Melanosome transfer between melanocytes and keratinocytes

RESUMO: A pele é o maior órgão do corpo humano e a sua pigmentação é essencial para a sua coloração e proteção contra os efeitos nocivos da radiação ultravioleta (UV). A pigmentação da pele resulta essencialmente de três processos: a síntese e o armazenamento de melanina pelos melanócitos, em organelos especializados denominados melanossomas; o transporte dos melanossomas dentro dos melanócitos; e finalmente, a transferência dos melanossomas para os queratinócitos adjacentes. Nos queratinócitos, a melanina migra para a região perinuclear apical da célula para formar um escudo protetor,responsável pela proteção do DNA dos danos causados pela radiação UV. Os melanócitos estão localizados na camada basal da epiderme e contactam com 30-40 queratinócitos. Em conjunto, estas células formam a “unidade melano-epidérmica”. Apesar dos processos de síntese e transporte de melanina nos melanócitos estarem bastante bem caracterizados, os mecanismos moleculares subjacentes à transferência inter-celular de melanina são menos conhecidos e ainda controversos. Dados preliminares obtidos pelo nosso grupo, que se basearam na observação de amostras de pele humana por microscopia electrónica, indicam que a forma predominante de transferência de melanina na epiderme consiste na exocitose dos melanossomas pelos melanócitos e subsequente endocitose da melanina por queratinócitos. Para além disso sabe-se que as proteínas Rab, que controlam o tráfego membranar, estão envolvidas em várias etapas de pigmentação da pele, nomeadamente na biogénese e no transporte de melanina. Assim, dado o seu papel fundamental nestes processos, questionámo-nos sobre o seu envolvimento na transferência de melanina. Com este trabalho, propomo-nos a expandir o conhecimento atual sobre a transferência de melanina na pele, através do estudo detalhado dos seus mecanismos moleculares, identificando as proteínas Rab que regulam o processo. Pretendemos também confirmar o modelo de exo/endocitose como sendo o mecanismo principal de transferência de melanina. Primeiro, explorámos a regulação da secreção de melanina pelos melanócitos e analisámos o papel de proteínas Rab neste processo. Os resultados foram obtidos recorrendo a um método in vitro, desenvolvido previamente no laboratório, que avalia a quantidade de melanina segregada para o meio de cultura por espectrofotometria, e ainda por microscopia, contando o número de melanossomas transferidos para os queratinócitos. Através de co-culturas de melanócitos e queratinócitos, verificou-se que os queratinócitos estimulam a libertação de melanina dos melanócitos para o meio extra-celular, bem como a sua transferência para os queratinócitos. Além disso, a proteína Rab11b foi identificada como um regulador da exocitose de melanina e da sua transferência para os queratinócitos. De facto, a diminuição da expressão de Rab11b em melanócitos provocou a redução da secreção de melanina estimulada por queratinócitos, bem como da transferência desta. Em segundo lugar, para complementar o nosso estudo, centrámos a nossa investigação na internalização de melanina por queratinócitos. Especificamente, usando uma biblioteca de siRNA, explorámos o envolvimento de proteínas Rab na captação de melanina por queratinócitos. Como primeira abordagem, usámos esferas fluorescentes como substituto de melanina, avaliando os resultados por citometria de fluxo. No entanto, este método revelou-se ineficaz uma vez que a internalização destas esferas é independente do recetor PAR-2 (recetor 2 ativado por protease), que foi previamente descrito como essencial na captação de melanina por queratinócitos Posteriormente, foi desenvolvido um novo protocolo de endocitose baseado em microscopia, usando melanossomas sem a membrana envolvente (melanocores) purificados do meio de cultura de melanócitos, incluindo um programa informático especialmente desenhado para realizar uma análise semi-automatizada. Após internalização, os melanocores acumulam-se na região perinuclear dos queratinócitos, em estruturas que se assemelham ao escudo supranuclear observado na pele humana. Seguidamente, o envolvimento do recetor PAR-2 na captação de melanocores por queratinócitos foi confirmado, utilizando o novo protocolo de endocitose desenvolvido. Para além disso, a necessidade de quatro proteínas Rab foi identificada na internalização de melanocores por queratinócitos. A redução da expressão de Rab1a ou Rab5b em queratinócitos diminuiu significativamente o nível de internalização de melanocores, enquanto o silenciamento da expressão de Rab2a ou Rab14 aumentou a quantidade de melanocores internalizados por estas células. Em conclusão, os resultados apresentados corroboram as observações anteriores, obtidas em amostras de pele humana, e sugerem que o mecanismo de transferência predominante é a exocitose de melanina pelos melanócitos, induzida por queratinócitos, seguida por endocitose pelos queratinócitos. A pigmentação da pele tem implicações tanto ao nível da cosmética, como ao nível médico, relacionadas com foto-envelhecimento e com doenças pigmentares. Assim sendo, ao esclarecer quais os mecanismos moleculares que regulam a transferência de melanina na pele, este trabalho pode conduzir ao desenvolvimento de novas estratégias para modular a pigmentação da pele.