In vitro blood-brain barrier models to predict the permeation of gene therapy vectors into the brain

A terapia génica tem-se revelado uma alternativa relevante no tratamento de doenças neurodegenerativas (DN). Contudo, a entrega de vetores para transferência génica no cérebro representa ainda um enorme desafio devido à presença da barreira hemato-encefálica (BHE). A BHE é uma interface dinâmica e seletiva entre o sangue e o cérebro, constituída pelas células endoteliais cerebrais, astrócitos e pericitos, desempenhando um importante papel na regulação da homeostasia cerebral. A BHE representa um dos maiores obstáculos no tratamento de DN, uma vez que esta barreira impede o transporte para o cérebro da maioria das moléculas terapêuticas, incluindo os vetores para terapia génica. Embora tenham sido desenvolvidos diferentes modelos in vitro da BHE de forma a avaliar o transporte de fármacos através da BHE, muito poucos foram criados com o intuito de testar a permeabilidade desta barreira a vetores de terapia génica. O presente trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento e a avaliação de modelos in vitro de BHE que permitam a investigação da capacidade dos vetores de terapia génica de penetrarem no cérebro. No nosso estudo, foram testados diferentes modelos in vitro de BHE em monocultura, constituídos por células endoteliais de rato ou murganho (RBE4 e bEnd3, respetivamente), e modelos de co-cultura, que combinam células endoteliais com células neuronais (Neuro2a) ou astrócitos primários, cultivados num sistema transwell. Para caraterizar estes modelos foram realizados testes de permeabilidade e de resistência elétrica transendotelial, bem como estudos baseados na técnica de PCR quantitativo e na imunocitoquímica das proteínas das junções intercelulares. Verificámos que os modelos baseados na cultura de células bEnd3 e células neuronais ou astrócitos apresentavam as melhores propriedades de barreira. Posteriormente foi avaliada nos modelos selecionados a penetração de um vetor não-viral que reconhecidamente tem a capacidade de atravessar in vivo a BHE: o peptídeo da glicoproteína do vírus da raiva (RGV-9r). Os siRNAs marcados com um fluoróforo e acoplados ao peptídeo RVG-9r foram capazes de penetrar eficientemente as células bEnd3, localizadas no lado luminal do insert, via endocitose mediada por recetores, e ainda de penetrar os astrócitos ou células neuronais, previamente cultivadas no lado abluminal. Estes resultados correlacionam-se, de forma clara, com os resultados previamente descritos em estudos in vivo. Em conclusão, os modelos in vitro de BHE baseados na co-cultura de células bEnd3 com células Neuro2a ou astrócitos, têm grande potencial na seleção de candidatos a vetores de terapia génica para o cérebro, uma vez que apresentam importantes características da BHE e se baseiam num método fácil e reprodutível. Tal facto representa uma promessa significativa para a identificação de novas estratégias de terapia génica não invasiva para o tratamento de doenças neurológicas.

On the solvation in lipid bilayers measured by pyrene fluorescence: thermal and molecular composition influence on equivalent polarity in lipidic mixtures

Phosphatidylcholine (PC), sphingomyelin (SM) and cholesterol (CHOL) are major constituents of mammalian cell membranes. DPPC/CHOL and DPPC/DMPC are well-known binary mixtures. POPC/CHOL, DOPC/CHOL, egg-SM/CHOL, egg-SM/POPC and egg-SM/DOPC are less studied, but also important for the comprehension of the POPC/egg-SM/CHOL mixtures. These provide complex media for which polarity is hard to access. It is mainly determined by the water penetrating the bilayer (unevenly distributed creating a polarity gradient), though the influence of the dipoles from phospholipids (e.g. –PO, –CO, –OH) and the double bond in the steroid ring of CHOL cannot be neglected. CHOL derivatives are an interesting tool to verify the influence of the double bonds in the polarization of its surroundings. Pyrene fluorescence was used to access an equivalent polarity (associated to the dielectric constant) near the lipid/water interface of lipid bilayers. POPC/CHOL and DOPC/CHOL have similar thermal behavior and variation with CHOL content, though for lower CHOL content the equivalent polarity is higher for the DOPC/CHOL mixtures. The studies with DPPC and DMPC showed that pyrene does not seem to have a marked preference for either ordered or disordered phases. For DPPC/CHOL and egg-SM/CHOL the highlight goes to the behavior of the mixtures at higher CHOL amounts, where there is a substantial change in the thermal behavior and polarity values especially for the egg-SM/CHOL mixture. Egg-SM/POPC and egg-SM/DOPC show different behavior depending on which phospholipid has a higher molar proportion. The ternary mixtures analyzed do not exhibit significant differences, though there is the indication of the existence of a more ordered environment at lower temperatures and a less ordered environment for higher temperatures. The presence of 7DHC or DCHOL in egg-SM bilayers showed a tendency for the same behavior detected upon mixing higher amounts of CHOL.

Development of non-viral vectors for gene therapy for pathologies of the retina

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015