The role of lymphotoxin-B receptor signaling in t-cell acute lymphoblastic leukemia development

Dissertação de mest., Ciências Biomédicas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Identification of genes regulated by mir-363*, a regulator of bone marrow endothelial cell properties

As células estaminais hematopoiéticas residem na medula óssea e possuem capacidade para se auto-renovar e dar origem a todos os tipos de células sanguíneas. O endotélio da medula óssea é constituído por células endoteliais de medula óssea (BMEC) e compreende dois nichos com funções distintas: o nicho osteoblástico e o nicho vascular. O nicho osteoblásctico proporciona condições para a quiescência de células estaminais hematopoiéticas, enquanto no nicho vascular ocorre proliferação e diferenciação das mesmas. Quando ocorre um desequilíbrio na expressão de genes que codificam para proteínas envolvidas na mobilização de células do nicho osteoblástico para o nicho vascular – factores angiócrinos – ocorre uma desestabilização do microambiente medular, que se pode traduzir num processo tumoral. Os microRNAs (miRNAs) são uma classe de RNAs não codificantes, de cadeia simples, que regula a expressão génica. Os miRNAs são sequências endógenas de RNA que possuem entre 19 e 25 nucleótidos de tamanho. Os miRNAs são reguladores da expressão genica, induzindo o silenciamento a nível da pós-transcrição, através da sua ligação com uma sequência específica para a qual possuem afinidade, na região 3’ não traduzida (3’ UTR) dos seus mRNA alvo, conduzindo à inibição da tradução ou à sua degradação. Os miRNAs estão envolvidos na regulação de genes de diversas vias afectando processos fundamentais como hematopoiese, apoptose, proliferação celular e tumorigénese. Os níveis de expressão dos miRNAs estão alterados no cancro, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Os perfis dos níveis de expressão de vários miRNAs foram estudados, tendo-se verificado que se alteram durante o processo de carcinogénese, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Apesar do miR-363* estar envolvido na regulação da expressão de genes que regulam propriedades das células endoteliais e medula óssea, os genes sobre os quais exerce a sua função ainda não foram identificados.O objectivo do presente estudo é a identificação dos genes directamente regulados pelo miR-363* (genes alvo) e a sua relevância para a disfunção medular e a sua caracterização nos síndromes mielodisplásicos. A estratégia usada baseou-se na redução ou aumento forçados dos níveis de miR-363* em células endoteliais e subsequente análise da expressão génica através de microarrays de cDNA do genoma humano. A redução do miR-363* vai implicar o aumento da expressão dos seus genes alvo, assim como o aumento dos níveis do miR-363* vai induzir a degradação e consequente redução dos seus genes alvos. A intersecção dos dados gerados através do estudo da expressão com bases de dados que possuem algoritmos para previsão de genes alvo directos dos miRNAs (miRBase e MicroCosm Targets) permitiu restringir os genes a analisar a sete genes, nomeadamente BST1, ESAM, FCER1G, IKBKG, SELE, THBS3 e TIMP1. A interacção directa destes candidatos a alvos directos do miR-363* foi posteriormente validada. Para tal, as 3’UTR dos genes foram clonadas num vector que contém o gene da luciferase. Uma vez as clonagens realizadas, efectuaram-se ensaios funcionais em células endoteliais, nomeadamente HUVEC, nas quais se co-transfectaram os vectores gerados, anti-miRs ou pre-miRs (para diminuir ou aumentar o nível de miRNA) e o plasmídeo controlo da Renilla para normalização dos ensaios de luciferase. A variação da luminescência obtida em presença do aumento ou redução do miR-363* deu uma forte indicação da regulação directa do miR-363* nesses alvos. No entanto, a confirmação desta interacção directa foi efectuada através de ensaios de mutagénese, nos quais de induziram mutações na 3’UTR nos locais de ligação do miRNA, seguidos dos ensaios funcionais como acima descritos. Esta estratégia sugere que o TIMP1, inibidor da metaloprotease-9 (MMP-9), é regulado directamente pelo miR-363*. Adicionalmente, os níveis de expressão dos alvos directos do miR-363* foram estudados em 17 amostras de aspirados de medula óssea de doentes com síndromes mielodisplásicos. Os síndromes mielodisplásicos são caracterizados como um grupo heterogéneo de condições, que apresentam citopenias (produção deficiente de eritrócitos, leucócitos e/ou megacariócitos) e medula óssea displástica e hipercelular. A escalonagem dos doentes foi feita de acordo com o sistema de prognóstico IPSS elaborado pela Organização Mundial de Saúde, e que consiste numa tabela de risco de progressão de síndromes mielodisplásicos para leucemia mielóide aguda (LMA) e que agrupa os doentes em baixo risco – que compreende os níveis baixo e intermédio 1 – e em alto risco – que compreende os níveis intermédio 2 e alto. Dos genes regulados pelo miR-363*, o destacam-se o TIMP1, estando aumentando em doentes com mau prognóstico, e o THBS3 que apresenta um aumento nos doentes com prognóstico intermédio. Em suma, os estudos realizados permitiram a identificação de genes regulados pelo miR-363* e contribuiram para o conhecimento de como o miR-363* contribui para a disfunção medular, particularmente em síndromes mielodisplásicos, pela desregulação das propriedades endoteliais.