----------------ABSTRACT: Skin pigmentation is achieved through the highly regulated production of the pigment melanin in specialized organelles, termed melanosomes within melanocytes. These are transported from their site of synthesis to the melanocyte periphery before being transferred to keratinocytes where melanin forms a supra-nuclear cap to protect the DNA from UVinduced damage. Together, melanocytes and keratinocytes form a functional complex, termed “epidermal-melanin unit”, that confers color and photoprotective properties to the skin. Skin pigmentation requires three processes: the biogenesis of melanin; its intracelular transport within the melanocyte to the cell periphery; and the melanin transfer to keratinocytes. The first two processes have been extensively characterized. However, despite significant advances that have been made over the past few years, the mechanisms underlying inter-cellular transfer of pigment from melanocytes to keratinocytes remain controversial.Preliminary studies from our group using electron microscopy and human skin samples found evidence for a mechanism of coupled exocytosis-endocytosis. Rab GTPases are master regulators of intracellular trafficking and have already been implicated in several steps of skin pigmentation. Thus, we proposed to explore and characterize the molecular mechanisms of melanin transfer and the role of Rab GTPases in this process. Moreover, we investigated whether the exo/endocytosis model is the main mechanism of melanin transfer. We first focused on melanin exocytosis by melanocytes. Then, we started to investigate the key regulatory Rab proteins involved in this step by establishing an in vitro tissue culture model of melanin secretion. Using co-cultures of melanocytes and keratinocytes, we found that keratinocytes stimulate melanin release and transfer. Moreover, depletion of Rab11b decreases keratinocyte-induced melanin exocytosis by melanocytes. In order to determine whether melanin exocytosis is a predominant mechanism of melanin transfer, the amount of melanin transferred to keratinocytes was then assayed in conditions where melanin exocytosis was inhibited. Indeed, Rab11b depletion resulted in a significant decrease in melanin uptake by keratinocytes. Taken together, these observations suggest that Rab11b mediates melanosome exocytosis from melanocytes and transfer to keratinocytes. To complement and extend our study, we of melanin by keratinocytes. Thus, we aimed to explore the effect of depleting Rab GTPases on melanin uptake and trafficking within keratinocytes. As a first approach, we used fluorescent microspheres as a melanin surrogate. However, the uptake of microspheres was observed to be independent of PAR-2, a receptor that is required for melanin uptakecentred our attention in the internalization of melanin by keratinocytes. Thus, we aimed to explore the effect of depleting Rab GTPases on melanin uptake and trafficking within keratinocytes. As a first approach, we used fluorescent microspheres as a melanin surrogate. However, the uptake of microspheres was observed to be independent of PAR-2, a receptor that is required for melanin uptake.Therefore, we concluded that microspheres were uptaken by keratinocytes through a different pathway than melanin. Subsequently, we developed a microscopy-based endocytosis assay using purified melanocores (melanosomes lacking the limiting membrane) from melanocytes, including a program to perform a semi-automated analysis. Melanocores are taken up by keratinocytes and accumulate in structures in the perinuclear area that resemble the physiological supranuclear cap observed in human skin. We then confirmed the involvement of PAR-2 receptor in the uptake of melanocores by keratinocytes, using the newly developed assay. Furthermore, we identified the role of four Rab GTPases on the uptake of melanocores by keratinocytes. Depletion of Rab1a and Rab5b from keratinocytes significantly reduced the uptake of melanocores, whereas Rab2a, and Rab14 silencing increased the amount the melanocores internalized by XB2 keratinocytes. In conclusion, we present evidence supporting keratinocyte-inducedmelanosome exocytosis from melanocytes, followed by endocytosis of the melanin core by keratinocytes as the predominant mechanism of melanin transfer in skin. Although advances have been made, there is a need for more effective and safer therapies directed at pigmentation disorders and also treatments for cosmetic applications. Hence, the understanding of the above mechanisms of skin pigmentation will lead to a greater appreciation of the molecular machinery underlying human skin pigmentation and could interest the pharmaceutical and cosmetic industries.

Otimização da anisotropia fronto-calosa e ressonância magnética [1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular

RESUMO: Os mais recentes métodos de neuro imagem tal como a Ressonância Magnética (RM) permitiram obter imagens detalhadas do cérebro humano in vivo. Essas imagens revelam, muitas vezes, achados imprevistos face ao padrão normal, com elevada propensão para os indivíduos idosos e franca coexistência com fatores de risco vascular, como característica dum processo de envelhecimento normal. Embora na última década tenham surgido várias publicações sobre este assunto, ele continua ainda pouco explicado. Um pouco por todo o mundo têm emergido os programas de prevenção da doença e promoção da saúde desenvolvidos pela Saúde Pública suportadas sobretudo pelo avanço das tecnologias médicas que resultaram, entre outros impactos, num crescimento da população idosa. Estima-se, em 2030, uma composição demográfica com 20% de indivíduos acima dos 65 anos. Neste contexto, a doença microvascular cerebral é a causa mais frequente de comprometimento cognitivo vascular no idoso sendo as características senescentes na imagem por RM do tipo lesões isquémicas da Substância Branca (Leukoaraiosis) e enfartes lacunares (Status lacunar), atrofia cerebral, gliose e acumulação excessiva de ferro nos núcleos da base. Esta tese, considerando a linha de investigação de que deriva – Ciências da Vida - especialização em Medicina Clinica - Biotecnologia, reúne e reflete sobre três vertentes ligadas à RM e interdependentes em relação a uma problemática comum. A primeira trata da caracterização da Tecnologia por Ressonância Magnética existente em Portugal, a qual inclui uma avaliação exploratória da aplicação da técnica de Difusão Anisotrópica nos estudos cerebrais. As dimensões analíticas estudadas foram a Tecnológica, Sociodemográfica e Económica. Na recolha de dados recorreu-se a várias fontes de informação e a uma metodologia exploratória faseada, validada pela triangulação dos resultados. A sua análise obedeceu a critérios de estratificação e agrupamento segundo as mesmas dimensões analíticas. Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular A segunda descreve o estudo anátomo – radiológico que recaiu sobre parâmetros de quantificação assente na temática do cérebro do idoso em cadáver segundo uma metodologia experimental aplicada às métricas da difusão por RM. Na terceira, e última, é apresentado o estudo técnico - radiológico para avaliação e otimização da imagem ponderada em difusão em estudos clínicos associados ao cérebro do idoso “The Usual Brain Aging” ou Envelhecimento Cerebral Normal, com base metodológica assente nos critérios e indicadores estabelecidos pelo Estudo de Imagem de Roterdão (Rotterdam Scan Study - RSS). Como principais resultados obteve-se que não existem em Portugal estruturas para avaliação dos equipamentos pesados ou Agência de Avaliação das Tecnologias da Saúde para desenvolver o importante papel da produção de estudos comparativos entre os equipamentos disponíveis no mercado, a relação preço-qualidade e a sua afetação às necessidades clínico-epidemiológicas. Constatou-se que a implementação de equipamentos de RM está fortemente assente em critérios económicos carecendo de recomendações e diretivas para o uso racionalizado destas tecnologias. Quanto a dados quantitativos concluímos que a maioria dos equipamentos está instalada em instituições privadas (80,2%); a intensidade de campo magnético mais frequente é [1,5T] com 119 equipamentos; os equipamentos estão instalados maioritariamente nos distritos de Lisboa (55 unidades) e do Porto (39 unidades); o rácio médio de equipamentos por habitante em Portugal é de 1 para 65 195 habitantes; a amplitude de gradientes com maior expressão na amostra é 30-39mT/m; a maioria dos equipamentos foi instalada no intervalo temporal [2009-2012] com 59 equipamentos; apenas 6 instituições desenvolvem investigação clinica e a maioria das bobinas para estudos de crânio são do tipo Array. O estudo de otimização da técnica da difusão revelou, quanto à avaliação dos valoresb, que os mais baixos (b=500 s/mm2 e b=1000 s/mm2), apresentam maior IS e SNR sendo esta uma boa medida referente à qualidade de imagem, no entanto, os valores-b mais elevados (b=2000 s/mm2) apresentam maior CNR e CR, face aos anteriores, o Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular que apesar de proporcionar inferior detalhe anatómico e consequentemente inferior qualidade de imagem, num encéfalo normal, pode auxiliar na interpretação e apresentar vantagens na identificação de lesões microvasculares sempre que persistirem dúvidas em relação ao diagnóstico diferencial de doença microvascular do tipo status lacunar ou Hiperintensidades da Substância Branca. As alterações deste parâmetro são particularmente refletidas nas diferenças da avaliação da qualidade de imagem na região fronto-calos Concluímos da avaliação quantitativa da concentração média de ferro (26Fe) em todas as faixas etárias que os núcleos da base que apresentam maior concentração são, por ordem decrescente: Substância Nigra, Globus Pallidus, Putamen, Tálamo, Núcleo Rubro e Núcleo Caudado; que existe uma predominância na concentração de ferro (26Fe) no hemisfério esquerdo e que os indivíduos do género masculino apresentam mais ferro (26Fe) que os do género feminino nas faixas etárias [30-40[, [40-50[ e [50-60[. Como principal conclusão do estudo da concentração média de ferro em relação à idade destacamos que a concentração média de ferro (26Fe) é superior nos grupos etários superiores, logo aumenta com a idade, sobretudo na Substância Nigra e no Núcleo Lenticular. No estudo técnico-radiológico encontrámos evidências do aumento da difusibilidade da água na substância branca subcortical dos sujeitos idosos comparativamente aos mais jovens. Uma relação idêntica foi avaliada nos tálamos. O aumento relacionado com a idade parece ser predominantemente observado em doentes com mais de 65 anos de idade o que pode refletir alterações estruturais ligeiras associados ao envelhecimento normal. Os resultados indicam que a análise quantitativa das imagens ponderadas em difusão fornece informações, sobre a estrutura do cérebro, as quai s não estão disponíveis apenas por inspeção visual, tanto nas imagens ponderadas em difusão como em outras sequências de aplicação clínica de rotina. Para fazer face às desvantagens dos sistemas de quantificação das HSB os quais são dispendiosos, complexos, requererem tecnologia e formação específicas, recomendamos que a aplicação automatizada GUIAL, desenvolvida ao longo do nosso trabalho é de utilização elementar e prática para que seja introduzida nos sistemas de aquisição de imagem por RM com o fim de integrar o processamento de imagem nos indivíduos portadores de fatores de risco vascular. A avaliação do ADC, nesta amostra, permitiu concluir que a variação desta variável é explicada estatisticamente pela existência da condição clínica de status lacunar em ambos os hemisférios ou por outras palavras, o status lacunar influencia o valor de ADC. Embora uma pequena percentagem da variação do ADC seja explicada pelo género, o ADC nos homens foi superior ao das mulheres o que não nos surpreende, pois são também os homens onde a frequência de doença microvascular se revelou mais expressiva. Os valores do ADC, globalmente, entre os hemisférios cerebrais não mostraram alterações exceto na SB entre os idosos e não idosos. A SB da região frontal mostrou valores diminuídos na anisotropia e isotropia face às restantes áreas anatómicas. Os estudos indicam que na idade avançada existe uma maior predisposição para suscetibilidades de estrutura com status de desconexão. A classificação das HSB foi superior em indivíduos mais velhos e com status lacunar, e em menor quantidade (inferior rating de classificação) nos indivíduos idosos sem status lacunar. As alterações volumétricas foram mais frequentes no homem do que na mulher, presumivelmente devido à associação com a elevada classificação de status lacunar. Um aumento do índice de Evan correspondeu, neste estudo, ao aumento das HSB, à diminuição do volume cerebral total, à expansão ventrículo-sulcal frontal e ao aumento da medida do ângulo caloso. Estes resultados foram agravados pela classificação elevada de status lacunar nos indivíduos que apresentaram indícios de doença de pequenos vasos, com manifesto aumento dos espaços de Virchow-Robin,enfartes lacunares ou HSB. Esses