Controlled Production and Degradation of Selected Biomaterials

Předložená disertační práce se zabývá studiem produkce a degradace polymerních materiálů s využitím mikroorganismů. Hlavní pozornost je upřena ke studiu produkce polyesterů bakteriálního původu - polyhydroxyalkanoátů. Tyto materiály jsou akumulovány celou řadou bakterií jako zásobní zdroj uhlíku, energie a redukční síly. Díky svým mechanickým vlastnostem, kterými silně připomínají tradiční syntetické polymery jako jsou polyetylén nebo polypropylén, a také díky své snadné odbouratelnosti v přírodním prostředí, jsou polyhydroxyalkanoáty považovány za ekologickou alternativu k tradičním plastům vyráběným z ropy. Polyhydroxyalkanoáty mají potenciál najít řadu aplikací v průmyslu, zemědělství ale také v medicíně. Významná část předložené práce je zaměřena na produkci polyhydroxyalkanoátů z odpadních substrátů pocházejících především z potravinářských výrob. Testována byla odpadní syrovátka nebo odpadní oleje z různých zdrojů. Právě využití levných odpadních substrátů je strategií, která by mohla přispět ke snížení ceny polyhydroxyalkanoátů a tím usnadnit jejich masové rozšíření. Podle výsledků dosažených v této práci jsou právě odpadní olejové substráty velice perspektivní cestou k ekonomicky rentabilní biotechnologické produkci polyhydroxyalkanoátů. Další část předložené práce se zabývá studiu spojení metabolické role polyhydroxyalkanoátů a stresové odpovědi bakterií. V této práci bylo zjištěno, že expozice bakteriální kultury řízené dávce etanolu nebo peroxidu vodíku významně navýší dosažené výtěžky a to o přibližně 30 %. Po aplikaci výše zmíněných stresových faktorů došlo k aktivaci metabolických drah vedoucí k odbourání stresového faktoru z média. Výsledkem bylo navýšení poměru NAD(P)H/NAD(P)+, což vedlo k částečné inhibici Krebsova cyklu a naopak aktivaci biosyntetické dráhy polyhydroxyalkanoátů. Mimoto došlo k významnému navýšení molekulové hmotnosti výsledných materiálů. Podle těchto výsledků se regulovaná aplikace vhodně zvolených stresových podmínek zdá být zajímavou strategií, která vede nejen k navýšení celkových výtěžků, ale také významnému zlepšení vlastností polymeru. Poslední část disertační práce se zabývala studiem procesu biodegradace polyuretanových materiálů. Polyuretanové eleastomery byly modifikovány rozličnými biopolymery za účelem navýšení jejich biodegradability. Tyto materiály byly posléze vystaveny působení směsné termofilní kultury jako modelového systému, který simuluje přirozené konsorcium bakterií. Přítomnost testovaných materiálů v kultivačním médiu vedla k neobvyklým růstovým charakteristikám bakteriální kultury. V průběhu prvních několika dní byl růst kultury silně inhibován, nicméně po překonání této neobvykle dlouhé lag-fáze došlo k intenzivnímu nárůstu kultury. Hlavní podíl na hmotnostním úbytku testovaných materiálů během experimentů měl samovolný rozpad materiálů, nicméně byl pozorován i vliv bakteriální kultury, kdy míra biotické degradace závisela na použitém modifikačním činidle. Nejvyšší míra biotické degradace byla pozorována u polyuretanového materiálu modifikovaného acetylovanou celulózou. Lag-fáze byla způsobena uvolněním nezreagovaného katalyzátoru (dibutylcínlaurát) a polyolu do kultivačního média. Bakteriální kultura se však po čase dokázala na přítomnost toxických látek v médiu adaptovat nebo je dokázala eliminovat.Proposed dissertation thesis is aimed at the study of production and degradation of polymeric materials using microorganisms. The main attention is given to polyesters of bacterial origin - polyhydroxyalkanoates. These materials are accumulated by a wide variety of bacterial strains which use polyhydroxyalkanoates as a storage of carbon, energy and reducing power. Thanks to their mechanical properties, that are similar to those of traditional synthetic plastics such as polyethelene or polypropylene, and thanks to their biodegradability, polyhydroxyalkanoates are considered to be environmental-friendly alternative to traditional plastics of petrochemical origin. Thus, polyhydroxyalkanoates have many potential applications in industry, agriculture as well as in medicine. Important part of this thesis is focused on production of polyhydroxyalknotes from waste substrates coming from food industry. Among tested substrates was waste cheese whey or waste plant edible oils of different origin. Utilization of cheap waste substrates for polyhydroxyalkanoates production could facilitate economically feasible process of large scale production of polyhydroxyalkanoates. According to the results presented in this thesis, waste oils are very promising substrates for biotechnological production of polyhydroxyalkanoates. Next part of the thesis deals with involvement of polyhydroxyalkanoates into stress response of bacteria. It was observed, that exposition of bacterial culture to controlled dose of ethanol or hydrogen peroxide resulted in significantly enhanced yields (abut 30 %). After stress factors application, particular metabolic pathways involved in stress response were activated in order to endure stress conditions. Subsequently, NAD(P)H/NAD(P)+ ratio increased and, thus, Krebs cycle was partially inhibited whereas polyhydroxyalkanoates synthetic pathway was activated. Moreover, application of stress factors increased molecular weights of polymers. Therefore, strategy based on application of controlled dose of stress not only enhanced polymer yields, but, moreover, improved properties of materials. The last part of thesis describes the investigation of biodegradation of polyurethane elastomeric films modified by various biopolymers in presence of mixed thermophillic culture as a model of natural bacterial consortium. The presence of materials in cultivation medium resulted in delayed but intensive growth of bacterial culture. The unusually long lag-phase was caused by release of un-reacted polyether polyol and tin catalyst from materials. The main part of material degradation was caused by abiotic degradation of elastomeric films, nevertheless, also bacterial culture slightly contributed to material decomposition. The measure of biotic degradation strongly depended on type of used modification agent. The highest tendency to undergo biotic degradation was observed for elastomeric film modified by acetylated cellulose.

