Artificial smell sensor systems in the diagnostics of neurodegenerative diseases

Нейродегенеративные заболевания представляют собой группу заболеваний нервной системы, которые характеризуются многолетней латентной стадией, многообразностью проявлений, связанных с неоднородностью симптомов, различной агрессивностью течения и прогрессирующей гибелью нейронов. Нейродегенеративные заболевания в основном диагностируются на основании клинических данных и дорогостоящих инвазивных и неинвазивных методов визуализации. Определенного лабораторного теста для диагностики нейродегенеративных заболеваний не существует. Выдыхаемый воздух является секрецией организма, и процесс его отбора прост и экономичен. Анализ выдыхаемого газа предлагает недорогой, неинвазивный метод для выявления большого количества заболеваний, в том числе нейродегенеративных. Молекулярные профили легколетучих органических соединений выдыхаемого воздуха для диагностики ряда нейродегенеративных заболеваний можно получить, анализируя дыхание человека с помощью «электронного носа». Идентификация легколетучих органических соединений и применение их в качестве специфичных биомаркеров нейродегенеративных заболеваний для получения точной, воспроизводимой и быстрой диагностики может служить альтернативой традиционным инвазивным методам. Обзор посвящен проблемам и достижениям последнего десятилетия (2014-2023 гг.) в сфере применения технологии «электронный нос» для определения и идентификации потенциальных легколетучих органических соединений нейродегенеративных процессов. В обзоре представлены исследования по обнаружению потенциальных летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе пациентов с болезнями Альцгеймера, Паркинсона, рассеянного склероза, бокового амиотрофического склероза с помощью «электронного носа», газовой хроматографии-масс-спектрометрии. Обсуждаются тенденции развития и применения технологии «электронный нос» для оказания медицинской помощи, способной выполнять точные чувствительные определения ключевых летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе.Neurodegenerative diseases are a group of diseases of the nervous system that are characterized by a long-term latent stage, a variety of manifestations associated with heterogeneity of symptoms, different aggressiveness of the course, and progressive death of neurons. Neurodegenerative diseases are mainly diagnosed on the basis of clinical data and expensive invasive and non-invasive imaging techniques. There is no specific laboratory test for diagnosing neurodegenerative diseases. Exhaled air is the secretion of the body, and the process of its selection is simple and economical. Exhaled gas analysis offers an inexpensive, non-invasive method for detecting a wide range of diseases, including neurodegenerative ones. Molecular profiles of volatile organic compounds in exhaled air for the diagnosis of a number of neurodegenerative diseases can be obtained by analyzing human breath using an “electronic nose”. Identification of volatile organic compounds and their use as specific biomarkers of neurodegenerative diseases for obtaining accurate, reproducible and rapid diagnostics can serve as an alternative to traditional invasive methods. The review is devoted to the problems and achievements of the last decade (2014–2023) in the field of application of the "electronic nose" technology for determination and identification of potential highly volatile organic compounds of neurodegenerative processes. The review presents studies on the detection of potential volatile organic compounds in the exhaled air of patients with Alzheimer's disease, Parkinson's disease, multiple sclerosis, and amyotrophic lateral sclerosis using “electronic nose”, gas chromatography-mass spectrometry. Trends in the development and the use of "electronic nose" technology to provide medical care capable of performing accurate, sensitive determinations of key volatile organic compounds in the exhaled air are discussed

Understanding the role of auxins and oxidative enzymes on adventitious root formation in olive (olea europaea L.) cultivars

