New tools for cognitive and motor rehabilitation: development and clinical validation

Nervous system disorders are associated with cognitive and motor deficits, and are responsible for the highest disability rates and global burden of disease. Their recovery paths are vulnerable and dependent on the effective combination of plastic brain tissue properties, with complex, lengthy and expensive neurorehabilitation programs. This work explores two lines of research, envisioning sustainable solutions to improve treatment of cognitive and motor deficits. Both projects were developed in parallel and shared a new sensible approach, where low-cost technologies were integrated with common clinical operative procedures. The aim was to achieve more intensive treatments under specialized monitoring, improve clinical decision-making and increase access to healthcare. The first project (articles I – III) concerned the development and evaluation of a web-based cognitive training platform (COGWEB), suitable for intensive use, either at home or at institutions, and across a wide spectrum of ages and diseases that impair cognitive functioning. It was tested for usability in a memory clinic setting and implemented in a collaborative network, comprising 41 centers and 60 professionals. An adherence and intensity study revealed a compliance of 82.8% at six months and an average of six hours/week of continued online cognitive training activities. The second project (articles IV – VI) was designed to create and validate an intelligent rehabilitation device to administer proprioceptive stimuli on the hemiparetic side of stroke patients while performing ambulatory movement characterization (SWORD). Targeted vibratory stimulation was found to be well tolerated and an automatic motor characterization system retrieved results comparable to the first items of the Wolf Motor Function Test. The global system was tested in a randomized placebo controlled trial to assess its impact on a common motor rehabilitation task in a relevant clinical environment (early post-stroke). The number of correct movements on a hand-to-mouth task was increased by an average of 7.2/minute while the probability to perform an error decreased from 1:3 to 1:9. Neurorehabilitation and neuroplasticity are shifting to more neuroscience driven approaches. Simultaneously, their final utility for patients and society is largely dependent on the development of more effective technologies that facilitate the dissemination of knowledge produced during the process. The results attained through this work represent a step forward in that direction. Their impact on the quality of rehabilitation services and public health is discussed according to clinical, technological and organizational perspectives. Such a process of thinking and oriented speculation has led to the debate of subsequent hypotheses, already being explored in novel research paths.

Influence of substrates composition on immunomodulation by MSCs

Mesenchymal stem cells (MSCs) are non-hematopoietic multipotent stem cells capable to self-renew and differentiate along different cell lineages. MSCs can be found in adult tissues and extra embryonic tissues like the umbilical cord matrix/Wharton’s Jelly (WJ). The latter constitute a good source of MSCs, being more naïve and having a higher proliferative potential than MSCs from adult tissues like the bone marrow, turning them more appealing for clinical use. It is clear that MSCs modulate both innate and adaptive immune responses and its immunodulatory effects are wide, extending to T cells and dendritic cells, being therapeutically useful for treatment of immune system disorders. Mechanotransduction is by definition the mechanism by which cells transform mechanical signals translating that information into biochemical and morphological changes. Here, we hypothesize that by culturing WJ-MSCs on distinct substrates with different stiffness and biochemical composition, may influence the immunomodulatory capacity of the cells. Here, we showed that WJ-MSCs cultured on distinct PDMS substrates presented different secretory profiles from cells cultured on regular tissue culture polystyrene plates (TCP), showing higher secretion of several cytokines analysed. Moreover, it was also shown that WJ-MSCs cultured on PDMS substrates seems to possess higher immunomodulatory capabilities and to differentially regulate the functional compartments of T cells when compared to MSCs maintained on TCP. Taken together, our results suggest that elements of mechanotransduction seem to be influencing the immunomodulatory ability of MSCs, as well as their secretory profile. Thus, future strategies will be further explored to better understand these observation and to envisage new in vitro culture conditions for MSCs aiming at distinct therapeutic approaches, namely for immune-mediated disorders.

Identificação dos produtos de oxidação de glicosfingolípidos por espectrometria de massa

O stress oxidativo está associado ao envelhecimento e a inúmeras patologias, nomeadamente a doenças neurodegenerativas e cardiovasculares, e a diversos outros fatores. O stress oxidativo leva à oxidação de importantes biomoléculas como os lípidos e, ao contrário da maior parte dos produtos de oxidação de fosfolípidos e ácidos gordos insaturados (PUFAS), os produtos de oxidação de glicosfingolípidos (GSLs) têm sido escassamente estudados. Os glicosfingolípidos são moléculas muito diversificadas estruturalmente e com importantes funções, essencialmente no sistema nervoso central (SNC) onde estão localizados maioritariamente. Deste modo, alterações na estrutura dos GSLs conduzirão a consequente comprometimento das suas funções e ao possível desenvolvimento de patologias. Assim para identificar as modificações oxidativas que ocorrem em glicosfingolípidos e pressupor consequentes efeitos biológicos nas células sob stress oxidativo, prepararamse sistemas modelo biomiméticos com diferentes GSLs os quais foram expostos a radicais hidroxilo gerados sob condições da reação de Fenton (H2O2 e Fe2+) e as reações foram monitorizadas por diferentes metodologia utilizando a espectrometria de massa. Os resultados obtidos com este estudo permitiram-nos identificar vários produtos de oxidação produzidos durante a oxidação desta classe de lípidos. Os produtos de oxidação observados em comum, em todos os GSLs estudados (C16:0GalCer, C24:1GalCer, C24:1LacCer e GM1) foram as suas correspondentes ceramidas. Estas atuam como agentes pro-apoptóticos e podem in vivo promover a neurodegeneração nas células sob stress oxidativo. Também foi possível observar produtos com inserção de oxigénio junto às duplas ligações ou na cadeia de esfingosina (no caso do GM1) ou na cadeia de ácido gordo monoinsaturada (no caso da C24:1GalCer, C24:1LacCer), corroborando o facto de que ácidos gordos saturados não são susceptíveis à oxidação por radicais. Interessantemente em ambos os GSLs de cadeias glicosiladas compostas com mais de um açúcar (C24:1LacCer e GM1) observou-se a despolimerização oxidativa da porção glicosilada por quebra das correspondentes ligações glicosídicas. Esta degradação leva à formação de GlcCer no caso de oxidação de LacCer ou na formação de outros gangliósidos (GM2, GM3, asialoGM1 e asialoGM2) e glicolípidos (LacCer e GlcCer), no caso de oxidação de GM1. A formação por via radicalar não enzimática destes GSLs leva a distúrbios no perfil lipídico. Previamente, em certas doenças, foram observadas variações na concentração do perfil de gangliósidos e de ceramidas. Estes dados permitem sugerir que em células em condições de stress oxidativo, a acumulação de gangliósidos mais simples e ceramidas poderá ter uma contribuição de produtos da degradação oxidativa dos gangliósidos e GSLs mais complexos. Este trabalho contribui assim para uma melhor compreensão das modificações estruturais que ocorrem em alguns glicosfingolípidos em condições de stress oxidativo. Os produtos de oxidação aqui identificados suportam a sua possível futura deteção em sistemas biológicos.

Efeito do exercício físico associado à microcorrente abdominal na reabilitação cardiovascular em contexto domiciliário

Introdução: O aumento da gordura abdominal e o sedentarismo contribuem para o risco de doença cardiovascular. A utilização de corrente elétrica de baixa intensidade (microcorrente) na região abdominal, associado ao exercício físico, parece ser um método inovador no aumento da taxa lipolítica dos adipócitos abdominais. Objetivos: Analisar os efeitos da utilização da microcorrente associada a um programa de exercícios em indivíduos saudáveis e com doença arterial coronária na gordura abdominal, e ainda, analisar os efeitos de um programa de exercício físico específico realizado no domicílio em indivíduos com doença arterial coronária, na fase de manutenção da reabilitação cardiovascular, na capacidade cardiorrespiratória. Métodos: Foram conduzidos três estudos: Estudo 1, em indivíduos saudáveis, durante 5 semanas (n=42), distribuídos aleatoriamente por quatro grupos experimentais (realizavam microcorrente e exercício físico: grupo 1- frequência 25 a 10Hz, elétrodos transcutâneos, exercício físico após; grupo 2- frequência 25 a 50Hz, elétrodos trancutâneos, exercício físico após; grupo 3- frequência 25 a 10Hz, elétrodos percutâneos e exercício físico após; grupo 4- frequência 25 a 10Hz, elétrodos transcutâneos e exercício físico realizado em simultâneo) e placebo (realizavam apenas exercício físico), onde foram avaliadas medidas de gordura abdominal; Estudo 2, em indivíduos saudáveis, durante uma sessão de microcorrente e exercício físico (n=83), distribuídos aleatoriamente por grupo experimental (realizavam microcorrente e exercício físico) e grupo placebo (realizavam exercício físico), onde foram avaliadas a atividade lipolítica (níveis de glicerol) e a oxidação de ácidos gordos (estimada pelo VO2 e VCO2); Estudo 3, em indivíduos após um ano de evento de síndrome coronária aguda (n=44), distribuídos aleatoriamente em dois grupos experimentais (grupo 1- exercício físico no domicílio; grupo 2- microcorrente e exercício físico no domicílio) e um grupo controlo (cuidados habituais), durante 8 semanas, sendo avaliados a gordura abdominal, o colesterol, a capacidade cardiorrespiratória, os hábitos de atividade física e alimentares e a qualidade de vida. Resultados: No estudo 1, após 5 semanas de intervenção de microcorrente e exercício físico, verificou-se uma redução das medidas de gordura abdominal (p<0,05); No estudo 2 observou-se que uma sessão de microcorrente associada ao exercício físico aumentou a taxa lipolítica, através da medição de glicerol (p<0,05), sem alterações significativas na oxidação de ácidos gordos, durante o exercício. No estudo 3, após as 8 semanas de aplicação de microcorrente associada a um programa de exercícios específicos no domicílio ocorreu uma diminuição significativa na gordura subcutânea (p<0,05). O programa de exercício físico de reabilitação cardiovascular no domicílio, per se, aumentou a capacidade cardiorrespiratória, na fase de manutenção (p<0,05). Não se verificaram alterações do colesterol total, dos hábitos alimentares, da atividade física e da qualidade de vida entre os três grupos. Conclusão: A utilização da microcorrente associada ao exercício físico parece ser um meio coadjuvante ao programa de exercícios, na redução do tecido adiposo abdominal em indivíduos saudáveis e em indivíduos após 1 ano de enfarte agudo do miocárdio. O programa de Reabilitação Cardiovascular no domicílio, em fase de manutenção, demonstrou melhoria da capacidade cardiorrespiratória.

Evaluation of circulating endothelial progenitor cells by multicolor flow cytometry in chronic kidney disease patients

Endothelial dysfunction and impaired endothelial regenerative capacity play a key role in the pathogenesis of cardiovascular disease, which is one of the major causes of mortality in chronic kidney disease (CKD) patients. Circulating endothelial cells (CEC) may be an indicator of vascular damage, while circulating endothelial progenitor cells (EPC) may be a biomarker for vascular repair. However, the simultaneously evaluation of CEC and EPC circulating levels and its relation were not previously examined in CKD population. A blood sample (18ml) of healthy subjects (n=10), early CKD (n=10) and advanced CKD patients (n=10) was used for the isolation of early and late EPCs, CECs, and hematopoietic cells, identified by flow cytometry (BD FACSCanto™ II system) using a combination of fluorochrome-conjugated primary antibodies: CD31-PE, CD45-APC Cy7, CD34-FITC, CD117-PerCp Cy5.5, CD133-APC, CD146-Pacific Blue, and CD309-PECy7. Exclusion of dead cells was done according to a fixable viability dye staining. This eightcolor staining flow cytometry optimized protocol allowed us to accurate simultaneously identify EPCs, CECs and hematopoietic cells. In addition, it was also possible to distinguish the two subpopulations of EPCs, early and late EPCs subpopulation, by CD45intCD31+CD34+CD117-CD133+CD309-CD146- and CD45intCD31+CD34+CD117-CD133-CD309+CD146- multiple labeling, respectively. Moreover, the identification of CECs and hematopoietic cells was performed by CD45-CD31+CD34-/lowCD117-CD133-CD309-CD146+ and CD34+CD117+, respectively. The levels of CECs were non-significantly increased in early CKD (312.06 ± 91.34) and advanced CKD patients (191.43±49.86) in comparison with control group (103.23±24.13). By contrast, the levels of circulating early EPCs were significantly reduced in advanced CKD population (17.03±3.23) in comparison with early CKD (32.31±4.97), p=0.04 and control group (36.25 ± 6.16), p=0.03. In addition the levels of late EPCs were significantly reduced in both advanced (6.60±1.89), p=0.01, and early CKD groups (8.42±2.58), p=0.01 compared with control group (91.54±29.06). These results were accompanied by a dramatically reduction in the recruitment, differentiation and regenerative capacity indexes in CKD population. Taken together, these results suggest an imbalance in the process of endothelial repairment in CKD population, and further propose that the indexes of recruitment, differentiation and regenerative capacity of EPCs, may help to select the patients to benefit from guiding intervention strategies to improve cardiovascular health by inducing vascular protection.