Poly-controlled partial evaluation and its application to resource-aware program specialization

La Evaluación Parcial es una técnica automática para la optimización de programas. Su objetivo principal es el de especializar un programa con respecto a parte de sus datos de entrada, los que se conocen como datos estáticos. La calidad del código generado por la evaluación parcial de programas lógicos depende, en gran medida, de la estrategia de control que se haya empleado. Desafortunadamente, aún estamos lejos de contar con una estrategia de control suficientemente sofisticada como para comportarse de manera óptima para cualquier programa. La principal contribución de esta tesis es el desarrollo de la Evaluación Parcial Policontrolada, un novedoso entorno para la evaluación parcial de programas lógicos, el cual es policontrolado en el sentido de que puede tomar en cuenta conjuntos de reglas de control global y local, en lugar de emplear una única combinación predeterminada (como es el caso de la evaluación parcial tradicional). Este entorno es más flexible que los enfoques existentes, ya que permite asignar diferentes reglas de control local y global a diferentes patrones de llamada. De este modo, es posible obtener programas especializados que no pueden ser generados usando evaluación parcial tradicional. En consecuencia, el entorno de evaluación parcial policontrolada puede generar conjuntos de programas especializados, en lugar de un único programa. A través de técnicas auto-ajustables, es posible hacer que este enfoque sea completamente automático. Dichas técnicas permiten medir la calidad de los diferentes programas especializados obtenidos. Este entorno es consciente de los recursos, en el sentido de que cada una de las soluciones obtenidas a través de la evaluación parcial policontrolada es valorada utilizando funciones de adecuación, las que pueden tener en cuenta factores tales como el tamaño de los programas especializados, o la cantidad de memoria que consumen, además de la velocidad del programa especializado que es el factor habitualmente considerado en otros entornos de evaluación parcial. Este entorno de evaluación parcial policontrolada ha sido implementado en el sistema CiaoPP, y evaluado con numerosos programas de prueba. Los resultados experimentales muestran que nuestra propuesta obtiene en muchos casos mejores especializaciones que aquellas generadas usando la evaluación parcial tradicional, especialmente cuando la especialización es consciente de los recursos. Otra de las principales contribuciones de esta tesis es la presentación de una visión unificada del problema de eliminar la polivarianza superflua en la evaluación parcial y en la especialización abstracta múltiple, a través del uso de un paso de minimización, el cual agrupa versiones equivalentes de predicados. Este paso se puede aplicar en la especialización de cualquier programa Prolog, inclusive aquellos que contienen llamadas a predicados predefinidos o predicados externos. Además, ofrecemos la posibilidad de agrupar versiones que no sean estrictamente equivalentes, con el propósito de obtener programas más pequeños