Olive (Olea europaea L.), one of the main crops in the Mediterranean basin, is mainly propagated by cuttings, a classical propagation method that relies on the ability of the cuttings to form adventitious roots. While some cultivars are easily propagated by this technique, some of the most interesting olive cultivars are considered difficult-to-root which poses a challenge for their preservation and commercialization. Therefore, increasing the current knowledge on adventitious root formation is extremely important for species like olive. This research focuses on evaluating the role of free auxins and oxidative enzymes on adventitious root formation of two olive cultivars with different rooting ability - ‘Galega vulgar’ (difficult-to-root) and ‘Cobrançosa’ (easy-to-root). In this context, free auxin levels and enzyme activities were determined in in vitro-cultured ‘Galega vulgar’ microshoots and in semi-hardwood cuttings of cvs. ‘Galega vulgar’ and ‘Cobrançosa’. To attain this goal, an analytical method for the quantification of free indole-3-acetic acid (IAA) and indole-3-butyric acid (IBA) was developed, which is based on dispersive liquid-liquid microextraction followed by microwave derivatization (DLLME-MAD) and gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) analysis. The developed method was validated in terms of linearity, recovery, limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) and proved to be useful in the analysis of two very different types of plant tissues. The results from auxin quantification in olive samples point at a relationship between free auxin levels and rooting ability of both microshoots and semihardwood cuttings. A defective IBA-IAA conversion, resulting in a peak of free IAA during initiation phase, seems to be associated with low rooting ability. Likewise, differences in the activity of oxidative enzymes also appear to be related with rooting ability. Higher polyphenol oxidases (PPO) activity is likely related with an easyto- root behavior, while the opposite is true for peroxidases (POX) (including IAA oxidase (IAAox)) activity. A possible hypothesis for adventitious root formation in olive microcuttings is presented herein for the first time. Free auxins, oxidative enzymes, alternative oxidase (AOX) and reactive oxygen species (ROS) are some of the factors that may be involved in this highly complex physiological process. Interestingly, while temporal changes in auxin levels were similar between microshoots and semihardwood cuttings, the conclusions obtained from enzyme activity results in microshoots didn’t translate to semi-hardwood tissues, showing the emerging need for adaptation of classical agronomical research studies to modern techniques; Resumo: Procurando compreender o papel das auxinas e enzimas oxidativas na formação de raízes adventícias em cultivares de oliveira (Olea europaea L.) A oliveira (Olea europaea L.) é uma das principais culturas da bacia Mediterrânica e é propagada maioritariamente por estacaria, um processo altamente dependente da capacidade das estacas para formar raízes adventícias. Enquanto algumas cultivares são fáceis de propagar desta forma, algumas das cultivares de oliveira mais interessantes são consideradas difíceis de enraizar, o que dificulta a sua preservação e comercialização e torna extremamente importante aprofundar o conhecimento sobre o enraizamento adventício desta espécie. Este trabalho foca-se na avaliação do papel das auxinas livres e das enzimas oxidativas na formação de raízes adventícias em duas cultivares de oliveira com diferente capacidade de enraizamento - ‘Galega vulgar’ (difícil de enraizar) e ‘Cobrançosa’ (fácil de enraizar). Neste contexto, determinaram-se os níveis de auxinas livres e as actividades de enzimas oxidativas em microestacas de ‘Galega vulgar’ cultivadas in vitro bem como em estacas semi-lenhosas das cvs. ‘Galega vulgar’ e ‘Cobrançosa’. Para tal foi necessário desenvolver uma metodologia analítica para a quantificação de ácido indol-3-acético (IAA) e ácido indol-3-butírico (IBA), baseada em microextracção dispersiva líquido-líquido (DLLME) seguida de derivatização em microondas (MAD) e análise por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa (GC/MS). O método desenvolvido foi validado em termos de linearidade, recuperação, limite de detecção (LOD) e limite de quantificação (LOQ), e mostrou-se eficaz na análise de dois tipos de tecidos vegetais bastante diferentes. Os resultados da análise de auxinas em amostras de oliveira apontam para uma possível relação entre os níveis de auxinas livres e a capacidade de enraizamento, tanto em microestacas como em estacas semi-lenhosas. Uma conversão IBA-IAA deficiente, que resulta num pico de IAA durante a fase de iniciação, parece estar associada à baixa capacidade de enraizamento. Por outro lado, a capacidade de enraizamento também parece estar relacionada com diferenças na actividade de enzimas oxidativas. Comportamentos fáceis de enraizar estão associados a actividade mais elevada das polifenoloxidases (PPO), enquanto o oposto é verdade para a actividade das peroxidases (POX) (incluindo a IAA oxidase (IAAox)). Neste trabalho propõe-se pela primeira vez uma possível explicação para o enraizamento adventício em microestacas de oliveira. Auxinas livres, enzimas oxidativas, oxidase alternativa (AOX) e espécies reactivas de oxigénio (ROS) são alguns dos factores envolvidos neste processo fisiológico altamente complexo. Curiosamente, enquanto as alterações temporais nos níveis de auxinas foram semelhantes entre microestacas e estacas semi-lenhosas, o mesmo não se observou relativamente à actividade enzimática, o que mostra a necessidade de adaptação dos estudos agronómicos tradicionais às técnicas correntes

Investigation of Volatile Organic Compounds (VOCs) released as a result of spoilage in whole broccoli, carrots, onions and potatoes with HS-SPME and GC-MS

