da DO crônica em ratos ingerindo dieta NL. Além disso, a V. officinalis parece não ser eficaz na redução da DO em ratos.

Há, no Brasil, uma enorme diversidade de espécies vegetais, e um conhecimento popular de várias propriedades medicinais das mesmas. Dentre os estudos realizados com extratos de plantas, há um interesse especial na atividade antioxidante. Este trabalho, focado em atividade antioxidante, é dividido em duas partes: a primeira, utiliza a técnica de RPE para estudar a ação dos antioxidantes neutralizando os radicais livres, enquanto que a segunda utiliza a TFD para, em simulação computacional, ajudar a entender os resultados obtidos na primeira parte. Foram analisados 10 extratos vegetais: Swartzia langsdorffii, Machaerium villosum, Pterogyne nitens, Maytenus ilicifolia (casca de raiz), Pera glabrata, Aegiphyla sellowiana, Copaifera langsdorffii, Chrysophyllum inornatum, Iryanthera juruensis (folhas e sementes), Didymopanax vinosum. O estudo da atividade antioxidante com RPE utiliza dois métodos diferentes: o primeiro método mede a atividade antioxidante por meio do controle da quantidade de radicais livres, TEMPOL e DPPH, em contato com o extrato vegetal, enquanto que o segundo método utiliza o spin trap DMPO em conjunto com a reação de Fenton (Fe2+ + H2O2 => Fe3+ + HO- + HO) para analisar a ação dos extratos vegetais contra o radical hidroxila (OH?). A simulação computacional dos compostos TEMPOL, DPPH e DMPO é realizada em um método de primeiros princípios na Teoria do Funcional da Densidade, com uso de pseudopotenciais. O código utilizado é o SIESTA. As conclusões indicam que o extrato de Iryanthera juruensis, tanto de folhas quanto de sementes, exibe atividades antioxidantes bastante acentuadas, em todos os métodos utilizados. A simulação computacional aponta o TEMPOL menos reativo que o DPPH, devido a menor energia liberada em sua reação de redução. Sabendo que algumas destas espécies já são usadas popularmente por propriedades medicinais, estudos futuros para a correta identificação do agente antioxidante e seu possível uso, tanto na indústria alimentícia quanto na farmacêutica, deverão ser realizados. / There is, in Brazil, a great diversity of vegetable species, and a popular knowledge of several medicinal properties of the some of them. In studies carried out with plants? extracts, there is special interest in antioxidant activities. This work, focused in antioxidant activity, is divided in two parts: the first uses EPR technique to study the antioxidant activities neutralizing free radicals, while the second one uses DFT, in computational simulation, to understand the results obtained from the first part. Ten vegetable extracts were analyzed: Swartzia langsdorffii, Machaerium villosum, Pterogyne nitens, Maytenus ilicifolia (bark root extracts), Pera glabrata, Aegiphyla sellowiana, Copaifera langsdorffii, Chrysophyllum inornatum, Iryanthera juruensis (leaves and seeds), Didymopanax vinosum. The study with EPR uses two different methods: the first method measures the antioxidant activity by monitoring the amount of free radicals, DPPH and TEMPOL, that are in contact with the plant extract, the second method uses spin trap DMPO with Fenton reaction (Fe2+ + H2O2 => Fe3+ + HO- + HO) for the study of the plant extract antioxidant activity against the hydroxyl radical (OH?). The computational simulation of TEMPOL, DPPH and DMPO is carried out using a method of first principles within the Density Functional Theory and pseudopotentials. The code is SIESTA. The conclusions indicate that the Iryanthera juruensis extract, as of leaves as of seeds, exhibits accentuated antioxidants activities, in all of the used methods. The computational simulation indicated that the TEMPOL is less reactive than the DPPH, because the lower energy in its reduction reaction. As some of these species are already used popularly by medicinal properties, future studies for correct identification of the antioxidant compounds and its possible use, as in the food industry as in the pharmaceutical industry, should be realized.