Scalable and Secure Aggregation in Distributed Networks

We consider the problem of computing an aggregation function in a \emph{secure} and \emph{scalable} way. Whereas previous distributed solutions with similar security guarantees have a communication cost of $O(n^3)$, we present a distributed protocol that requires only a communication complexity of $O(n\log^3 n)$, which we prove is near-optimal. Our protocol ensures perfect security against a computationally-bounded adversary, tolerates $(1/2-\epsilon)n$ malicious nodes for any constant $1/2 > \epsilon > 0$ (not depending on $n$), and outputs the exact value of the aggregated function with high probability

Poly(2-oxazolines) in biological and biomedical application contexts.

Polyoxazolines of various architectures and chemical functionalities can be prepared in a living and therefore controlled manner via cationic ring-opening polymerisation. They have found widespread applications, ranging from coatings to pigment dispersants. Furthermore, several polyoxazolines are water-soluble or amphiphilic and relatively non-toxic, which makes them interesting as biomaterials. This paper reviews the development of polyoxazoline-based polymers in biological and biomedical application contexts since the beginning of the millennium. This includes nanoscalar systems such as membranes and nanoparticles, drug and gene delivery applications, as well as stimuli-responsive systems

Rucaparib maintenance treatment for recurrent ovarian carcinoma after response to platinum therapy (ARIEL3): a randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 3 trial

Background: Rucaparib, a poly(ADP-ribose) polymerase inhibitor, has anticancer activity in recurrent ovarian carcinoma harbouring a BRCA mutation or high percentage of genome-wide loss of heterozygosity. In this trial we assessed rucaparib versus placebo after response to second-line or later platinum-based chemotherapy in patients with high-grade, recurrent, platinum-sensitive ovarian carcinoma. Methods: In this randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 3 trial, we recruited patients from 87 hospitals and cancer centres across 11 countries. Eligible patients were aged 18 years or older, had a platinum-sensitive, high-grade serous or endometrioid ovarian, primary peritoneal, or fallopian tube carcinoma, had received at least two previous platinum-based chemotherapy regimens, had achieved complete or partial response to their last platinum-based regimen, had a cancer antigen 125 concentration of less than the upper limit of normal, had a performance status of 0–1, and had adequate organ function. Patients were ineligible if they had symptomatic or untreated central nervous system metastases, had received anticancer therapy 14 days or fewer before starting the study, or had received previous treatment with a poly(ADP-ribose) polymerase inhibitor. We randomly allocated patients 2:1 to receive oral rucaparib 600 mg twice daily or placebo in 28 day cycles using a computer-generated sequence (block size of six, stratified by homologous recombination repair gene mutation status, progression-free interval after the penultimate platinum-based regimen, and best response to the most recent platinum-based regimen). Patients, investigators, site staff, assessors, and the funder were masked to assignments. The primary outcome was investigator-assessed progression-free survival evaluated with use of an ordered step-down procedure for three nested cohorts: patients with BRCA mutations (carcinoma associated with deleterious germline or somatic BRCA mutations), patients with homologous recombination deficiencies (BRCA mutant or BRCA wild-type and high loss of heterozygosity), and the intention-to-treat population, assessed at screening and every 12 weeks thereafter. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT01968213; enrolment is complete. Findings: Between April 7, 2014, and July 19, 2016, we randomly allocated 564 patients: 375 (66%) to rucaparib and 189 (34%) to placebo. Median progression-free survival in patients with a BRCA-mutant carcinoma was 16·6 months (95% CI 13·4–22·9; 130 [35%] patients) in the rucaparib group versus 5·4 months (3·4–6·7; 66 [35%] patients) in the placebo group (hazard ratio 0·23 [95% CI 0·16–0·34]; p<0·0001). In patients with a homologous recombination deficient carcinoma (236 [63%] vs 118 [62%]), it was 13·6 months (10·9–16·2) versus 5·4 months (5·1–5·6; 0·32 [0·24–0·42]; p<0·0001). In the intention-to-treat population, it was 10·8 months (8·3–11·4) versus 5·4 months (5·3–5·5; 0·36 [0·30–0·45]; p<0·0001). Treatment-emergent adverse events of grade 3 or higher in the safety population (372 [99%] patients in the rucaparib group vs 189 [100%] in the placebo group) were reported in 209 (56%) patients in the rucaparib group versus 28 (15%) in the placebo group, the most common of which were anaemia or decreased haemoglobin concentration (70 [19%] vs one [1%]) and increased alanine or aspartate aminotransferase concentration (39 [10%] vs none). Interpretation: Across all primary analysis groups, rucaparib significantly improved progression-free survival in patients with platinum-sensitive ovarian cancer who had achieved a response to platinum-based chemotherapy. ARIEL3 provides further evidence that use of a poly(ADP-ribose) polymerase inhibitor in the maintenance treatment setting versus placebo could be considered a new standard of care for women with platinum-sensitive ovarian cancer following a complete or partial response to second-line or later platinum-based chemotherapy. Funding: Clovis Oncology

