The role of α2,3- and α2,6-sialylation

RESUMO: Os glicoconjugados que decoram a superfície celular e os lípidos e proteínas secretados ocupam o ponto de encontro onde normalmente ocorrem interacções críticas homólogas (hospedeiro-hospedeiro) e heterólogas (hospedeiro-patogénio). Apesar de ser largamente aceite que os glicanos são parte integrante do processo de imunidade, continua a não ser claro qual o papel que os glicanos, em toda a sua diversidade, tomam no quadro geral da imunidade. Os glicanos, que são frequentemente terminados por resíduos de ácido siálico, podem ser alterados por factores externos, tais como patogénios, ou por acontecimentos fisiológicos celulares específicos. Normalmente em posição terminal, as glico-estruturas que contêm ácido siálico assumem um papel fundamental numa quantidade substancial de receptores imunes envolvidos na adesividade e tráfico celular, tal como as Selectinas e as Siglecs, das quais se sabe apresentarem uma relevante função imune. À altura do início desta tese, era sabido que os ácidos siálicos expressos à superfície das células poderiam modular mecanismos importantes nas respostas imunes adaptativas. Considerando a posição de charneira que as células dendríticas (DCs) ocupam na transição da resposta imune inata para a adaptativa, antecipámos que os ácidos siálicos poderiam também modular mecanismos relevantes nas DCs humanas. As DCs têm uma função muito relevante na verificação e captura antigénica, migração para os gânglios linfáticos e apresentação antigénica aos linfócitos, uma sequência de funções que conduz, em ultima instância, à indução da resposta inata adaptativa. Considerando estas premissas, a nossa hipótese principal foi que os ácidos siálicos podem influenciar funções relevantes das DCs, tais como captura de antigénios, maturação, migração para os gânglios linfáticos e apresentação antigénica às células Para testar esta hipótese, dividimos o trabalho em quatro partes: 1) Analisámos os glicanos sialilados de superfície, expressos durante a diferenciação de monócitos humanos em DCs (moDCs). Os nossos dados mostraram que a expressão dos glicanos com ligações em O (O-glicanos) e sialilados em α2,3, assim como glicanos com ligações em N (N-glicanos) sialilados em α2,6 e α2,3 aumentou durante o processo de diferenciação das moDCs. Contribuindo para esta nova configuração glicosídica, três sialiltransferases (STs) poderão estar envolvidas: a ST6Gal-1 correlaciona-se com a expressão aumentada de N-glicanos sialilados em α2,6; a ST3Gal-1 contribui para a sialilação em α2,3 de O-glicanos, em especial de antigénios T; e a ST3Gal-4 poderá ser responsável pelo aumento de N-glicanos sialilados em α2,3. Após estímulo e consequente maturação das moDCs, ambos os níveis de expressão génica de ST6Gal-1 e ST3Gal-4 são negativamente modificados sendo, também, que a expressão de ST3Gal-1 varia consoante o estímulo. 2) Estudámos posteriormente as consequências da modulação dos ácidos siálicos de superfície nas funções das DCs. Observámos que a remoção dos ácidos siálicos de superfície diminui significativamente a capacidade de macropinocitose e endocitose mediada por receptores nas moDCs. Em contrapartida, o tratamento com sialidase aumentou significativamente a capacidade das moDCs para fagocitar Escherichia coli. Determinou-se também que este mecanismo requer a existência de ácido siálico presente nas E. coli indicando um mecanismo de interacção hospedeiro-patogénio dependente de ácido siálico em ambas as partes envolvidas. As moDCs tratadas com sialidase também apresentam um nível superior de expressão de moléculas de MHC e moléculas co-estimulatórias, sugerindo um fenótipo celular mais maduro. Recorrendo ao modelo de ratinho, utilizaram-se DCs derivadas de células da medula (BMDCs) de ratinhos deficientes em ST3Gal-1 e ST6Gal-1. Estes ensaios revelaram que quer a endocitose quer a maturação são influenciadas por modificações 37 nos glicanos sialilados em α2,3 ou α2,6. A detecção e quantificação de proteínas Nglicosiladas e sialiladas em α2,6 apontou para um potencial envolvimento de integrinas β2 nestes mecanismos. 3) O efeito da sialilação em α2,6 na migração das DCs para os gânglios linfáticos foi também analisado. Observámos que BMDCs deficientes para ST6Gal-1 apresentam uma redução de cerca de 50% nos níveis de migração das DCs para os gânglios linfáticos, tal como aferido em ensaios de inflamação in situ e estudos de transferência adoptiva de células. Uma redução dos níveis deste tipo de migração foi também observada quando BMDCs nativas foram transferidas para ratinhos receptores deficientes em ST6Gal-1. São, contudo, necessários mais ensaios de forma a identificar as moléculas envolvidas neste processo. 