Retroviral-mediated gene transfer of the human erythropoietin gene into a factor-dependent cell line, TF-1

The factor-dependent cell line, TF-1, established from a patient with erythroleukaemia, shows characteristics of immature erythroblasts. Addition of granulocyte-macrophage colony stimulating factor (GM-CSF) to the culture medium is required for long-term growth of the cells. Erythropoietin (Epo) can also be used to sustain TF-1 cells but for only limited periods (approximately a week). Low levels of both growth factors can act synergistically to maintain proliferation for a longer period of time than Epo alone. To eliminate the requirement of exogenous Epo for growth, TF-1 cells were co-cultured with a retroviral secreting cell line containing the human erythropoietin (hEpo) gene and a neomycin (neo) selectable marker. TF-1 cells which exhibited neo resistance (indicating infection by the retrovirus) were then grown in low concentrations of GM-CSF without the addition of Epo. Under these conditions growth of normal TF-1 cells was not sustained. The neo-resistant cells survived for more than 14 days indicating synergy between GM-CSF and the Epo synthesised by the co-cultured TF-1 cells. Radioimmunoassays performed on growth media detected concentrations up to 1 mU/ml of Epo, implying that stable integration of the retroviral vector and expression of the hEpo gene have been achieved.

Marine Biosilica as a Tool to Understand the Therapeutic Benefit of Silica in Bone Repair

It is widely accepted that silicon-substituted materials enhance bone formation, yet the mechanism by which this occurs is poorly understood. This work investigates the potential of using diatom frustules to answer on fundamental questions surrounding the role of silica in bone healing. Biosilica with frustules 20m were isolated from Cyclotella meneghiniana a unicellular microalgae that was sourced from the Mississippi River, USA. Silanisation chemistry was used to modify the surface of C. meneghiniana with amine (–NH2) and thiol (–SH) terminated silanes. Untreated frustules and both functionalised groups were soaked in culture medium for 24hrs. Following the culture period, frustules were separated from the conditioned medium by centrifugation and both were tested separately in vitro for cytotoxicity using murine-monocyte macrophage (J774) cell line. Cytotoxicity was measured using LDH release to measure damage to cell membrane, MTS to measure cell viability and live-dead staining. The expression and release of pro-inflammatory cytokines (IL-6 and TNF) were measured using ELISA. Our results found that diatom frustules and those functionalised with amino groups showed no cytotoxicity or elevated cytokine release. Diatom frustules functionalised with thiol groups showed higher levels of cytotoxicity. Diatom frustules and those functionalised with amino groups were taken forward to an in vivo mouse toxicity model, whereby the immunological response, organ toxicity and route of metabolism/excretion of silica were investigated. Histological results showed no organ toxicity in any of the groups relative to control. Analysis of blood Si levels suggests that modified frustules are metabolised quicker than functionalised frustules, suggesting that physiochemical attributes influence their biodistribution. Our results show that diatom frustules are non cytotoxic and are promising materials to better understand the role of silica in bone healing.

Generation, Release, and Uptake of the NAD Precursor Nicotinic Acid Riboside by Human Cells

NAD is essential for cellular metabolism and has a key role in various signaling pathways in human cells. To ensure proper control of vital reactions, NAD must be permanently resynthesized. Nicotinamide and nicotinic acid as well as nicotinamide riboside (NR) and nicotinic acid riboside (NAR) are the major precursors for NAD biosynthesis in humans. In this study, we explored whether the ribosides NR and NAR can be generated in human cells. We demonstrate that purified, recombinant human cytosolic 5'-nucleotidases (5'-NTs) CN-II and CN-III, but not CN-IA, can dephosphorylate the mononucleotides nicotinamide mononucleotide and nicotinic acid mononucleotide (NAMN) and thus catalyze NR and NAR formation in vitro. Similar to their counterpart from yeast, Sdt1, the human 5'-NTs require high (millimolar) concentrations of nicotinamide mononucleotide or NAMN for efficient catalysis. Overexpression of FLAG-tagged CN-II and CN-III in HEK293 and HepG2 cells resulted in the formation and release of NAR. However, NAR accumulation in the culture medium of these cells was only detectable under conditions that led to increased NAMN production from nicotinic acid. The amount of NAR released from cells engineered for increased NAMN production was sufficient to maintain viability of surrounding cells unable to use any other NAD precursor. Moreover, we found that untransfected HeLa cells produce and release sufficient amounts of NAR and NR under normal culture conditions. Collectively, our results indicate that cytosolic 5'-NTs participate in the conversion of NAD precursors and establish NR and NAR as integral constituents of human NAD metabolism. In addition, they point to the possibility that different cell types might facilitate each other's NAD supply by providing alternative precursors.