Estudo da contribuição dos smart polymers na eficácia e segurança do tratamento antineoplásico

O cancro é uma das mais conhecidas e temidas doenças existentes e, como tal, existe um grande interesse no desenvolvimento de métodos de tratamento das afeções tumorais. Os grandes avanços da quimioterapia têm dado ótimos resultados no tratamento do cancro. Contudo, a administração de fármacos antineoplásicos não garante uma elevada eficácia pois os tecidos tumorais apresentam propriedades estruturais que dificultam o transporte de agentes terapêuticos, como a disposição heterogénea dos vasos sanguíneos, a ausência de sistema linfático funcional, as inúmeras barreiras de transporte que o fármaco enfrenta até chegar às células alvo ou a disparidade da expressão de antigénios e recetores nas próprias células. Para além disso, os agentes quimioterapêuticos exibem elevada toxicidade não específica, afetando tanto as células tumorais como as células saudáveis, o que resulta frequentemente em severos efeitos secundários. Se a dose for reduzida para diminuir estes efeitos, a eficácia do tratamento diminuirá também; por outro lado, o aumento da dose, apesar de permitir um melhor controlo do crescimento do tumor, leva também a uma maior toxicidade nos tecidos saudáveis. Para contornar este efeito têm-se desenvolvido diferentes tipos de sistemas de libertação de fármacos com o objetivo de maximizar o direcionamento para os tumores e minimizar a toxicidade sistémica. Entre estas alternativas figuram os chamados smart polymers, que são macromoléculas que sofrem rápidas e reversíveis mudanças na sua estrutura em resposta a estímulos, os quais correspondem geralmente a pequenas alterações no meio, como pH, temperatura, incidência de radiação ou presença de determinadas substâncias químicas. Assim, associando um fármaco a um destes polímeros, em geral recorrendo a técnicas de encapsulação, é possível fazer com que a libertação do fármaco ocorra apenas nas células tumorais, seja por estas apresentarem as características necessárias para alterar a estrutura dos polímeros (acidez ou temperatura diferente das células saudáveis, por exemplo) ou por se conferir externamente à zona do tumor essas mesmas características (por exemplo, incidindo radiação na zona afetada). Os smart polymers têm outras vantagens. Os fármacos conjugados com estes polímeros têm tendência para se acumularem nos tecidos tumorais devido aos altos efeitos de permeabilidade e retenção nestas células e também demonstram menor toxicidade sistémica comparativamente com o fármaco livre. Além disso, os sistemas de libertação poliméricos podem permitir o aumento do tempo de semivida plasmático e da solubilidade dos fármacos de baixo peso molecular, assim como a sua libertação controlada. Com este trabalho pretende-se estudar mais profundamente de que forma é que a utilização dos smart polymers pode aumentar a eficácia e diminuir a toxicidade sistémica das terapias anticancerígenas no tratamento de afeções tumorais.

