Protein glycosylation of exosomes from ovarian carcinoma cells: structures and biological roles

Dissertation presented to obtain the Ph.D. degree in Biology

Terapia celular com células mesenquimais por via intracoronária: contributos do estudo invasivo da microcirculação coronária

RESUMO: Introdução - A utilização de células e das suas propriedades para o tratamento das doenças cardiovasculares, é uma promessa para o futuro e talvez a única forma de ultrapassar algumas das insuficiências das terapêuticas atuais. A via de entrega das células mais utilizada na investigação tem sido a intracoronária, ganhando a microcirculação especial relevância, por ser onde ocorre a primeira interação com o tecido nativo. As células estaminais mesenquimais (CEM) têm propriedades que as tornam particularmente aptas para a Terapia Celular, mas as suas dimensões, superiores ao diâmetro dos capilares, tem motivado controvérsia quanto à sua entrega intracoronária. A cardiologia de intervenção tem atualmente técnicas que permitem a avaliação em tempo real e in vivo do estado da microcirculação coronária. A determinação do índice da resistência da microcirculação (IRM) fornece informação sobre a circulação dos pequenos vasos, de forma independente da circulação coronária e do estado hemodinâmico, mas a aplicabilidade clínica deste conhecimento encontra-se ainda por definir. Objectivos Esclarecer o potencial do IRM no estudo dos efeitos do transplante de CEM por via intracoronária. População e Métodos . Estudo pré-clínico com modelo animal (suíno) desenvolvido em 3 fases. Na Primeira Fase foram utilizados 8 animais saudáveis para estudar e validar a técnica de determinação de estudo da microcirculação. Efetuou-se a determinação do IRM com duas doses diferentes de papaverina para a indução da resposta hiperémica máxima (5 e 10 mg) e após a disfunção da microcirculação com injeção intracoronária de microesferas de embozene com 40 μm de diâmetro. Na Segunda Fase foram utilizados 18 animais saudáveis, randomizados em grupo controlo e grupo recetor de 30 x 106 CEM por via intracoronária. Foram avaliados de forma cega o IRM, a pressão aórtica, o fluxo coronário epicárdico e a ocorrência de alterações electrocardiográficas. Na Terceira Fase foram utilizados 18 animais, com enfarte agudo do miocárdio provocado (EAM), randomizados em grupo controlo, grupo recetor de CEM expandidas de forma convencional e grupo recetor de CEM expandidas com metodologia inovadora e de menores dimensões. Foi realizada uma exploração da dose/efeito com infusão faseada de 10 x 106, 15 x 106 e 20 x 106 CEM, com determinação do IRM, da pressão aórtica, do fluxo coronário epicárdico e da ocorrência de alterações eletrocardiográficas. Quatro semanas após a entrega das células foi novamente avaliado o IRM e foi efetuado o estudo anatomopatológico dos animais na procura de evidência de neoangiogénese e de regeneração miocárdica, ou de um efeito positivo da resposta reparadora após o enfarte. Resultados Nas 3 fases todos os animais mantiveram estabilidade hemodinâmica e eletrocardiográfica, com exceção da elevação de ST de V1-V3 verificada após a injeção das microesferas. Na Primeira Fase as duas doses de papaverina induziram uma resposta hiperémica eficaz, sem tradução com significado na determinação do IRM (variação da pressão distal de - 11,4 ± 5 e de - 10,6± 5 mmHg com as doses de 5 e 10 mg respetivamente (p=0,5). Com a injeção das microesferas o IRM teve uma elevação média de 310 ± 190 %, para um valor médio de 41,3 ± 16 U (p = 0,001). Na Segunda Fase não houve diferenças significativas dos parâmetros hemodinâmicos, do fluxo epicárdico e da avaliação eletrocardiográfica entre os dois grupos. O IRM de base foi semelhante e após a infusão intracoronária observou-se uma elevação expressiva do IRM nos animais que receberam células em comparação com o grupo controlo (8,8 U ± 1 vs. 14,2 U ± 1,8, P=0,02) e quanto ao seu valor de base (aumento de 112%, p=0,008). Na terceira Fase não houve novamente diferenças significativas dos parâmetros hemodinâmicos, do fluxo epicárdico e da avaliação eletrocardiográfica entre os três grupos. Houve uma elevação do IRM nos animais que receberam células a partir da 2ª dose (72% nas células convencionai e 108% nas células inovadoras) e que se manteve com a 3ª dose (100% nas células convencionais e 88% nas inovadoras) com significado estatístico em comparação com o grupo controlo (p=0,034 com a 2ªdose e p=0,024 com a 3ª dose). Quatro semanas após a entrega das CEM observou-se a descida do IRM nos dois grupos que receberam células, para valores sobreponíveis aos do grupo controlo e aos valores pós-EAM. Na avaliação anatomopatológica e histológica dos corações explantados não houve diferenças entre os três grupos. Conclusões O IRM permite distinguir alterações da microcirculação coronária motivadas pela entrega intracoronária de CEM, na ausência de alterações de outros parâmetros clínicos da circulação coronária utilizados em tempo real. As alterações do IRM são progressivas e passíveis de avaliar o efeito/dose, embora não tenha sido possível determinar diferenças com os dois tipos de CEM. No nosso modelo a injeção intracoronária não se associou a evidência de efeito benéfico na reparação ou regeneração miocárdica após o EAM.