4) Por último, analisámos o impacto da sialilação na estimulação antigénica das DCs às células T. Assim, concluiu-se que moDCs tratadas com sialidase apresentam um nível de expressão superior de IL-12, TNF-ɑ, IL-6 e IL-10, e activação do factor de transcrição nuclear kappa B (NF-κB). As DCs tratadas com sialidase induziram uma maior proliferação nas células T, com expressão correspondente de interferão-γ. Este dado sugere que a remoção de ácidos siálicos de superfície contribui para o desenvolvimento de uma resposta pro-inflamatória do tipo 1 por células T auxiliares (resposta Th1). Considerando estes dados no seu todo, concluímos que o ácido siálico tem um papel marcante nas funções imunes das DCs. Alterações à concentração de ácido siálico à superfície das células podem alterar a endocitose/fagocitose, maturação, migração para os tecidos e gânglios linfáticos e capacidade estimulatória para com as células T. Complementando estes dados, as ligações glicosídicas de ácidos siálicos criados por ST6Gal-1 e ST3Gal-1 são funcionalmente relevantes. A modulação programada da sialilação do glicocálice, mediada por sialidases individuais ou sialiltransferases é uma possibilidade aceitável para a melhoria da fagocitose por DCs e da sua potência imunológica. Este facto tem um significado particular para imunoterapias baseadas em DCs, podendo provar-se decisivo para a sua eficiência e aplicabilidade num futuro muito próximo.-------------------------------ABSTRACT: Glycans decorating cell surface and secreted proteins and lipids occupy the junction where critical host–host and host-pathogen interactions occur. In spite of the wide acceptance that glycans are centrally implicated in immunity, exactly how glycans and their variety and variability contribute to the overall immune response remains poorly defined. Glycans, frequently terminated by sialic acid residues, may be modified by external factors such as pathogens or upon specific physiological cellular events. The terminal, privileged positions of sialic acid-modified structures makes them key, fundamental determinants for a number of immune receptors with known involvement in cellular adhesiveness and cell trafficking, such as Selectins and Siglecs, with known relevant immune functions. At the time this thesis was initiated, it was established that sialic acids expressed at cell surface could modulate important mechanisms of the adaptive immune responses. Given the key role of dendritic cells (DCs) in the transition from innate to the adaptive immune responses, we anticipated that sialic acids could also modulate important mechanisms of human DCs. DCs have a relevant role in antigen screening and uptake, migration to lymph nodes and antigen presentation to lymphocytes, ultimately triggering the adaptive immune response. Therefore, our primary hypothesis was that sialic acids may modulate DC functions, such as antigen uptake, maturation, homing to lymph nodes and antigen presentation to T cells. To test this hypothesis, we divided our work in four parts. 1) Surface sialylated glycans expressed during differentiation from human monocytes to DCs (moDCs) were analyzed. Our data showed that α2,3-sialylated O-glycans and α2,6- and α2,3-sialylated N-glycans expression increased during moDC differentiation. Three main sialyltransferases (STs) are committed with this new glycan configuration: ST6Gal- 1 correlates with the increased expression of α2,6-sialylated N-glycans; ST3Gal-1 32 contributes for the α2,3-sialylation of O-glycans, especially T antigens; and ST3Gal-4 may contribute for the increased α2,3-sialylated N-glycans. Upon moDC maturation, ST6Gal-1 and ST3Gal-4 are downregulated and ST3Gal-1 is altered in a stimulus dependent manner. 2) We subsequently analyzed the consequences of the modulation of cell surface sialic acids in DC functions. We observed that removing surface sialic acid by sialidase significantly decreased the capacity of moDCs to micropinocytose and receptormediated endocytose. In contrast, treatment with a sialidase significantly improved the capacity of moDCs to phagocytose Escherichia coli. The improved phagocytosis mechanism required E. coli sialic acids, indicating a mechanism of host–pathogen interaction dependent on sialic acid moieties. Sialidase-treated moDCs have increased expression of MHC and co-stimulatory molecules, suggesting a more mature phenotype. Experiments using mouse bone marrow-derived DCs (BMDCs) from ST3Gal-1-/- and ST6Gal-1-/- strains indicated that endocytosis and maturation are influenced by changes in either α2,3 or α2,6-sialylated glycans. The analysis of α2,6-sialylated, N-glycosylated proteins, strongly suggested the potential involvement of β2 integrins, underlying these mechanisms. 