In vitro blood-brain barrier models to predict the permeation of gene therapy vectors into the brain

A terapia génica tem-se revelado uma alternativa relevante no tratamento de doenças neurodegenerativas (DN). Contudo, a entrega de vetores para transferência génica no cérebro representa ainda um enorme desafio devido à presença da barreira hemato-encefálica (BHE). A BHE é uma interface dinâmica e seletiva entre o sangue e o cérebro, constituída pelas células endoteliais cerebrais, astrócitos e pericitos, desempenhando um importante papel na regulação da homeostasia cerebral. A BHE representa um dos maiores obstáculos no tratamento de DN, uma vez que esta barreira impede o transporte para o cérebro da maioria das moléculas terapêuticas, incluindo os vetores para terapia génica. Embora tenham sido desenvolvidos diferentes modelos in vitro da BHE de forma a avaliar o transporte de fármacos através da BHE, muito poucos foram criados com o intuito de testar a permeabilidade desta barreira a vetores de terapia génica. O presente trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento e a avaliação de modelos in vitro de BHE que permitam a investigação da capacidade dos vetores de terapia génica de penetrarem no cérebro. No nosso estudo, foram testados diferentes modelos in vitro de BHE em monocultura, constituídos por células endoteliais de rato ou murganho (RBE4 e bEnd3, respetivamente), e modelos de co-cultura, que combinam células endoteliais com células neuronais (Neuro2a) ou astrócitos primários, cultivados num sistema transwell. Para caraterizar estes modelos foram realizados testes de permeabilidade e de resistência elétrica transendotelial, bem como estudos baseados na técnica de PCR quantitativo e na imunocitoquímica das proteínas das junções intercelulares. Verificámos que os modelos baseados na cultura de células bEnd3 e células neuronais ou astrócitos apresentavam as melhores propriedades de barreira. Posteriormente foi avaliada nos modelos selecionados a penetração de um vetor não-viral que reconhecidamente tem a capacidade de atravessar in vivo a BHE: o peptídeo da glicoproteína do vírus da raiva (RGV-9r). Os siRNAs marcados com um fluoróforo e acoplados ao peptídeo RVG-9r foram capazes de penetrar eficientemente as células bEnd3, localizadas no lado luminal do insert, via endocitose mediada por recetores, e ainda de penetrar os astrócitos ou células neuronais, previamente cultivadas no lado abluminal. Estes resultados correlacionam-se, de forma clara, com os resultados previamente descritos em estudos in vivo. Em conclusão, os modelos in vitro de BHE baseados na co-cultura de células bEnd3 com células Neuro2a ou astrócitos, têm grande potencial na seleção de candidatos a vetores de terapia génica para o cérebro, uma vez que apresentam importantes características da BHE e se baseiam num método fácil e reprodutível. Tal facto representa uma promessa significativa para a identificação de novas estratégias de terapia génica não invasiva para o tratamento de doenças neurológicas.