Effects of tobacco products on the attachment and growth of periodontal ligament fibroblasts

BACKGROUND: Cigarette smoking is one of the most significant risk factors in the development and further advancement of inflammatory periodontal disease, however, the role of either nicotine or its primary metabolite cotinine in the progression of periodontitis is unclear. This study aimed to investigate the effects of nicotine and cotinine on the attachment and growth of fibroblasts derived from human periodontal ligament (PDL).

METHODS: Primary cultures were prepared from the roots of extracted premolar teeth. Cells were used at both low (P3 to P5) and high (P11 to P13) passage. Cell numbers were determined over 14 days using either the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyl tetrazolium bromide (MTT) assay or with a Coulter counter. Cultures were exposed to culture medium supplemented with 1) 15% fetal calf serum (FCS) only; 2) 1% FCS only; 3) 1% FCS and nicotine (concentration range 5 ng/ml to 10 mg/ml); or 4) 1% FCS and cotinine (concentration range 0.5 ng/ml to 10 microg/ml).

RESULTS: Nicotine significantly (P <0.05, by ANOVA) inhibits attachment and growth of low passage cells at concentrations >1 mg/ml and high passage PDL fibroblasts at concentrations >0.5 mg/ml. Cotinine, at the highest concentration used (10 microg/ml), appeared to inhibit attachment and growth of both low and high passage fibroblasts but this was not statistically significant (P >0.05, by ANOVA).

CONCLUSIONS: Tobacco products inhibit attachment and growth of human PDL fibroblasts. This may partly explain the role of these substances in the progression of periodontitis.

Estratégias para a valorização do coberto vegetal da Ilha de Porto Santo

No presente trabalho desenvolveram-se estudos visando a valorização do coberto vegetal da Ilha de Porto Santo, através de duas metodologias de investigação complementares: a) preservação e reintrodução na Ilha de uma espécie endémica e em risco do Arquipélago da Madeira (Olea maderensis) e de uma espécie naturalizada (Olea europaea ssp. europaea var. sylvestris), recorrendo para o efeito a técnicas de biotecnologia (micropropagação); b) análise da percepção da comunidade local e visitante sobre o fenómeno da desertificação e a valorização do coberto vegetal bem como a sua aceitação relativamente à aplicação de técnicas de biotecnologia (para micropropagar e reintroduzir espécies de oliveira na Ilha) para minimização do processo de desertificação. A dissertação estrutura-se em quatro partes principais. A Parte I caracteriza a Ilha de Porto Santo em termos geográficos, geológicos, climáticos, sócio-economicos e do uso do solo. Enquadra, ainda, o problema da desertificação, através da caracterização/evolução do coberto vegetal ao longo dos anos. Finalmente apresentam-se os objectivos gerais deste estudo. A Parte II centra-se no desenvolvimento de metodologias no âmbito da biotecnologia vegetal para propagação de espécies de O. maderensis e O. europaea ssp. europaea var. sylvestris. em larga escala. Esta parte está dividida em seis capítulos. O Capítulo II.1 aborda a distribuição geográfica das espécies de oliveira e faz uma revisão bibliográfica dos aspectos mais importantes da micropropagação de oliveira (O. europaea L.), principalmente através da micropropagação por estimulação de gomos axilares. No final deste capítulo apresentam-se os objectivos específicos desta investigação. No Capítulo II.2 faz-se a caracterização genética de genótipos de O. maderensis do Arquipélago da Madeira através da análise da ploidia e do conteúdo em DNA por citometria de fluxo (FCM) e através da detecção de polimorfismos por análise de microssatélites (SSR). Nesta análise usaram-se ainda outros genótipos, nomeadamente: O. europaea ssp. europaea var. sylvestris, O. cerasiformes e O. europaea ssp. europaea var. europaea. Este estudo contribuiu para uma melhor caracterização desta espécie e permitiu a detecção de um nível de ploidia novo no género Olea (tetraploidia). O Capítulo II.3 descreve a optimização das condições de cultura in vitro (e.g. desinfecção, meio de cultura e enraizamento) para propagar e preservar a O. maderensis. Avalia-se ainda a “performance” dos rebentos in vitro (taxas de crescimento, avaliação da aparência das folhas e estudos fisiológicos), de modo a confirmar a optimização das condições de propagação. Neste capítulo define-se um meio novo (OMG) para propagação desta espécie endémica. O Capítulo II.4 descreve dois protocolos de micropropagação e aclimatização de ambas as espécies (O. maderensis e O. europaea ssp. europaea var. sylvestris) e a qualidade das plantas (“true-to-type”) é avaliada através da possível ocorrência de variabilidade genética através de FCM (ploidia) e SSRs. O Capítulo II.5 descreve um protocolo eficiente de aclimatização ao campo de O. maderensis e avalia a “performance” das plantas micropropagadas no campo através da análise de parâmetros fisiológicos durante o processo. O Capítulo II.6 apresenta os estudos em curso relativamente às plantas de O. maderensis em aclimatização no campo, bem como a introdução de plantas micropropagadas num outro local da Ilha com um maior grau de degradação dos solos. Estas estratégias estão a ser aplicadas juntamente com a DRFRAM, no âmbito de programas de florestação em curso. Finalmente é realçada a necessidade de estudos semelhantes com outras espécies nativas. Na Parte III, são apresentados os estudos sobre a percepção da comunidade local relativamente à valorização do coberto vegetal para a minimização dos processos de degradação dos solos/desertificação. A introdução faz o enquadramento teórico sobre o fenómeno da desertificação, particularmente na Ilha de Porto Santo e sobre a percepção social da desertificação. São ainda apresentados os objectivos específicos desta investigação. A metodologia adoptada recorreu à aplicação de inquéritos por questionário à população residente e aos visitantes da Ilha de Porto Santo e ainda a realização de inquéritos por entrevista a algumas entidades e especialistas. Estes estudos permitiram verificar que existe uma nítida consciência da situação de risco da ilha, das medidas tomadas e a tomar e da premência da resolução do problema. Face ao recurso de estratégias alternativas envolvendo biotecnologia, e apesar de existir algum desconhecimento, concluiu-se ainda que a população manifesta aceitação, desde que essas estratégias valorizem o coberto vegetal e, assim, ajudem a combater a degradação biofísica dos solos. Finalmente são apresentadas as conclusões e algumas recomendações. Na Parte IV apresentam-se as conclusões gerais e perspectivas futuras, onde o potencial ambiental destas oliveiras bravas micropropagadas é destacado, bem como é considerado o alargamento da aplicação destas estratégias a outras espécies indígenas em risco, nesta Ilha (e noutros locais). São ainda resumidas as principais visões da população e das entidades e dos especialistas que poderão contribuir para apoiar a elaboração de medidas de mitigação e prevenção no combate ao processo de degradação dos solos/desertificação em curso.

Acrylic bone cements modified with bioactive and biodegradable fillers

O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese.

Compósitos CNTs/biocerâmico para a estimulação elétrica óssea in situ

The present thesis aims to develop a biocompatible and electroconductor bone graft containing carbon nanotubes (CNTs) that allows the in situ regeneration of bone cells by applying pulsed external electrical stimuli. The CNTs were produced by chemical vapor deposition (CVD) by a semi-continuous method with a yield of ~500 mg/day. The deposition parameters were optimised to obtain high pure CNTs ~99.96% with controlled morphologies, fundamental requisites for the biomedical application under study. The chemical functionalisation of CNTs was also optimised to maximise their processability and biocompatibility. The CNTs were functionalised by the Diels-Alder cycloaddition of 1,3-butadiene. The biological behaviour of the functionalised CNTs was evaluated in vitro with the osteoblastic cells line MG63 and in vivo, by subcutaneous implantation in rats. The materials did not induce an expressed inflammatory response, but the functionalised CNTs showed a superior in vitro and in vivo biocompatibility than the non-functionalised ones. Composites of ceramic matrix, of bioglass (Glass) and hydroxyapatite (HA), reinforced with carbon nanotubes (CNT/Glass/HA) were processed by a wet approach. The incorporation of just 4.4 vol% of CNTs allowed the increase of 10 orders of magnitude of the electrical conductivity of the matrix. In vitro studies with MG63 cells show that the CNT/Glass/HA composites guarantee the adhesion and proliferation of bone cells, and stimulate their phenotype expression, namely the alkaline phosphate (ALP). The interactions between the composite materials and the culture medium (α-MEM), under an applied electrical external field, were studied by scanning vibrating electrode technique. An increase of the culture medium electrical conductivity and the electrical field confinement in the presence of the conductive samples submerged in the medium was demonstrated. The in vitro electrical stimulation of MG63 cells on the conductive composites promotes the increase of the cell metabolic activity and DNA content by 130% and 60%, relatively to the non-stimulated condition, after only 3 days of daily stimulation of 15 μA for 15 min. Moreover, the osteoblastic gene expression for Runx2, osteocalcin (OC) and ALP was enhanced by 80%, 50% and 25%, after 5 days of stimulation. Instead, for dielectric materials, the stimulus delivering was less efficient, giving an equal or lower cellular response than the non-stimulated condition. The proposed electroconductive bone grafts offer exciting possibilities in bone regeneration strategies by delivering in situ electrical stimulus to cells and consequent control of the new bone tissue formation rate. It is expected that conductive smart biomaterials might turn the selective bone electrotherapy of clinical relevance by decreasing the postoperative healing times.