3) The effect of α2,6-sialylation in DC homing to lymph nodes was also analyzed. We observed that BMDCs deficient for ST6Gal-1 have an almost 50% reduction in DC homing, as assayed by in situ inflammation and adoptive transfer studies. A reduction in DC homing was also observed when wild type BMDCs were transferred into ST6Gal-1-/- recipient mice. Further investigations are necessary to identify the molecules involved in this process. 4) Finally, we also analyzed the impact of sialylation on DCs ability to prime T cells. Sialidase-treated moDCs show increased gene expression of IL-12, TNF-α, IL-6 and IL- 10 cytokines, and activation of the transcription factor nuclear factor-κB. Sialidase33 treated DCs induced a higher proliferative response of T cells with concomitant higher expression of interferon-γ, suggesting that the clearance of cell surface sialic acids contributes to the development of a T helper type 1 proinflammatory response. Together, our data strongly support sialic acid’s relevance in DC immune functions. Alterations of cell surface sialic acid content can alter the endocytosis/phagocytosis, maturation, migration/homing and the ability for T cell priming in human DCs. Moreover, sialic acid linkages created by ST6Gal-1 and ST3Gal-1 are functionally relevant. The engineering of cell surface sialylation, mediated by individual sialidases or sialyltransferases is a likely possibility to fine tune DC phagocytosis and immunological potency, with particular significance to DC-based therapies.

Ultrassonografia torácica : impacto no diagnóstico e estadiamento do cancro do pulmão

RESUMO:RESUMO: Nos últimos anos a ultrassonografia emergiu como um instrumento importante no diagnóstico da patologia torácica. O progresso tecnológico possibilitou a conceção de novos equipamentos como a ecoendoscopia brônquica radial e linear. Verificou-se, igualmente, o aparecimento de indicações para a realização de ecografia transtorácica. Uma das principais doenças impulsionadoras da técnica ultrassonográfica no tórax foi o cancro do pulmão, primeira causa de morte oncológica a nível mundial. A aplicabilidade e conhecimento do papel dos ultrassons no âmbito do diagnóstico e estadiamento do cancro do pulmão não se encontram esgotados, persistindo focos de controvérsia e dúvida científica que se pretendem esclarecer. A presente tese foi organizada em cinco capítulos: o primeiro abordou de forma geral e introdutória o estado da arte referente à ultrassonografia torácica, cancro do pulmão e a sua conjugação; o segundo destacou os principais objetivos; o terceiro sumarizou a metodologia utilizada; o quarto englobou os cinco estudos publicados, descritos subsequentemente, e o quinto incluiu uma discussão concisa, as principais conclusões e perspetivas futuras. O primeiro estudo avaliou a rentabilidade diagnóstica, segurança e curva de aprendizagem num coorte de 179 doentes submetidos a ecoendoscopia brônquica linear. De acordo com as indicações para este procedimento os doentes foram subdivididos em três grupos: (1) diagnóstico, (2) diagnóstico e estadiamento e (3) estadiamento. Para o primeiro, segundo e terceiro grupos a sensibilidade da ecoendoscopia foi 86.1%, 86.7% e 95% respetivamente e a precisão técnica foi 87.5%, 93.1% e 97.7% respetivamente. O treino originou um aumento progressivo do número de locais puncionados por doente, com menor duração e sem complicações, comprovando a eficácia e segurança do método quando realizado na população Portuguesa por broncologistas com experiência. O segundo estudo foi conduzido para averiguar a eficácia e custo da ecoendoscopia brônquica linear realizada através da via aérea e/ou esófago no diagnóstico de lesões sugestivas de neoplasia do pulmão, após ineficácia das técnicas convencionais. Nos doentes incluídos prospetivamente alcançou-se um diagnóstico definitivo em 106 casos (87.6%). A sensibilidade global para o diagnóstico de cancro do pulmão foi 89.8%, a especificidade foi 100%, o valor preditivo positivo foi 100%, o valor preditivo negativo foi 20% e a precisão foi 90.1%. Esta estratégia ultrassonográfica abrangente evitou intervenções cirúrgicas diagnósticas em doentes anteriormente submetidos a broncoscopia flexível ou punção aspirativa transtorácica guiada por tomografia computorizada, proporcionando uma redução significativa dos custos. No terceiro estudo investigou-se a viabilidade e papel da conjugação da ecoendoscopia brônquica linear com técnicas moleculares na avaliação de antigénios tumorais e padrões de metastização ganglionar em doentes com cancro do pulmão de não-pequenas células (CPNPC). Os marcadores citoqueratina 19 (CK-19), antigénio carcinoembrionário (CEA), molécula de adesão celular epitelial (EPCAM), sialyl-Lewis X e CD44 foram determinados nos aspirados ganglionares de 33 doentes com neoplasia e 17 controlos 10 Ultrassonografia através de citometria de fluxo (CF) e reação em cadeia da polimerase em tempo real (RTPCR). Os doentes com CPNPC possuíam um compartimento celular epitelial