A redução univalente de oxigênio molecular nas células produz intermediários altamente reativos tais como o íon radical Superóxido (O-•2), o radical hidroxil (HO•) e o peróxido de hidrogênio (H2O2). Níveis muito altos ou baixos de tais espécies representam séria ameaça ao metabolismo celular. Diferentes estados patológicos têm sido relacionados com níveis anormais destas espécies em eritrócitos e plaquetas. A proteção biológica contra efeitos tóxicos associados com níveis excessivos de espécies ativadas de oxigênio, tem sido atribuída a três enzimas principais presentes em eritrócitos e outras células: superóxido dismutase, catalase e glutationa peroxidase. Neste trabalho, foram feitas dosagens dessas enzimas protetoras em eritrócitos de indivíduos portadores de porfiria aguda intermitente. Esta doença caracteriza-se por um defeito na biossíntese de heme e clinicamente manifesta-se por dor abdominal intensa, paralisia e distúrbios neuropsíquicos. Foram encontrados nos pacientes em crise aguda atividades elevadas de superóxido dismutase e de glutationa peroxidase enquanto que a atividade de catalase permaneceu normal. Tais resultados apontam a possibilidade de que as manifestações clínicas de IAP relacionadas com toxicidade por oxigênio. Estejam Comparou-se também a atividade destas três enzimas em eritrócitos de residentes na cidade de são Paulo com o de moradores de Vila Parisi, conhecida pelo seu altíssimo nível de poluiçao atmosférica. Os níveis de superóxido dismutase e de glutationa peroxidase são bem mais elevados (cerca de 1,5 vezes) nos indivíduos residentes em Vila Parisi. A elevação da concentração intracelular destas enzimas pode ser sua resposta ao aumento da taxa de oxidação da oxihemoglobina, a qual é conhecida fonte de íons superóxido. Estes dados demonstram profundas diferenças no metabolismo de 02 entre esses dois grupos e talvez uma possível adaptação metabólica dos moradores de Vila Parisi aos altos níveis de poluição a que estão expostos. / The univalent reduction of molecular oxygen in cells produces very reactive species such as the superoxide anion (O-•2), the hydroxyl radical (HO•) and hydrogen peroxide (H2O2). Abnormally high or low concentrations of such species may represent a serious threat to the cellular metabolism. Indeed, several disorders have been associated with abnormal levels of these species in erythrocytes and platelets.The biological protection against toxic effects due to excessive levels of activated species of molecular oxygen has been attributed mainly to three enzymes occurring in erythrocytes and other cells: superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GSH-Px) and catalase. In the present work, we report the activities of SOD, GSH-Px and catalase in the erythrocytes of patients with intermittent acute porphyria (IAP), an inborn error in the heme biosynthetic pathway. The clinical manifestations of IAP include abdominal pain and neuropsychiatric symptons. In patients undergoing acute attack, we found increased levels of SOD and GSH-Px, while that of catalase remains unchanged. These results point to the possibility that the clinical manifestations of IAP are related to oxygen toxicity. We have also compared the activities of these enzymes in residents of the city of são Paulo (Brazil) and in subjects living in Vila Parisi (Cubatão, SP, Brazil), a village submitted to high levels of atmospheric pollution. The erythrocyte SOD and GSH-Px levels were found to be ca. 1.5 fold higher in residents of Vila Parisi. These high intracellular enzyme concentrations may reflect a biological defense against an increase in the rate of oxyhemoglobin oxidation, known to be a source of superoxide species. Our results point to important differences between the two populations with respect to the metabolism of oxygen and, perhaps, a metabolic adaptation in the residents of Vila Parisi to the dramatically high levels of atmospheric pollution.