Biocaumulação de alumínio em rebentos micropropagados de Plantago sp.

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2009

Production and characterisation of gilthead sea bream (Sparus auratus) recombinant parathyroid hormone related protein.

The production and puriWcation of gilthead sea bream recombinant parathyroid hormone related protein [sbPTHrP(1–125)] using an Escherichia coli system and one step puriWcation process with continuous elution gel electrophoresis is reported. The cDNA encoding sbPTHrP(1–125) was cloned into a prokaryotic expression vector pET-11a. The recombinant plasmid was used to transfect E. coli BL21(DE3) pLysS and sbPTHrP(1–125) synthesis was induced by addition of 1mM isopropyl- -D-thiogalactopyranoside. The rapid one step isolation method gave pure sbPTHrP(1–125) as judged by SDS–PAGE and yielded up to 40mg/L of culture medium (3.3mg protein/g of bacteria). The bioactivity of recombinant sbPTHrP(1–125) assessed using an in vitro scale bioassay was found to be equipotent to PTHrP(1–34) in stimulating cAMP accumulation. Assessment of the immunological reactivity of the isolated protein by Western blot revealed it cross-reacts with antisera speciWc for the N-terminal and C-terminal region of PTHrP. In a radioimmunoassay speciWc for piscine N-terminal (1–34 aa) PTHrP, the recombinant sbPTHrP(1–125) was equipotent with PTHrP(1–34) in displacing labelled 125I-PTHrP(1–36) PTHrP from the antisera. The availability of recombinant sbPTHrP will allow the development of region speciWc assays and studies aimed at deWning post-secretory processing of this protein and its biological activity in Wsh.

Effect of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) on the proliferation and extracellular matrix mineralization and gene expression of gilthead seabream skeletal cell lines

The aquaculture industry aims at replacing significant amounts of marine fish oil by vegetable oils in fish diet. Dietary lipids have been shown to alter the fatty acid composition of bone compartments, which would impact the local production of factors controlling bone formation. Knowledge on the mechanisms underlying the nutritional regulation of bone metabolism is however scarce in fish. Two in vitro bone-derived cell systems developed from seabream (an important species for aquaculture in the Mediterranean region) vertebra, capable of in vitro mineralization and exhibiting prechondrocyte (VSa13) and pre-osteoblast (VSa16) phenotype, were used to assess the effect of certain polyunsaturated fatty acids (PUFAs; arachidonic (AA), eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic (DHA) acids) on cell proliferation, extracellular matrix (ECM) mineralization and gene expression. While all PUFAs promoted morphological changes in both cell lines, VSa16 cell proliferation appeared to be stimulated by PUFAs in a dose dependent manner until 100M, whereas proliferation of VSa13 cells was impaired at concentrations above 10M. AA, EPA and DHA inhibited VSa13 ECM mineralization, alone and in combination, while VSa16 ECM mineralization was only inhibited by AA and EPA. DHA had the opposite effect, increasing mineralization almost by 2 fold. When EFAs were combined, DHA apparently compensated for the inhibitory effect of AA and EPA. Expression of marker genes for bone and lipid metabolisms has been investigated by qPCR and shown to be regulated in pre-osteoblasts exposed to individual PUFAs. Our results show that PUFAs are effectors of fish bone cell lines, altering cell morphology, proliferation and mineralization when added to culture medium. This work also demonstrates the suitability of our in vitro cell systems to get insights into mineralization-related effects of PUFAs in vivo and to evaluate the replacement of fish oils by vegetable oil sources in fish feeds.

Contribution to fundamental aspects of biophysics, radiobiology, and modeling of cellular response to low radiation doses

Tese de doutoramento, Engenharia Biomédica e Biofísica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Bacteriophage lytic enzymes and their engineering towards improved antibacterial efficacy

Tese de doutoramento, Farmácia (Microbiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2015

Biocompatibilidade de resinas acrílicas para base e reembasamento de próteses após períodos de imersão em soluções desinfetantes: análise do metabolismo celular

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Influência da espessura do substrato dental sobre a eficácia clareadora e citotoxicidade de diferentes protocolos de clareamento

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Potencial da diversidade microbiana dos Açores na saúde : screening, purificação e caracterização de uma enzima trombolítica

Dissertação de Mestrado, Mestrado em Ciências Biomédicas, 8 de Maio de 2015, Universidade dos Açores.