significativamente aumentado e com marcação superior de CK-19 comparativamente ao grupo de controlo. O compartimento imune foi também analisado nestas amostras e revelou-se alterado no CPNPC com aumento da população de monócitos e diminuição das subpopulações linfocitárias. Os transcriptos de CK-19, CEA e EPCAM estavam elevados nos doentes com cancro do pulmão, identificando-se uma correlação positiva entre estes marcadores e o tamanho da lesão primária. Concluiu-se que a identificação de CK-19, CEA e EPCAM nas amostras obtidas por ecoendoscopia e avaliadas por CF e RTPCR foi viável, podendo auxiliar na deteção de metástases ganglionares no CPNPC. O quarto estudo envolveu a combinação da ecoendoscopia brônquica radial com uma criosonda para o diagnóstico de lesões pulmonares sólidas periféricas. Foi determinada a viabilidade, rentabilidade diagnóstica, tamanho das amostras e segurança do método. Lesões inferiores a 40mm foram localizadas por ultrassonografia sendo os doentes randomizados para a realização de biópsias transbrônquicas com pinça seguidas por criosonda ou vice-versa. Nos 39 casos incluídos a lesão foi visualizada pela minisonda em 31 doentes (79.5%), com 80.6% de prevalência de cancro do pulmão na amostra. A rentabilidade diagnóstica da pinça de biópsia foi 61.3% e da criosonda foi 74.2%. O tamanho do tecido adquirido pelas criobiópsias foi significativamente maior do que o alcançado por pinça (11.17mm2 vs. 4.69mm2, p<0.001). Ocorreu um único caso de hemorragia moderada, controlada através de medidas conservadoras. As biópsias transbrônquicas com criosonda sob orientação de ecoendoscopia radial foram seguras e eficazes na obtenção de amostras histológicas. O quinto estudo determinou o valor diagnóstico da ecografia transtorácica na identificação de malignidade em doentes com derrame pleural de natureza indeterminada. Foram examinados de forma prospetiva 154 doentes. Os resultados clínicos e radiológicos de cada caso foram ocultados ao executante do exame que gerou imagens estáticas e vídeos ultrassonográficos relevantes. Estes foram posteriormente visualizados, sendo as suas características classificadas por revisores independentes e comparadas com o diagnóstico definitivo. Em 66 casos o diagnóstico foi de derrame pleural maligno (68.2% com cancro do pulmão) e em 67 de derrame benigno. A ecografia torácica obteve 80.3% de sensibilidade, 83.6% de especificidade, 81.2% de valor preditivo negativo e 82.8% de valor preditivo positivo na deteção de malignidade. A nodularidade pleural ou diafragmática, espessamento pleural superior a 10mm e sinal de swirling foram significativamente diferentes (p<0.001) sendo sugestivos de derrame maligno. A existência de nodularidade pleural e ausência de broncograma aéreo ecográfico aumentaram a probabilidade de malignidade (OR 29.0 e OR 10.4, respetivamente). A ecografia transtorácica permitiu diferenciar derrame pleural maligno do benigno. A existência de nódulos pleurais constituiu o fator discriminador mais relevante. Em conclusão, os resultados desta tese possibilitam uma melhor compreensão do papel da ecoendoscopia brônquica (linear e radial) e ecografia transtorácica no diagnóstico e estadiamento do cancro do pulmão, com implicações e aplicabilidade na prática clínica.------------- ABSTRACT: In recent years ultrasonography has emerged as an important instrument in the diagnosis of thoracic diseases. Technological progress has enabled the design of new equipment such as radial and linear endobronchial ultrasound. In addition, indications for transthoracic echography were established. One of the main diseases responsible for the progression of chest sonography was lung cancer, the leading cause of cancer mortality worldwide. The applicability and knowledge of the role of ultrasonography in diagnosing and staging lung cancer is not depleted, persisting foci of controversy and scientific doubt that we intend to elucidate. The present thesis was organized into five chapters: the first included a general introduction regarding chest ultrasound, lung cancer and their combination; the second emphasized the main objectives; the third summarized the methodology used; the fourth encompassed the five published studies, subsequently described, and the fifth included a concise discussion, the main findings and future perspectives. The first study evaluated the diagnostic yield, safety and learning curve in a cohort of 179 patients submitted to linear endobronchial ultrasound. According to procedure indications, the patients were divided into three groups: (1) diagnosis, (2) diagnosis and staging, and (3) staging. For the first, second and third groups, endobronchial ultrasound sensitivity was 86.1%, 86.7% and 95% respectively and accuracy was 87.5%, 93.1% and 97.7% respectively. Practise led to an increase number