A esclerose lateral amiotrófica (ELA) é uma doença neurodegenerativa que afeta os neurônios motores levando a atrofia muscular e morte por insuficiência respiratória. Esta patologia se manifesta de forma esporádica ou familiar, que são indistinguíveis clinicamente. Mutações na enzima antioxidante superóxido dismutase 1 (hSod1) respondem por aproximadamente 20% dos casos familiares de ELA. Além disso, o caráter autossômico dominante destas mutações revela que a hSod1 adquire propriedades tóxicas aos neurônios motores. Atualmente, duas hipóteses não mutuamente excludentes existem para explicar o caráter tóxico das mutantes da hSod1 relacionadas à ELA. A primeira refere-se à produção de oxidantes pela atividade peroxidásica exacerbada das mutantes contribuindo para o estresse oxidativo observado em ELA. A segunda refere-se à agregação de proteínas como ocorre em outras doenças neurodegenerativas. Digno de nota, o radical carbonato produzido na atividade peroxidásica da hSod1 causa a formação de um dímero covalente da proteína análogo a uma espécie de hSod1 frequentemente detectada em modelos experimentais e pacientes da doença e associada à propriedade tóxica das mutantes. Desta forma, o presente trabalho buscou esclarecer o mecanismo de produção do radical carbonato pela hSod1, bem como caracterizar o dímero covalente da proteína para posterior estudo de sua formação em um modelo de ELA em ratos que superexpressam a mutante G93A da hSod1. Os estudos cinéticos da variação do pH sobre os efeitos de bicarbonato/CO2, nitrito e formato na atividade peroxidásica da hSod1, medidos pelo consumo de peróxido de hidrogênio e produção de radical, permitiram excluir o mecanismo de Fenton para explicar o ciclo peroxidativo da enzima em tampão bicarbonato em favor de outros intermediários reativos. Já, os experimentos de 13C RMN, modelagem molecular e cinética de fluxo interrompido com mistura assimétrica demonstraram que o ânion peroxomonocarbonato constitui o precursor do radical carbonato produzido pela hSod1. A caracterização do dímero covalente da hSod1 por proteólise com tripsina seguida de análise por HPLC/UV-vis e HPLC/ESI-MS identificou um peptídeo característico do dímero covalente da hSod1. A digestão enzimática em H2 18O demonstrou de forma inequívoca a natureza dímerica deste peptídeo pela marcação da extremidade C-terminal. Ainda, o sequenciamento do peptídeo dimérico por MS/MS revelou a estrutura primária ESNGPVKVW(ESNGPVKVWGSIK)GSIK, na qual as cadeias polipeptídicas estão ligadas através de um aduto de ditriptofano composto por resíduos Trp32 da proteína. Por fim, este peptídeo dimérico pode ser empregado como marcador bioquímico específico para o estudo do dímero covalente da hSod1 in vivo. A análise do extrato de proteínas das medulas dos ratos modelo de ELA identificou quinze candidatos a dímero covalente da hSod1 por Western-blot, sendo que dois deles foram excluídos por espectrometria de massa, pois tiveram o resíduo Trp32 identificado. O peptídeo ESNGPVKVW(ESNGPVKVWGSIK)GSIK não foi observado, porém as treze espécies restantes permanecem candidatas e deverão ser reexaminadas em trabalhos que darão sequência a esta tese de doutorado. Em suma, o peroxomonocarbonato constitui o intermediário na produção do radical carbonato pela hSod1 e o peptídeo ESNGPVKVW(ESNGPVKVWGSIK)GSIK uma ferramenta importante no estudo da agregação covalente da hSod1 em ELA. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease of motors neurons that causes muscle atrophy, weakness, and death by respiratory failure. This pathology occurs in both sporadic and familiar forms that are clinically indistinguishable. Mutations in the antioxidant enzyme superoxide dismutase 1 (hSod1) respond to about 20% of the familiar cases of ALS. Besides, the autosomal dominant nature of these hSod1-associated ALS suggests that the mutants gain toxic properties to motor neurons. Currently, two hypotheses exist to explain the toxicity of hSod1 mutants but they do not exclude each other. The first one is related to the production of oxidants by the increased peroxidase activity of the ALS-linked mutants that could contribute to the oxidative stress reported in ALS. The