Vegetable spoilage renders a product undesirable due to changes in sensory characteristics. The aim of this study was to investigate the change in the fingerprint of VOC composition that occur as a result of spoilage in broccoli, carrots, onions and potatoes. SPME and GC-MS techniques were used to identify and determine the relative abundance of VOC associated with both fresh and spoilt vegetables. Although a number of similar compounds were detected in varying quantities in the headspace of fresh and spoilt samples, certain compounds which were detected in the headspace of spoilt vegetables were however absent in fresh samples. Analysis of the headspace of fresh vegetables indicated the presence of a variety of alkanes, alkenes and terpenes. Among VOCs identified in the spoilt samples were dimethyl disulphide and dimethyl sulphide in broccoli; Ethyl propanoate and Butyl acetate in carrots; 1-Propanethioland 2-Hexyl-5-methyl-3(2H)-furanone in onions; and 2, 3-Butanediol in potatoes. The overall results of this study indicate the presence of VOCs that can serve as potential biomarkers for early detection of quality deterioration and in turn enhance operational and quality control decisions in the vegetable industry

Desarrollo y aplicación de nuevas herramientas (bio)analíticas para el control de la seguridad de los productos cosméticos y de cuidado personal

En los últimos años, el uso ampliamente generalizado de los productos cosméticos y de cuidado personal ha suscitado una creciente preocupación social acerca de los efectos secundarios que ciertos ingredientes pueden causar en la salud humana. Entre los grupos de ingredientes de cosméticos más destacados se encuentran los conservantes y las fragancias alergénicas, objeto de estudio en esta tesis doctoral La adición de conservantes se considera necesaria debido a los riesgos para el consumidor asociados al desarrollo microbiano en el producto cosmético. Por su parte, las fragancias son constituyentes de los perfumes y se encuentran en un gran número de productos cosméticos con la finalizad de provocar sensaciones agradables al consumidor. Sin embargo, estas sustancias están consideradas entre los ingredientes que con más frecuencia causan alergias y dermatitis de contacto, y su presencia se ha relacionado, en algunos casos, con efectos mucho más importantes como actividad estrogénica e incluso carcinogénica. Las empresas fabricantes de cosméticos están obligadas a asegurar la inocuidad de sus productos comerciales y de sus ingredientes bajo condiciones razonables de uso, y a realizar un correcto etiquetado de los mismos según la legislación vigente. Sin embargo el número de ingredientes a controlar es enorme, la naturaleza química de estas sustancias es muy diversa, y las matrices que las contienen son muy complejas; todo lo cual conlleva dificultades analíticas de alcance para el control adecuado de estos productos. La presente tesis doctoral surge con el objetivo de proporcionar herramientas analíticas para solventar los inconvenientes debidos a la complejidad de la muestra, y permitir abordar nuevas necesidades en el control de la seguridad de los productos cosméticos, tales como: i. Determinación multicomponente de conservantes y fragancias alergénicas ii. Evaluación de la presencia de los ingredientes objeto de estudio en muestras reales, y el grado de cumplimiento de la legislación vigente mediante estudios de mercado. iii. Exploración de nuevos métodos de detección rápida de contaminación microbiológica. iv. Investigación de los procesos de transformación fotoquímicos (mediados por luz UV) de conservantes seleccionados, e identificación de posibles subproductos de fototransformación potencialmente tóxicos para el consumidor. Para ello se propone nueva metodología eficiente, selectiva y sensible, basada en técnicas avanzadas de extracción, como la dispersión de matriz en fase sólida (MSPD), la microextracción en fase sólida (SPME), y la extracción con líquidos presurizados (PLE). Dichas técnicas, en combinación con métodos cromatográficos de alta resolución (HPLC y GC) acoplados con detectores selectivos, basados en espectrometría de masas (MS) o espectrometría de masas en tándem (MS/MS), han permitido la determinación de especies de diversa naturaleza química en una gran variedad de muestras cosméticas de gran complejidad

Desarrollo y evaluación de metodologías de microextracción para el análisis de volúmenes pequeños de muestra

El empleo de técnicas de microextracción ha permitido el desarrollo de métodos analíticos de elevada sensibilidad. Además, ha conseguido reducir el empleo de disolventes orgánicos y otros compuestos tóxicos, permitiendo así trabajar acorde con los principios de la denominada Química Analítica ‘Verde’ en general (Green Analytical Chemistry, GAC) y, en particular, en la etapa de preparación de la muestra (Green Sample Preparation, GSP). No obstante, la miniaturización de estas técnicas, en ocasiones, descuida la miniaturización del volumen de muestra, a pesar de las múltiples ventajas que esta aporta, como son la reducción, todavía mayor, de volúmenes de disolvente, cantidad de sorbente y de residuos. Sin olvidar la limitación que, a veces, se tiene cuando se lleva a cabo el análisis de fluidos biológicos, ya sea por la naturaleza de la muestra, o por el paciente sometido a estudio. Por ello, el objetivo de esta tesis es el estudio de estos beneficios, no solo en relación a la etapa de preparación de muestra, sino también en el muestreo, donde al utilizar un menor volumen de muestra, este será menos invasivo; y la síntesis del sorbente, ya que se disminuirá la cantidad de sorbente a utilizar, permitiendo con una misma síntesis realizar más análisis. Para ello, se han desarrollado y evaluado métodos analíticos que hacen uso de técnicas de microextracción desarrolladas por el grupo de investigación presente en el contexto de esta Tesis Doctoral, reduciéndose cada vez más el volumen de muestra necesario. Estos métodos han sido evaluados y comparados desde el punto de vista de sostenibilidad y seguridad para el operador. La tesis se ha dividido en 4 secciones que engloban un total de 7 capítulos En la Sección 1 se incluye un capítulo de introducción (Capítulo 1) en el que se da una visión general de las técnicas de microextracción, tanto basadas en sorbentes como en disolventes, estudiando sus ventajas e inconvenientes y la evolución de las mismas para su acercamiento a los principios de la GSP y la GAC. Además, se estudia la adaptación de las técnicas de microextracción para su empleo con volúmenes de muestra reducidos y los beneficios que ello aporta. En la Sección 2 se incluyen los Capítulos 2, 3 y 4 en los que se desarrollan y aplican métodos analíticos en los que el volumen de muestra analizado es relativamente elevado (en torno a los 20 mL). En concreto, en el Capítulo 2, se muestra la determinación de trifenilfosfato y difenilfosfato en muestras de orina utilizando la microextracción en fase sólida dispersiva sobre barra agitadora (Stir Bar Sorptive Dispersive Microextraction, SBSDME). En el Capítulo 3 se aplica la SBSDME para la determinación de almizcles en muestras medioambientales. En el Capítulo 4 se presenta un nuevo ferrofluido basado en un disolvente eutéctico profundo de baja toxicidad compuesto por mentol y timol para la determinación de trazas de filtros UV en aguas medioambientales, derivadas del uso de productos cosméticos para la protección solar. La Sección 3 se compone de los Capítulos 5 y 6, en los que se proponen métodos diseñados específicamente para el trabajo con volúmenes bajos de muestra (en torno a 500 μL). En concreto, en el Capítulo 5, se muestra una modificación de la extracción en fase sólida dispersiva asistida por disolvente (Solvent Assisted Dispersive Solid Phase Extraction, SA-DSPE) para la determinación de cortisol y cortisona en muestras de saliva. En el Capítulo 6 se presenta la técnica microextracción en punta de pipeta basada en sorbentes magnéticos (Magnetic-based Pipette Tip Microextraction, M-PTME) mostrando la determinación de testosterona en muestras de saliva como prueba de concepto. La Sección 4 la compone únicamente el Capítulo 7, en el que se emplea una versión miniaturizada de la técnica introducida en el Capítulo 6 donde se lleva a cabo la determinación de cortisol en suero y orina de recién nacidos prematuros como prueba de concepto. Por último, se muestran las conclusiones de la presente Tesis Doctoral y se incluyen los artículos publicados que dieron lugar

Multifrequency atomic force microscopy for the in-plane and out-of-plane nanomechanical characterization of graphitic surfaces

Graphene is considered as one of the most promising materials for numerous applications such as electronics, photonics, membranes, sensors, heat dissipators, lubricants and many more [1, 2]. In addition to its outstanding electronic properties, in particular, the extraordinary mechanical properties of graphene have become the focus of scientific attention. For example, it has been shown that defect-free graphene has an enormously high Young’s modulus of about 1 TPa [3]. However, little research has been done on the local influence of defects on the nanomechanical properties of graphene. Several challenges come to mind as possible reasons, such as (i) imaging graphene with atomic resolution, (ii) simultaneous analysis of sample properties parallel and perpendicular to the sample plane, (iii) preparation of adsorbate-free graphene samples, and (iv) targeted introduction of defects. To overcome the aforementioned challenges, first, an atomic force microscopy-based method was developed within this work that enables imaging of graphene in air under ambient conditions with atomic resolution. In addition, the method was designed to allow quantification of interaction forces, both, perpendicular and parallel to the graphene surface. This is particularly important to access the complete set of elastic constants of graphene. An important finding of this work is that different adsorbate types could be observed on the graphene surface shortly after the preparation of graphene samples. Therefore, a detailed analysis of the adsorbates was performed using the developed multifrequency atomic force microscopy method. Furthermore, the extent to which oxygen-plasma treatment can be used to remove adsorbates from a graphene sample stored under laboratory air conditions was examined. Adsorbate removal is a basic requirement for the targeted introduction of defects, as well as for the investigation of their influence on the local nanomechanical properties. The effect of oxygen-plasma treatment on different graphene-/graphite-samples was additionally investigated by Raman spectroscopy