---------------------------- ABSTRACT: ABSTRACT Introduction The use of cells for the treatment of cardiovascular disease is a promise for the future and perhaps the only option to overcome some of the shortcomings of current therapies. The strategy for the delivery of cells most often used in current research has been the intracoronary route and due to this microcirculation gains special relevance, mainly because it is the first interaction site of transplanted cells with the native tissue. Mesenchymal stem cells (MSC) have properties that make them suitable for Cell Therapy, but its dimensions, larger than the diameter of capillaries, have prompted controversy about the safety of intracoronary delivery. The interventional cardiology currently has techniques that allow for real-time and in vivo assessment of coronary microcirculation state. The determination of the index of microcirculatory resistance index (IMR) provides information about small vessels, independently of the coronary circulation and hemodynamic status, but the clinical applicability of this knowledge is yet to be defined. Objectives To clarify the potential use of IMR in the study of the effects of MSC through intracoronary transplantation. Population and Methods Preclinical study with swine model developed in three phases. In Phase One 8 healthy animals were used to study and validate the IMR assessment in our animal model. IMR was assessed with two different doses of papaverine for inducing the maximal hyperaemic response (5 and 10 mg) and microcirculation dysfunction was achieved after intracoronary injection with embozene microspheres with 40 μm in diameter. In Phase Two we randomized 18 healthy animals divided between the control group and the one receiving 30 x 106 MSC through an intracoronary infusion. There we blindly evaluated IMR, the aortic pressure, the epicardial coronary flow and the occurrence of ECG changes. In Phase Three we used 18 animals with a provoked acute myocardial infarction (AMI), randomized into a control group, a MSC expanded conventionally receiver group and a MSC expanded with an innovative methodology receiver group. There was a stepwise infusion with doses of 10 x 106, 15 x 106 and 20 x 106 MSC with determination of IMR, the aortic pressure, the epicardial coronary flow and occurrence of electrocardiographic abnormalities. Four weeks after cell delivery we again measured the IMR and proceeded with the pathological study of animals in the search for evidence of neoangiogenesis and myocardial regeneration, or a positive effect in the reparative response following the infarction. Results All animals remained hemodynamically stable and with no electrocardiographic abnormalities, except for the ST elevation in V1-V3 observed after injection of the microspheres. In Phase One the two doses of papaverine achieved an hyperemic and effective response without significant differences in IMR (variation of the distal pressure -11.4 ± 5 and -10.6 ± 5 mmHg with the doses of 5 and 10 mg respectively (p = 0.5). With the injection of the microspheres the IMR had an average increase of 310 ± 190% for an average value of 41.3 ± 16 U (p = 0.001). In the second phase there were no significant differences in hemodynamic parameters, epicardial flow and electrocardiographic assessment between the two groups. The baseline IMR was similar and after intracoronary infusion there was a significant increase in animals receiving cells compared with the control group (8.8 ± U 1 vs. 14.2 ± 1.8, p = 0.02) and with their baseline (112% increase, p = 0.008). In the third phase again there were no significant differences in hemodynamic parameters, the epicardial flow and electrocardiographic evaluation between the three groups. There was a significant increase in IMR in animals that received cells from the 2nd dose (72% in conventional cells and 108% in the innovative cells) that remained with the 3rd dose (100% in conventional cells and 88% in the innovative) with statistical significance compared with the control group (p = 0.034 with 2nd dose, p = 0.024 with 3rd dose). Four weeks after delivery of the MSC we observed the fall of the IMR in the two groups that received cells with values overlapping those of the control group. In pathological and histological evaluation of removed hearts there were no differences among the three groups. Conclusions The IMR allows for the differentiation of changes in coronary microcirculation motivated by intracoronary delivery of MSC in the absence of modification in other clinical parameters. IMR changes are progressive and enable the evaluation of the effect / dose, though it has not been possible to determine differences in the two types of MSC. In our model, intracoronary injection of MSC was not associated with evidence of repair or myocardial regeneration after AMI.

Otimização de esquemas terapêuticos do carcinoma da próstata envolvendo braquiterapia de baixa taxa de dose e radioterapia externa : abordagens física e radiobiológica

RESUMO: Este trabalho teve como objetivo a determinação de esquemas de tratamento alternativos para o carcinoma da próstata com radioterapia externa (EBRT) e braquiterapia de baixa taxa de dose (LDRBT) com implantes permanentes de Iodo-125, biologicamente equivalentes aos convencionalmente usados na prática clínica, com recurso a modelos teóricos e a métodos de Monte Carlo (MC). Os conceitos de dose biológica efetiva (BED) e de dose uniforme equivalente (EUD) foram utilizados, com o modelo linear-quadrático (LQ), para a determinação de regimes de tratamento equivalentes. Numa primeira abordagem, utilizou-se a BED para determinar: 1) esquemas hipofracionados de EBRT mantendo as complicações retais tardias de regimes convencionais com doses totais de 75,6 Gy, 77,4 Gy, 79,2 Gy e 81,0 Gy; e 2) a relação entre as doses totais de EBRT e LDRBT de modo a manter a BED do regime convencional de 45 Gy de EBRT e 110 Gy de LDRBT. Numa segunda abordagem, recorreu-se ao código de MC MCNPX para a simulação de distribuições de dose de EBRT e LDRBT em dois fantomas de voxel segmentados a partir das imagens de tomografia computorizada de pacientes com carcinoma da próstata. Os resultados das simulações de EBRT e LDRBT foram somados e determinada uma EUD total de forma a obterem-se: 1) esquemas equivalentes ao tratamento convencional de 25 frações de 1,8 Gy de EBRT em combinação com 110 Gy de LDRBT; e 2) esquemas equivalentes a EUD na próstata de 67 Gy, 72 Gy, 80 Gy, 90 Gy, 100 Gy e 110 Gy. Em todos os resultados nota-se um ganho terapêutico teórico na utilização de esquemas hipofracionados de EBRT. Para uma BED no reto equivalente ao esquema convencional, tem-se um aumento de 2% na BED da próstata com menos 5 frações. Este incremento dá-se de forma cada vez mais visível à medida que se reduz o número de frações, sendo da ordem dos 10-11% com menos 20 frações e dos 35-45% com menos 40 frações. Considerando os resultados das simulações de EBRT, obteve-se uma EUD média de 107 Gy para a próstata e de 42 Gy para o reto, com o esquema convencional de 110 Gy de LDRBT, seguidos de 25 frações de 1,8 Gy de EBRT. Em termos de probabilidade de controlo tumoral (igual EUD), é equivalente a este tratamento a administração de EBRT em 66 frações de 1,8 Gy, 56 de 2 Gy, 40 de 2,5 Gy, 31 de 3 Gy, 20 de 4 Gy ou 13 de 5 Gy. Relativamente à administração de 66 frações de 1,8 Gy, a EUD generalizada no reto reduz em 6% com o recurso a frações de 2,5 Gy e em 10% com frações de 4 Gy. Determinou-se uma BED total de 162 Gy para a administração de 25 frações de 1,8 Gy de EBRT em combinação com 110 Gy de LDRBT. Variando-se a dose total de LDRBT (TDLDRBT) em função da dose total de EBRT (TDEBRT), de modo a garantir uma BED de 162 Gy, obteve-se a seguinte relação:.......... Os resultados das simulações mostram que a EUD no reto diminui com o aumento da dose total de LDRBT para dose por fração de EBRT (dEBRT) inferiores a 2, Gy e aumenta para dEBRT a partir dos 3 Gy. Para quantidades de TDLDRBT mais baixas (<50 Gy), o reto beneficia de frações maiores de EBRT. À medida que se aumenta a TDLDRBT, a EUD generalizada no reto torna-se menos dependente da dEBRT. Este trabalho mostra que é possível a utilização de diferentes regimes de tratamento para o carcinoma da próstata com radioterapia que possibilitem um ganho terapêutico, quer seja administrando uma maior dose biológica com efeitos tardios constantes, quer mantendo a dose no tumor e diminuindo a toxicidade retal. A utilização com precaução de esquemas hipofracionados de EBRT, para além do benefício terapêutico, pode trazer vantagens ao nível da conveniência para o paciente e economia de custos. Os resultados das simulações deste estudo e conversão para doses de efeito biológico para o tratamento do carcinoma da próstata apresentam linhas de orientação teórica de interesse para novos ensaios clínicos. --------------------------------------------------ABSTRACT: The purpose of this work was to determine alternative radiotherapy regimens for the treatment of prostate cancer using external beam radiotherapy (EBRT) and low dose-rate brachytherapy (LDRBT) with Iodine-125 permanent implants which are biologically equivalent to conventional clinical treatments, by the use of theoretical models and Monte Carlo techniques. The concepts of biological effective dose (BED) and equivalent uniform dose (EUD), together with the linear-quadratic model (LQ), were used for determining equivalent treatment regimens. In a first approach, the BED concept was used to determine: 1) hypofractionated schemes of EBRT maintaining late rectal complications as with the conventional regimens with total doses of 75.6 Gy, 77.4 Gy, 79.2 Gy and 81.0 Gy; and 2) the relationship between total doses of EBRT and LDRBT in order to keep the BED of the conventional treatment of 45 Gy of EBRT and 110 Gy of LDRBT. In a second approach, the MC code MCNPX was used for simulating dose distributions of EBRT and LDRBT in two voxel phantoms segmented from the computed tomography of patients with prostate cancer. The results of the simulations of EBRT and LDRBT were added up and given an overall EUD in order to obtain: 1) equivalent to conventional treatment regimens of 25 fraction of 1.8 Gy of EBRT in combination with 110Gy of LDRBT; and 2) equivalent schemes of EUD of 67 Gy, 72 Gy, 80 Gy, 90 Gy, 100 Gy, and 110Gy to the prostate. In all the results it is noted a therapeutic gain using hypofractionated EBRT schemes. For a rectal BED equivalent to the conventional regimen, an increment of 2% in the prostate BED was achieved with less 5 fractions. This increase is visibly higher as the number of fractions decrease, amounting 10-11% with less 20 fractions and 35-45% with less 20 fractions. Considering the results of the EBRT simulations an average EUD of 107 Gy was achieved for the prostate and of 42 Gy for the rectum with the conventional scheme of 110 Gy of LDRBT followed by 25 fractions of 1.8 Gy of EBRT. In terms of tumor control probability (same EUD) it is equivalent to this treatment, for example, delivering the EBRT in 66 fractions of 1.8 Gy, 56 fractions of 2 Gy, 40 fractions of 2.5 Gy, 31 fractions of 3 Gy, 20 fractions of 4 Gy or 13 fractions of 5 Gy. Regarding the use of 66 fractions of 1.8 Gy, the rectum EUD is reduced to 6% with 2.5 Gy per fraction and to 10% with 4 Gy. A total BED of 162 Gy was achieved for the delivery of 25 fractions of 1.8 Gy of EBRT in combination with 110 Gy of LDRBT. By varying the total dose of LDRBT (TDLDRBT) with the total dose of EBRT (TDEBRT) so as to ensure a BED of 162 Gy, the following relationship was obtained: ....... The simulation results show that the rectum EUD decreases with the increase of the TDLDRBT, for EBRT dose per fracion (dEBRT) less than 2.5 Gy and increases for dEBRT above 3 Gy. For lower amounts of TDLDRBT (< 50Gy), the rectum benefits of larger EBRT fractions. As the TDLDRBT increases, the rectum gEUD becomes less dependent on the dEBRT. The use of different regimens which enable a therapeutic gain, whether deivering a higher dose with the same late biological effects or maintaining the dose to the tumor and reducing rectal toxicity is possible. The use with precaution of hypofractionated regimens, in addition to the therapeutic benefit, can bring advantages in terms of convenience for the patient and cost savings. The simulation results of this study together with the biological dose conversion for the treatment of prostate cancer serve as guidelines of interest for new clinical trials.