second refers to protein aggregation as proposed in other neurodegenerative diseases. Noteworthy, the carbonate radical produced during hSod1 peroxidase activity leads to the formation of a covalent dimer of the protein similar to a hSod1 species often detected in experimental models and patients of the disease and implicated in the toxic properties of hSod1 mutants. Thus, the present work aimed to determine the mechanism of carbonate radical production by hSod1 and to characterize the covalent dimer of the protein in vitro followed by the study of covalent aggregates of hSod1 in a rat model of ALS that overexpresses the G93A mutant of the protein. The kinetic studies of the effect of bicarbonate/CO2, nitrite and formate in the peroxidase activity of hSod1 at various pH, measured by hydrogen peroxide consumption and radical production, permitted to exclude the Fenton mechanism to explain the enzyme peroxidative cycle in bicarbonate buffer in favor of other reactive intermediates. Furthermore, 13C NMR, molecular docking and stopped-flow experiments with asymmetric mixing demonstrated that the anion peroxomonocarbonate is the precursor of the carbonate radical produced by hSod1. The characterization of hSod1 covalent dimer by proteolysis with trypsin followed by HPLC/UV-vis and HPLC/ESI-MS analysis identified a peptide characteristic of the covalent dimer of the protein. The enzymatic digestion in H2 18 O irrefutably demonstrated the dimeric nature of this peptide because of the C-terminal labeling with oxygen-18 isotopes. In addition, sequencing of the dimeric peptide by MS/MS determined the primary structure ESNGPVKVW(ESNGPVKVWGSIK)GSIK, in which the polipeptide chains are crosslinked through a ditryptophan adduct formed by a covalent bond between the Trp32 residues of each subunit. So, this dimeric peptide can be employed as a biochemical marker for studying the hSod1 covalent dimer in vivo. The analysis of protein extracts from the spinal cord of the rat model of ALS by Western-blot identified fifteen candidates to hSod1 covalent dimer, but two of them were excluded by mass spectrometry analysis that identified unmodified Trp32 residues. Moreover, neither the dimeric peptide nor the Trp32 residue were observed in the remaining species. Therefore, these thirteen candidates must be reexamined in subsequent studies. In conclusion, the anion peroxomonocarbonate is the key intermediate in the production of the carbonate radical by hSod1 and the dimeric peptide constitutes a specific tool to study hSod1 covalent aggregation in ALS

Os mecanismos fisiopatológicos associados aos efeitos benéficos da reanimação guiada pela saturação venosa mista de oxigênio (SvO2) durante a sepse não são claros. Nosso objetivo foi avaliar os efeitos de um algoritmo de reanimação guiado pela SvO2 incluindo fluidos, noradrenalina e dobutamina na hemodinâmica, resposta inflamatória e estresse oxidativo cardiovascular durante um modelo experimental que se assemelha clinicamente ao choque séptico. Dezoito porcos anestesiados e cateterizados (35-45 kg) foram submetidos à peritonite por inoculação fecal (0,75 g/Kg). Depois de permanecerem hipotensos, antibióticos foram administrados e os animais foram randomizados em dois grupos: controle (n=9), com suporte hemodinâmico visando pressão venosa central de 8-12 mmHg, débito urinário de 0,5 ml/kg por hora, e pressão arterial média acima de 65 mmHg; e grupo SvO2 (n=9), com os objetivos acima referidos, além de SvO2 acima de 65%. As intervenções duraram 12 hs e incluíram Ringer Lactato e norepinefrina (ambos os grupos) e dobutamina (grupo SvO2). A resposta inflamatória foi avaliada pela concentração plasmática de citocinas, expressão de CD14 de neutrófilos, geração de espécies reativas de oxigênio e apoptose. O estresse oxidativo foi avaliado pelas concentrações de nitratos no miocárdio e no plasma, a atividade miocárdica e vascular de NAD(P)H oxidase, conteúdo de glutationa do miocárdio e expressão de nitrotirosina. A reanimação guiada por SvO2 foi associada com melhor índice sistólico, oferta de oxigênio e diurese. A sepse induziu em ambos os grupos um aumento significativo na concentração de IL-6, nas concentrações de nitrato de plasma e diminuição persistente na expressão de CD14 em neutrófilos. A apoptose e a geração de espécies reativas de oxigênio por neutrófilos não foram diferentes entre os grupos. As estratégias de tratamento não alteraram significativamente os parâmetros de estresse oxidativo. Assim, uma abordagem destinada a otimizar a SvO2 durante a sepse melhora a hemodinâmica, porém sem qualquer efeito significativo sobre a resposta inflamatória e estresse oxidativo. Os efeitos benéficos associados a esta estratégia podem estar relacionados a outros mecanismos. / The pathogenetic mechanisms associated to the beneficial effects of mixed venous oxygen saturation (SvO2)-guided resuscitation during sepsis are unclear. Our purpose was to evaluate the effects of an algorithm of SvO2-driven resuscitation including fluids, norepinephrine and dobutamine on hemodynamics, inflammatory response and cardiovascular oxidative stress during a clinically resembling experimental model of septic shock. Eighteen anesthetized and catheterized pigs (35-45 Kg) were submitted to peritonitis by fecal inoculation (0.75 g/Kg). After hypotension, antibiotics were administered, and the animals were randomized to two groups: control (n=9), with hemodynamic support aiming central venous pressure 8 to 12 mmHg, urinary output 0.5 ml/Kg per hour, and mean arterial pressure greater than 65 mmHg; and group SvO2 (n =9), with the goals above, plus SvO2 greater than 65%. The interventions lasted 12 h, and lactated Ringer\'s and norepinephrine (both groups) and dobutamine (SvO2 group) were administered. Inflammatory response was evaluated by plasma concentration of cytokines, neutrophil CD14 expression, oxidant generation, and apoptosis. Oxidative stress was evaluated by plasma and myocardial nitrate concentrations, myocardial and vascular NAD(P)H oxidase activity, myocardial glutathione content, and nitrotyrosine expression. Mixed venous oxygen saturation-driven resuscitation was associated with improved systolic index, oxygen delivery, and diuresis. Sepsis induced in both groups a significant increase on IL-6 concentrations and plasma nitrate concentrations and persistent decrease in neutrophil CD14 expression. Apoptosis rate and neutrophil oxidant generation were not different between groups. Treatment strategies did not significantly modify oxidative stress parameters. Thus, an approach aiming SvO2 during sepsis improves hemoynamics, without any significant effect on inflammatory response and oxidative stress. The beneficial effects associated with this strategy may be related to other mechanisms

L’angiogénèse tumorale correspond à la formation de nouveaux vaisseaux sanguins afin d’alimenter la tumeur et d’amplifier son développement. Cette étape constitue un facteur pronostique défavorable pour les patients et son inhibition représente un fort intérêt thérapeutique. Parmi les acteurs participant à l’angiogénèse tumorale, on retrouve l’enzyme de dégradation héparanase au sein du microenvironnement tumoral de nombreux cancers. Ces travaux de thèse ont pour objectif de développer des inhibiteurs spécifiques de l’héparanase à partir de polysaccharides sulfatés pour le traitement de l’angiogénèse tumorale. La première partie de ces travaux a été consacrée à l’élaboration de polysaccharides sulfatés de bas poids moléculaires issus de sources animales (Héparine, Chrondroïtine sulfate), algales (Fucoïdanes, Carraghénane-λ-ι-κ) ou bactérienne (Dextran sulfate). Nous avons utilisé pour cela un procédé de dépolymérisation radicalaire assisté par ultrasons, développé en 2013 au laboratoire, que nous avons associé à un procédé de modification chimique appelé glycol-split. Les composés produits ont été évalués pour leurs activités d’inhibition de l’héparanase et de la coagulation sanguine. Ce criblage a notamment permis l’identification d’un dérivé de bas poids moléculaire issu de Carraghénane-λ possédant une forte inhibition de l’héparanase pour une faible inhibition de la coagulation. La deuxième partie de ces travaux s’est ensuite concentrée sur l’évaluation du potentiel anti-angiogénique des inhibiteurs de l’héparanase. Dans ce but, nous avons dans un premier temps évalué le rôle de l’hypoxie et/ou le manque de nutriments sur la production d’héparanase par des cellules de cancers mammaires. Dans ces conditions de stress, nous avons observé que la lignée MCF-7 excrétait une forte quantité d’héparanase. L’analyse en Matrigel 3D du réseau angiogénique formé par des cellules microvasculaires HskMEC, en présence du surnageant de MCF-7 riche en héparanase, a montré une forte stimulation de l’angiogénèse. Les mêmes tests réalisés en présence des inhibiteurs de l’héparanase ont montré une inhibition de l’angiogénèse qui semblait corrélée avec l’inhibition de l’héparanase. / Tumor angiogenesis is defined by the spouting of new blood vessels from preexisting ones in order to sustain and amplify the tumor development. This crucial step is associated with poor prognosis for patients and it’s inhibition is therefore considered as a primising way to treat cancer. Among several actors participating in the angiogenesis process, the degradative enzyme heparanase is active in the tumor microenvironment of many cancers. The work presented in this thesis aim to develop specific heparanase inhibitors using sulfated polysaccharides for the treatment of tumor angiogenesis. The first part of this work is dedicated to the conception of low molecular weights sulfated polysaccharides obtainable from animal source (Héparine, Chondroïtine sulfate), algal source (Fucoidan, Carrageenan-λ-ι-κ) and bacterial source (dextran sulfate). To do so, we used a depolymeriation process based on free radicals associated to ultrasonic waves developed in 2013 in the laboratory. This depolymerization method was then coupled with a chemical process called glycol-split. The produced compounds were evaluated for their capacity to inhibit heparanase and blood coagulation. This screening phase lead to the identification of a low molecular weight compound produced from λ-carrageenan endowed with a strong heparanase inhibition power and a low impact on the blood coagulation. The second part of this work was then focused on the evaluation of the anti-angiogenic properties of our best heparanase inhibitors. To do so, we first evaluated the role of hypoxia and lack of nutrients on the heparanase production from breast cancer cell lines. In these higly stressful conditions, we observed that the MCF-7 cell line secreted a huge amount of heparanase. 3D Matrigel angiogenesis network formation using Hsk-MEC microvascular cells in the presence of MCF-7 heparanase rich supernatant showed a strong angiogenesis stimulation. Same tests realized in the presence of heparanase inhibitors showed an angiogenesis inhibition power that seemed correlated with heparanase inhibition.

As peroxirredoxinas constituem uma família de tiol-proteínas, que reduzem peróxido de hidrogênio, peróxidos orgânicos e peroxinitrito a água, álcool e nitrito, respectivamente, utilizando equivalentes redutores fornecidos pela tiorredoxina, tiorredoxina redutase e NADPH. As peroxirredoxinas são enzimas abundantes (constituem aproximadamente 0,7 % do total de proteínas solúveis presentes em leveduras) e foram identificadas em diversas espécies de animais, plantas e bactérias, porém seu papel fisiológico ainda é discutido. Até recentemente, as peroxirredoxinas eram consideradas pouco eficientes para detoxificar peróxidos, em comparação às catalases e heme-peroxidases. De fato, as constantes de segunda ordem determinadas para as reações de peroxirredoxinas com peróxido de hidrogênio eram da ordem de 104-105 M-1 s-1, valores muito menores que os de hemeproteínas (~107 M-1 s-1). Neste trabalho, um método de cinética competitiva foi desenvolvido para re-determinar essas constantes de velocidade, utilizando a peroxidase de raiz forte como competidora das peroxirredoxinas de S. cerevisiae, Tsa1 e Tsa2. Este método foi validado e as constantes de velocidade determinadas para Tsa1 e Tsa2 foram da ordem de k~ 107 M-1 s-1 para a reação com peróxido de hidrogênio e da ordem de k~10105 M-1 s-1 para a reação com peroxinitrito. Utilizando a mesma metodologia, foi possível ainda determinar o pKa da cisteína peroxidásica da Tsa1 e Tsa2 (Cys47), como sendo 5,4 e 6,3, respectivamente. Paralelamente, o papel fisiológico das peroxirredoxinas foi examinado em linhagens de S. cerevisiae com deleção de Tsa1, Tsa2 ou de ambas isoformas. Os estudos foram realizados sob condições fermentativas e a linhagem tsa1Δtsa2Δ se mostrou mais resistente ao peróxido de hidrogênio (1 mM) e o consumiu mais rapidamente que a WT. Além disso, a linhagem tsa1Δtsa2Δ produziu quantidades mais altas do radical 1-hidroxietila, produto da oxidação do etanol, que é o principal metabólito da levedura em anaerobiose. O mecanismo de formação do radical 1-hidroxietila foi examinado e a quantificação da concentração de ferro quelatável, ferro total e cobre mostrou que a reação de Fenton não era sua principal fonte. Outro mecanismo investigado foi a formação do radical através da atividade peroxidásica da Sod1, cuja expressão e atividade se mostraram aumentadas cerca de 5 e 2 vezes, respectivamente, na linhagem tsa1Δtsa2Δ. Na linhagem mutante ainda foi observado que o tratamento com peróxido de hidrogênio aumentou a concentração de radicais derivados e adutos do DNA, detectados por imuno-spin trapping e incorporação de 14C derivado da glicose. Em conjunto, os resultados deste trabalho reforçam a importância das peroxirredoxinas na defesa antioxidante e mostram que as respostas compensatórias empregadas pela levedura para contornar as deleções de Tsa1 e Tsa2 podem ser deletérias longo prazo. / Peroxiredoxins constitute a family of cysteine-based peroxidases that are able to reduce hydrogen peroxide, organic peroxides and peroxinitrite to water, alcohol and nitrite, respectively, through the use of reducing equivalents provided by thioredoxin, thioredoxin reductase and NADPH. Peroxiredoxins are abundant enzymes (correspond to approximately 0.7% of total soluble protein in yeasts) and have been identified in several species ranging from animals, plants and bacteria, but their physiological role remains under scrutiny. Peoxiredoxins were regarded as less eficient enzymes in comparison with catalases and heme-peroxidases for detoxification of peroxides. Second-order rate constants determined for the reaction of peroxiredoxins with hydrogen peroxide were in the range of 104-105 M-1 s-1, which is quite low, as compared with those of heme-proteins (~107 M-1 s-1). In the present work, a competitive kinetic approach with horseradish peroxidase was developed in order to determine the second order rate constant of the reaction of peroxiredoxins with peroxynitrite and hydrogen peroxide. This method was validated and permitted for the determination of the second order rate constant value of the reaction of Tsa1 and Tsa2 with peroxynitrite (k~105 M-1 s-1) and hydrogen peroxide (k~ 107 M-1 s-1) at pH 7.4, 25 °C. It also permitted the determination of the pKa of the peroxidatic cysteine of Tsa1 and Tsa2 (Cys47) as 5.4 and 6.3, respectively. In parallel, the physiological role of peroxiredoxins was examined in S. cerevisiae strains with deletion of Tsa1, Tsa2 or of both isoforms. Under fermentative conditions, tsa1Δtsa2Δ cells were more resistant to 1 mM hydrogen peroxide than WT cells, and consumed it faster. In addition, tsa1tsa2 cells produced higher yields of the 1- hydroxyethyl radical from the oxidation of the glucose metabolite ethanol, as shown by spintrapping experiments. A major role for Fenton chemistry in radical formation was excluded by comparing WT and tsa1Δtsa2Δ cells with respect to their levels of chelatable iron ions, total iron and copper ions, and of 1-hydroxyethyl radical produced in the presence of metal ion chelators. The main route for 1-hydroxyethyl radical formation was ascribed to the peroxidase activity of Sod1, whose expression and activity increased about five- and twofold, respectively, in tsa1Δtsa2Δ compared to WT cells. Relevantly, tsa1Δtsa2Δ cells challenged with hydrogen peroxide contained higher levels of DNA-derived radicals and adducts as monitored by immuno-spin trapping and incorporation of 14C from glucose into DNA, respectively. Taken together, our results reinforce the importance of peroxiredoxins in the antioxidant defense show that the compensatory responses employed by yeast to counterbalance the deletions of Tsa1 and Tsa2 may be deleterious in the long time range.