of punctured sites per patient, in a shorter period of time and without complications, proving the safety and efficacy of the method when performed in the Portuguese population by expert echoscopists. The second study was conducted to determine the efficacy and cost of linear endobronchial ultrasound performed through the airway and/or oesophagus for diagnosis of lesions suggestive of lung cancer, after failure of conventional techniques. Of the patients prospectively enrolled a definitive diagnosis was reached in 106 cases (87.6%). The overall sensitivity for the diagnosis of lung cancer was 89.8%, specificity was 100%, positive predictive value was 100%, negative predictive value was 20% and accuracy was 90.1%. In conclusion, this global ultrasonographic strategy avoided diagnostic surgical procedures in patients that had undergone flexible bronchoscopy or computed tomography-guided transthoracic needle aspiration, providing a significant cost reduction. In the third study, the feasibility and role of linear endobronchial ultrasound combined with molecular techniques in the evaluation of tumour antigens and patterns of lymph node metastasis in patients with non-small cell lung cancer (NSCLC) was investigated. Cytokeratin 19 (CK-19), carcinoembryonic antigen (CEA), epithelial cell adhesion molecule (EPCAM), sialyl Lewis-X and CD44 were determined in lymph node aspirates of 33 lung cancer patients and 17 controls, using flow cytometry (FC) and reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR). In patients with NSCLC the epithelial cell compartment was significantly increased nd showed brighter CK-19 staining, compared to the control group. In NSCLC patients the immune compartment revealed an increased monocyte population and decreased lymphocyte subsets. The transcripts of CK- 19, CEA and EPCAM were higher in lung cancer patients and a positive correlation between these markers and the size of the primary lesion was also found. We concluded that the identification of CK-19, CEA and EPCAM in endobronchial ultrasound samples, using RT-PCR and FC was feasible and might aid in the detection of NSCLC lymph node metastases. The fourth study involved the combination of the radial endobronchial ultrasound with the cryoprobe for diagnosing solid peripheral lung lesions. We determined the feasibility, diagnostic yield, sample size and safety of the method. Lesions less than 40mm were located by ultrasound and forceps or cryobiopsies were performed in a randomized order. Of the 39 cases included, the lesion could be visualized by the miniprobe in 31 patients (79.5%), and lung cancer prevalence was 80.6%. The diagnostic yield of the biopsy forceps was 61.3% and for the cryobiopsy was 74.2 %. Cryobiopsies were significantly larger than forceps biopsies (11.17mm2 vs. 4.69mm2, p<0.001). There was only one case of moderate bleeding that was controlled by conservative measures. Transbronchial cryobiopsies under radial endobronchial ultrasound guidance were safe and effective in obtaining histological samples. The fifth study determined the diagnostic value of transthoracic sonography in predicting malignancy in patients with an undiagnosed pleural effusion. One hundred and fifty four patients were prospectively scanned. Relevant ultrasound images and videos were generated by an operator blinded to clinical and radiological results. These were subsequently visualized, its characteristics classified by independent reviewers and compared to the final diagnosis. A malignant pleural effusion was diagnosed in 66 cases (68.2 % with lung cancer) and a benign effusion in 67 cases. Thoracic ultrasound had a sensitivity of 80.3 %, specificity of 83.6%, negative predictive value of 81.2 % and positive predictive value of 82.8% to detect malignancy. The presence of pleural or diaphragmatic nodularity, pleural thickening greater than 10mm and swirling signal were significantly different (p<0.001 ), being suggestive of malignant effusion. The existence of pleural nodularity and absence of lung air bronchogram were more likely to indicate malignancy (OR 29.0 and OR 10.4, respectively). Transthoracic ultrasonography permits the distinction between malignant and benign pleural effusions. Pleural nodules were the most relevant feature. In conclusion, the results of this thesis provide a better understanding of the role of endobronchial ultrasound (linear and radial) and transthoracic sonography in lung cancer diagnosis and staging, with direct implications and applicability in clinical practice.

Expression of antibodies and retroviralVectors from defined chromosomal sites: strategies towards reliable production systems

Dissertation presented to obtain a Ph.D. degree in Sciences of Engineering and Technology, Cell Technology, at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa