Cellular reprogramming strategies for degenerative disorders involving the retinal pigment epithelium

RESUMO: A reprogramação celular permite que uma célula somática seja reprogramada para outra célula diferente através da expressão forçada de factores de transcrição (FTs) específicos de determinada linhagem celular, e constitui uma área de investigação emergente nos últimos anos. As células somáticas podem ser experimentalmente manipuladas de modo a obter células estaminais pluripotentes induzidas (CEPi), ou convertidas directamente noutro tipo de célula somática. Estas descobertas inovadoras oferecem oportunidades promissoras para o desenvolvimento de novas terapias de substituição celular e modelos de doença, funcionando também como ferramentas valiosas para o estudo dos mecanismos moleculares que estabelecem a identidade celular e regulam os processos de desenvolvimento. Existem várias doenças degenerativas hereditárias e adquiridas da retina que causam deficiência visual devido a uma disfunção no tecido de suporte da retina, o epitélio pigmentar da retina (EPR). Uma destas doenças é a Coroideremia (CHM), uma doença hereditária monogénica ligada ao cromossoma X causada por mutações que implicam a perda de função duma proteína com funções importantes na regulação do tráfico intracelular. A CHM é caracterizada pela degenerescência progressiva do EPR, assim como dos foto-receptores e da coróide. Resultados experimentais sugerem que o EPR desempenha um papel importante na patogénese da CHM, o que parece indicar uma possível vantagem terapêutica na substituição do EPR nos doentes com CHM. Por outro lado, existe uma lacuna em termos de modelos in vitro de EPR para estudar a CHM, o que pode explicar o ainda desconhecimento dos mecanismos moleculares que explicam a patogénese desta doença. Assim, este trabalho focou-se principalmente na exploração das potencialidades das técnicas de reprogramação celular no contexto das doenças de degenerescência da retina, em particular no caso da CHM. Células de murganho de estirpe selvagem, bem como células derivadas de um ratinho modelo de knockout condicional de Chm, foram convertidos com sucesso em CEPi recorrendo a um sistema lentiviral induzido que permite a expressão forçada dos 4 factores clássicos de reprogramação, a saber Oct4, Sox2, Klf4 e c-Myc. Estas células mostraram ter equivalência morfológica, molecular e funcional a células estaminais embrionárias (CES). As CEPi obtidas foram seguidamente submetidas a protocolos de diferenciação com o objectivo final de obter células do EPR. Os resultados promissores obtidos revelam a possibilidade de gerar um valioso modelo de EPR-CHM para estudos in vitro. Em alternativa, a conversão directa de linhagens partindo de fibroblastos para obter células do EPR foi também abordada. Uma vasta gama de ferramentas moleculares foi gerada de modo a implementar uma estratégia mediada por FTs-chave, seleccionados devido ao seu papel fundamental no desenvolvimento embrionário e especificação do EPR. Conjuntos de 10 ou menos FTs foram usados para transduzir fibroblastos, que adquiriram morfologia pigmentada e expressão de alguns marcadores específicos do EPR. Adicionalmente, observou-se a activação de regiões promotoras de genes específicos de EPR, indicando que a identidade transcricional das células foi alterada no sentido pretendido. Em conclusão, avanços significativos foram atingidos no sentido da implementação de tecnologias de reprogramação celular já estabelecidas, bem como na concepção de novas estratégias inovadoras. Metodologias de reprogramação, quer para pluripotência, quer via conversão directa, foram aplicadas com o objectivo final de gerar células do EPR. O trabalho aqui descrito abre novos caminhos para o estabelecimento de terapias de substituição celular e, de uma maneira mais directa, levanta a possibilidade de modelar doenças degenerativas da retina com disfunção do EPR numa placa de petri, em particular no caso da CHM.---------------ABSTRACT: Cellular reprogramming is an emerging research field in which a somatic cell is reprogrammed into a different cell type by forcing the expression of lineage-specific transcription factors (TFs). Cellular identities can be manipulated using experimental techniques with the attainment of pluripotency properties and the generation of induced Pluripotent Stem (iPS) cells, or the direct conversion of one somatic cell into another somatic cell type. These pioneering discoveries offer new unprecedented opportunities for the establishment of novel cell-based therapies and disease models, as well as serving as valuable tools for the study of molecular mechanisms governing cell fate establishment and developmental processes. Several retinal degenerative disorders, inherited and acquired, lead to visual impairment due to an underlying dysfunction of the support cells of the retina, the retinal pigment epithelium (RPE). Choroideremia (CHM), an X-linked monogenic disease caused by a loss of function mutation in a key regulator of intracellular trafficking, is characterized by a progressive degeneration of the RPE and other components of the retina, such as the photoreceptors and the choroid. Evidence suggest that RPE plays an important role in CHM pathogenesis, thus implying that regenerative approaches aiming at rescuing RPE function may be of great benefit for CHM patients. Additionally, lack of appropriate in vitro models has contributed to the still poorly-characterized molecular events in the base of CHM degenerative process. Therefore, the main focus of this work was to explore the potential applications of cellular reprogramming technology in the context of RPE-related retinal degenerations. The generation of mouse iPS cells was established and optimized using an inducible lentiviral system to force the expression of the classic set of TFs, namely Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc. Wild-type cells, as well as cells derived from a conditional knockout (KO) mouse model of Chm, were successfully converted into a pluripotent state, that displayed morphology, molecular and functional equivalence to Embryonic Stem (ES) cells. Generated iPS cells were then subjected to differentiation protocols towards the attainment of a RPE cell fate, with promising results highlighting the possibility of generating a valuable Chm-RPE in vitro model. In alternative, direct lineage conversion of fibroblasts into RPE-like cells was also tackled. A TF-mediated approach was implemented after the generation of a panoply of molecular tools needed for such studies. After transduction with pools of 10 or less TFs, selected for their key role on RPE developmental process and specification, fibroblasts acquired a pigmented morphology and expression of some RPE-specific markers. Additionally, promoter regions of RPE-specific genes were activated indicating that the transcriptional identity of the cells was being altered into the pursued cell fate. In conclusion, highly significant progress was made towards the implementation of already established cellular reprogramming technologies, as well as the designing of new innovative ones. Reprogramming into pluripotency and lineage conversion methodologies were applied to ultimately generate RPE cells. These studies open new avenues for the establishment of cell replacement therapies and, more straightforwardly,raise the possibility of modelling retinal degenerations with underlying RPE defects in apetri dish, particularly CHM.

Estudo da vascularização dos nervos periféricos e da sua influência na regeneração nervosa : estudo experimental e no cadáver humano

RESUMO: Na clínica, a recuperação funcional que se segue a uma lesão nervosa raramente é atingida na sua totalidade. A reinervação, quer motora, quer sensitiva, ocorre geralmente com maior ou menor deficit. Interessa, então, identificar os factores que podem interferir na regeneração nervosa. O neurónio é a unidade anatómica fundamental do sistema nervoso periférico e é muito vulnerável à isquemia pela grande distância que existe entre o corpo neuronal e a extensão do axónio, que pode ser de apenas alguns milímetros ou até atingir um metro. É, por isso, fundamental o estudo da vascularização do nervo periférico e da sua influência na regeneração nervosa. O resultado deste estudo pode levar ao desenvolvimento de técnicas cirúrgicas que criem as condições que garantam, por sua vez, a revascularização precoce do nervo periférico em caso de lesão, ou mesmo em caso de doenças, nas quais a vascularização do nervo está alterada como, por exemplo, na neuropatia diabética. O estudo da vascularização do nervo periférico realizou-se através da investigação da vascularização do nervo mediano do cadáver humano, pela investigação da vascularização do nervo isquiático do rato Wistar e do Plexo Braquial (PB) do mesmo. A vascularização do PB do rato não é muito diferente daquela que é reportada na espécie humana, existindo uma homologia entre o rato e o Homem no que diz respeito à morfologia e à vascularização do PB. Através da comparação angiomorfológica entre o nervo isquiático do rato e o nervo mediano humano, concluíu-se que a microvascularização do nervo isquiático do rato e do mediano humano são muito semelhantes, o que suporta a utilização do rato como modelo experimental de lesões do nervo mediano humano. Para a avaliação da influência da vascularização na regeneração nervosa foi feita a análise da eficácia de enxerto de tubo de membrana amniótica humana imunologicamente inerte, de enxerto de veia jugular externa autóloga e de auto-enxerto de nervo, na reparação de um defeito de 10 milímetros no nervo isquiático do rato, na presença de um fornecimento vascular axial, comparando-se com os mesmos procedimentos em estudos realizados anteriormente, sem suprimento vascular. Os ratos foram avaliados funcionalmente através do estudo das pegadas, da electroneurografia e da força de flexão ao nível do tornozelo, e estruturalmente, através das avaliações histológicas e morfométricas, da taxa de recuperação do peso dos músculos gastrocnémio e solhear e da marcação axonal retrógrada com True Blue às 4, 8 e 12 semanas. Os nervos reconstruídos apresentaram uma arquitectura normal, incluindo a arquitectura vascular. A membrana amniótica foi bem tolerada, persistindo imunologicamente em torno do nervo até à 12.ª semana. Concluiu-se também que, na presença de um suprimento vascular axial local, a membrana amniótica humana e as veias autólogas são, pelo menos, tão eficazes como os auto-enxertos nervosos na reconstrução de defeitos nervosos de 10 milímetros.--------------------------------------ABSTRACT: At the clinic, the functional recovery that follows a nerve lesion is rarely achieved in full. The neuron is very vulnerable to ischemia that’s why it is essential to study the vascularization of the peripheral nerve and its influence on the nerve’s regeneration. The outcome of this study may lead to the development of surgical techniques that create the conditions which are necessary to ensure an early revascularization in case of a peripheral nerve injury. This study investigated the vascularization of the median nerve of the human cadaver and the vascularization of the sciatic nerve of the Wistar rat and his Brachial Plexus (BP) through animal experimentation. The mouse's BP vascularization is not so different from the one that is reported in the human species. An angiomorphological comparison between the mouse sciatic nerve and the human median nerve concluded that the microvascularizations are very similar, which supports the use of the mouse as an experimental model for the study of median nerve’s lesions. To evaluate the influence of vascularization in the nerve’s regeneration, it was made an assessment of the effectiveness of the human amniotic immuno-inert membrane grafts, of the autologous external jugular vein grafts and of the nerve auto-graft in the repair of a defect of 10 mm on the sciatic nerve of the rat, in the presence of an axial vascular supply, comparing these with the same procedures that were adopted in the previous studies, without vascular supply. The rats were functionally assessed and structurally evaluated (through histological and morphometric evaluations) at the 4.th, 8.th and 12.th weeks. The nerves reconstructed presented a normal architecture, including vascular architecture. The amniotic membrane was well-tolerated immunologically, persisting around the nerve until the 12.th week. As a result, it was also concluded that in the presence of a local axial vascular supply, the human amniotic membrane and the autologous veins are, at least, as effective as the nerve auto-grafts in the reconstruction of the nerve’s defects of 10 mm.