Novel hydrogels based on polysaccharides for soft tissue regeneration: preparation and characterization

Předložená diplomová práce se zabývá přípravou, síťováním a fyzikálně-chemickou charakterizací hydrogelů na bázi polysacharidů. Cílem práce bylo vyvinout elastické filmy, které by mohly být použity pro vlhké hojení ran. Teoretická část shrnuje současné způsoby regenerace měkkých tkání a jejích náhradách (ať už se jedná o přírodní nebo syntetické materiály). Zároveň jsou zdůrazněny základní informace o přírodních polysacharidech (chemická struktura, rozpustnost, tepelná a pH stabilita atd.), jejich modifikace a chemické síťování. Experimentální část je zaměřena na modifikaci přírodní gumy Karaya tak, aby transparentní hydrogely měly nastavitelnou hydrolytickou stabilitu. Vzorky byly analyzovány pomocí FTIR, TGA následované vyhodnocením bobtnání a hydrolytické degradace. Z výsledků vyplynulo, že chemická modifikace zvýšila stabilizaci elastického filmu z přírodního polysacharidu ve vodě až na 25 dní. Díky řízené degradaci a vysoké absorpci vody (85 - 96%) jsou tyto nové hydrogely využitelné především pro vlhké hojení ran (např. popálenin).Presented diploma thesis deals with preparation, crosslinking and physico-chemical characterization of natural polysaccharide-based hydrogels. The aim of the work was to evolve elastic thin films with potential application for moist wound healing. The theoretical part summarizes the state-of-art about regeneration of soft tissues and their substitutes (synthetic or nature). There are pointed out the basic information about natural polysaccharide gums (chemical structure, solubility, heat and pH stability etc.), its modification and chemical crosslinking. The experimental part is focused on the modification of natural gum Karaya in order to make transparent hydrogels with adjustable hydrolytical stability. Samples were analyzed by FTIR, TGA followed by evaluation of swelling properties and hydrolytical degradation. Based on the results, chemical modification helped to stabilize polysaccharide hydrogels in water up to 25 days which is useful mainly for moist wound healing (e.g. after burns) because of high values of water uptake (from 85 up to 96%).

Functional poly(2-oxazoline)s by direct amidation of methyl ester side chains

Poly(2-alkyl/aryl-2-oxazoline)s (PAOx) are biocompatible pseudopolypeptides that have received significant interest for biomedical applications in recent years. The growing popularity of PAOx in recent years is driven by its much higher chemical versatility compared with the gold standard in this field, poly(ethylene glycol) (PEG), while having similar beneficial properties, such as stealth behavior and biocompatibility. We further expand the PAOx chemical toolbox by demonstrating a novel straightforward and highly versatile postpolymerization modification platform for the introduction of side-chain functionalities. PAOx having side chain methyl ester functionalities is demonstrated to undergo facile uncatalyzed amidation reactions with a wide range of amines, yielding the corresponding PAOx with side-chain secondary amide groups containing short aliphatic linkers as well as a range of side-chain functionalities including acid, amine, alcohol, hydrazide, and propargyl groups. The PAOx with side-chain methyl ester groups can be prepared by either partial hydrolysis of a PAOx followed by the introduction of the methyl ester via modification of the secondary amine groups with methyl succinyl chloride or by the direct copolymerization of a nonfunctional 2-oxazoline monomer with a 2-methoxycarbonylethyl-2-oxazoline. Thus, this novel synthetic platform enables direct access to a wide range of side-chain functionalities from the same methyl-ester-functionalized poly(2-oxazoline) scaffold