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The endothelium is a single layer of cells lining the arteries and is involved in many physiological reactions which are responsible for vascular tone. Free radicals are important participants in these chemical reactions in the endothelium. Here we quantify free radicals, ex vivo, in biological tissue with continuous wave electron paramagnetic resonance (EPR). In all of the experiments in this thesis, we use a novel EPR spin trapping technique that has been developed for tissue segments. EPR spin trapping is often considered the ‘gold standard’ in reactive oxygen species (ROS) detection because of its sensitivity and non-invasive nature. In all experiments, tissue was placed in physiological saline solution with 190-mM PBN (N-tert-butyl-α-phenylnitrone), 10% by volume dimethyl-sulphoxide (DMSO) for cryopreservation, and incubated in the dark for between 30 minutes up to 2 hours at 37°C while gently being stirred. Tissue and supernatant were then loaded into a syringe and frozen at -80°C until EPR analysis. In our experiments, the EPR spectra were normalized with respect to tissue volume. Conducting experiments at liquid nitrogen temperature leads to some experimental advantages. The freezing of the spin adducts renders them stable over a longer period, which allows ample time to analyze tissue samples for ROS. The dielectric constant of ice is greatly reduced over its liquid counterpart; this property of water enables larger sample volumes to be inserted into the EPR cavity without overloading it and leads to enhanced signal detection. Due to Maxwell-Boltzmann statistics, the population difference goes up as the temperature goes down, so this phenomenon enhances the signal intensity as well. With the ‘gold standard’ assertion in mind, we investigated whether slicing tissue to assay ROS that is commonly used in fluorescence experiments will show more free radical generation than tissue of a similar volume that remains unsliced. Sliced tissue exhibited a 76% increase in ROS generation; this implies that higher ROS concentrations in sliced tissue indicate extraneous ROS generation not associated with the ROS stimulus of interest. We also investigated the role of ROS in chronic flow overload (CFO). Elevation of shear stress that increases production of vascular ROS has not been well investigated. We hypothesize that CFO increases ROS production mediated in part by NADPH oxidase, which leads to endothelial dysfunction. ROS production increased threefold in response to CFO. The endothelium dependent vasorelaxation was compromised in the CFO group. Treatment with apocynin significantly reduced ROS production in the vessel wall, preserved endothelial function, and inhibited expressions of p22/p47phox and NOX2/NOX4. The present data implicate NADPH oxidase produced ROS and eNOS uncoupling in endothelial dysfunction at 1 wk of CFO. In further work, a swine right ventricular hypertrophy (RVH) model induced by pulmonary artery (PA) banding was used to study right coronary artery (RCA) endothelial function and ROS level. Endothelial function was compromised in RCA of RVH as attributed to insufficient endothelial nitric oxide synthase cofactor tetrahydrobiopterin. In conclusion, stretch due to outward remodeling of RCA during RVH (at constant wall shear stress), similar to vessel stretch in hypertension, appears to induce ROS elevation, endothelial dysfunction, and an increase in basal tone. Finally, although hypertension-induced vascular stiffness and dysfunction are well established in patients and animal models, we hypothesize that stretch or distension due to hypertension and outward expansion is the cause of endothelial dysfunction mediated by angiotensin II type 1 (AT1) receptor in coronary arteries. The expression and activation of AT1 receptor and the production of ROS were up regulated and endothelial function deteriorated in the RCA. The acute inhibition of AT1 receptor and NADPH oxidase partially restored the endothelial function. Stretch or distension activates the AT1 receptor which mediates ROS production; this collectively leads to endothelial dysfunction in coronary arteries.