resultados foram mais expressivos no género masculino do que no feminino revelando uma maior vulnerabilidade sobretudo na atrofia frontal nos homens. Por sua vez as dimensões do Corpo Caloso tornaram-se reduzidas devido à compressão dos ventrículos laterais e terceiro ventrículo. Estes indicadores tiveram expressão particularmente nos indivíduos com mais de 65 anos. ---------------------------------------------------------------------------------------------ABSTRACT: The latest neuroimaging methods, such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), have enabled detailed images of in vivo human brain. These images reveal often unexpected findings related to the normal pattern, with high predisposition for the elderly people with forthright coexistence with vascular risk factors such as characteristics of a normal aging process. Although it has been, in the last decade, several publications on this subject, it is still little explained. All over the world have emerged disease prevention programs and health promotion developed by the Public Health sector, supported mainly by the advancement of medical technologies that have resulted, among other impacts, in a growing of the elderly population. It is estimated, in 2030, a demographic composition with 20% o people over 65 years. In this context, microvascular disease is the most common cause of cognitive vascular impairment in the elderly and senescent characteristics in the MRI trough ischemic lesions of the white matter (Leukoaraiosis) and lacunar infarcts (lacunar status), cerebral atrophy, gliosis and iron accumulation in the basal ganglia in excess.This thesis, considering the research line that stems - Life Sciences - specialization in Clinical Medicine, Biotechnology, gathers and reflects on three aspects linked to MR, interdependent and related to a common problem. The first deals with the Magnetic Resonance Technology characterization in Portugal, which includes an exploratory evaluation of the implementation of Anisotropic Diffusion technique in brain studies. The analytical dimensions studied were the Technologic, Socio-demographic and Economics. Collecting data was supported by different sources of information and was applied an exploratory methodology whose results were validated by triangulation. The research method was grouped and stratified criteria under the same analytical dimensions. The second describes the anatomical study - which was focused on radiological measurement parameters, based on the brain’s specimen under an experimental methodology applied to MRI diffusion metrics. Radiological evaluation and optimization of the weighted image diffusion in clinical studies were associated with the brain of the elderly "The Usual Brain Aging" with methodological basis based on established criteria and indicators by Rotterdam Scan Study (RSS). The main results obtained reveal the inexistence frameworks in Portugal for evaluation of equipments or Agency of Health Technology to produce studies comparing the equipment available on the market, the value for money and its allocation to clinical and epidemiological needs. It was found that the implementation of MRI equipment is strongly based on economic criteria lacking recommendations and guidelines for the rationalized use of these technologies. As the quantitative data we conclude that most of the scanners are located in private clinical institutions (80,2%); the most frequent magnetic field intensity is [1.5T] with 119 scanners; the scanners are mainly installed in Lisbon (55 units) and Porto (39 units) districts; the average ratio of equipment per capita in Portugal is 1 to 65 195 people; the gradient power with higher expression in the sample is 30-39mT / m;most of the scanners were installed in the years range [2009-2012 years] with 59 equipment; only 6 clinical placements develop clinical research and the most coils for brain studies are of Array type. The optimization study of diffusion technique revealed, as the assessment of the bvalues, the lower (b = 500 s / mm2 and b = 1000 s / mm 2), promotes an increase in the SI and SNR being this measure related to a higher image quality, however the highest b values (b = 2000 s / mm 2) have a higher CNR (Contrast to Noise-Ratio) and CR (Contrast Ratio), compared to the previous ones. This may provide less anatomical details and, thus, ower image quality, of a normal brain, however can help the interpretation and have advantages in identifying microvascular injuries when doubts persist regarding the differential diagnosis of microvascular disease of lacunar or WMH (White Matter Hyperintensities) status type. Changes on this parameter are Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular particularly reflected in the differences of image quality evaluation in the frontocallosum anatomical area. We conclude from the quantitative assessment of the average concentration of iron (26Fe), in all age groups to the basal ganglia, that the higher concentrations are, in descending order: Nigral Substantia, Globus pallidus, Putamen, Thalamus, Rubio nucleus and Caudate nucleus; that there is a predominance in the concentration of iron (26Fe) in the left hemisphere and that male gender show higher iron (26Fe) level tha females, in the age groups [30-40 [[40-50 [and [50- 60 [. Regarding a main conclusion of the mean concentration study of iron, in terms of age we point out that the average concentration of iron (26Fe) is higher among older groups and increases with age, especially in Nigral Substantia and Lenticular Nucleus. On the technical and radiological study we found evidence of an increased in water /diffusivity in the ubcortical white matter of the elderly compared with younger subjects. A similar relationship was assessed in the Thalamus. The increase agerelated seems to be predominantly observed in patients over 65 years which may reflect minor structural changes associated with normal aging. The results indicate that quantitative analysis of diffusion weighted imaging can provide information about the structure of the brain which is not reached only by visual inspection or standard sequences applied in clinical routine. To address the disadvantages the systems of quantification of WMH which the authors state that are costly, complex, require specific technology and training, we recommend that the automated application GUIAL, developed over our work is basic and practical to use and to be introduced in MR image systems acquisition in order to integrate image processing in patients with vascular risk factors. The evaluation of the ADC showed that its variation is statistically explained by the existence of the medical condition of lacunar status, in both hemispheres, or in other words, the lacunar status influences the ADC value. Although a small percentage of the ADC variation is explained by gender, the ADC in men was higher than women which Otimização da anisotropia fronto-calosa e [RM 1,5T] no idoso normal e com risco cérebro-vascular do not surprise us, since they are also men where the frequency of microvasculardisease has proved more significant. The values of ADC, overall, between the cerebral hemispheres showed no changes but were different in WM among the elderly and non-elderly subjects.The WM's forehead showed decreased values in anisotropy and isotropy face the other anatomical areas. The studies indicate that in old age there is a greater tendency to higher susceptibility to disconnection- status framework. The classification of WMH was higher in elderly people and lacunar status, and fewer (lower classification rating) in the elderly without lacunar status. volumetric changes were more frequent in men than in women, most probably because of its association with high lacunar status rating. An increase of Evan index corresponded, in this study, to an increase in WMH, to a decreased of total brain volume, to a ventricle sulcal frontal and callous angle expansion. These results were wound up by high ranking of lacunar status in subjects who had small vessel disease, clear increase in spaces of Virchow-Robin, lacunar infarctions or WMH. These results were more significant in males than in females revealing vulnerability particularly in the frontal atrophy in men. In turn the size of Corpus Callosum because reduced due to the compression of the lateral and third ventricles. These indicators had expression particularly in individuals over 65 years.