Searching biocompounds in marine natural extracts with potential use in tumor prevention and treatment

Cancer is a multistage process characterized by three stages: initiation, promotion and progression; and is one of the major killers worldwide. Oxidative stress acts as initiator in tumorigenesis; chronic inflammation promotes cancer; and apoptosis inactivation is an issue in cancer progression. In this study, it was investigated the antioxidant, antiinflammatory and antitumor properties of hexane, ether, chloroform, methanol and water extracts of five species of halophytes: A. macrostachyum, P. coronopus, J. acutus, C. edulis and A. halimus. Antioxidant activity was assessed by DPPH• and ABTS•+ methods, and the total phenolics content (TPC) was evaluated by the Folin-Ciocalteau method. The anti-inflammatory activity of the extracts was determined by the Griess method, and by evaluating the inhibition of NO production in LPS-stimulated RAW- 264.7 macrophages. The cytotoxic activity of the extracts against HepG2 and THP1 cell lines was estimated by the MTT assay, and the results obtained were further compared with the S17 non-tumor cell line. The induction of apoptosis of J. acutus ether extract was assessed by DAPI staining. The highest antioxidant activities was observed in C. edulis methanol and the J. acutus ether extracts against the DPPH• radical; and J. acutus ether and A. halimus ether extracts against the ABTS•+ radical. The methanol extracts of C. edulis and P. coronopus, and the ether extract of J. acutus revealed a high TPC. Generally the antioxidant activity had no correlation with the TPC. The A. halimus chloroform and P. coronopus hexane extracts demonstrated ability to reduce NO production in macrophages (> 50%), revealing their anti-inflammatory capacity. The ether extract of J. acutus showed high cytotoxicity against HepG2 cancer cells, with reduced cellular viability even at the lowest concentrations. This outcome was significantly lower than the obtained with the non-tumor cells (S17). This result was complemented by the induction of apoptosis.

Development of a Piggybac based direct reprogramming system for derivation of integration free induced pluripotent stem cells

Induced pluripotent stem cells (iPSc) have great potential for applications in regenerative medicine, disease modeling and basic research. Several methods have been developed for their derivation. The original method of Takahashi and Yamanaka involved the use of retroviral vectors which result in insertional mutagenesis, presence in the genome of potential oncogenes and effects of residual transgene expression on differentiation bias of each particular iPSc line. Other methods have been developed, using different viral vectors (adenovirus and Sendai virus), transient plasmid transfection, mRNA transduction, protein transduction and use of small molecules. However, these methods suffer from low efficiencies; can be extremely labor intensive, or both. An additional method makes use of the piggybac transposon, which has the advantage of inserting its payload into the host genome and being perfectly excised upon re-expression of the transposon transposase. Briefly, a policistronic cassette expressing Oct4, Sox2, Klf4 and C-Myc flanked by piggybac terminal repeats is delivered to the cells along with a plasmid transiently expressing piggybac transposase. Once reprogramming occurs, the cells are re-transfected with transposase and subclones free of tranposon integrations screened for. The procedure is therefore very labor intensive, requiring multiple manipulations and successive rounds of cloning and screening. The original method for reprogramming with the the PiggyBac transposon was created by Woltjen et al in 2009 (schematized here) and describes a process with which it is possible to obtain insert-free iPSc. Insert-free iPSc enables the establishment of better cellular models of iPS and adds a new level of security to the use of these cells in regenerative medicine. Due to the fact that it was based on several low efficiency steps, the overall efficiency of the method is very low (<1%). Moreover, the stochastic transfection, integration, excision and the inexistence of an active way of selection leaves this method in need of extensive characterization and screening of the final clones. In this work we aime to develop a non-integrative iPSc derivation system in which integration and excision of the transgenes can be controlled by simple media manipulations, avoiding labor intensive and potentially mutagenic procedures. To reach our goal we developed a two vector system which is simultaneously delivered to original population of fibroblasts. The first vector, Remo I, carries the reprogramming cassette and GFP under the regulation of a constitutive promoter (CAG). The second vector, Eneas, carries the piggybac transposase associated with an estrogen receptor fragment (ERT2), regulated in a TET-OFF fashion, and its equivalent reverse trans-activator associated with a positive-negative selection cassette under a constitutive promoter. We tested its functionality in HEK 293T cells. The protocol is divided in two the following steps: 1) Obtaining acceptable transfection efficiency into human fibroblasts. 2) Testing the functionality of the construct 3) Determining the ideal concentration of DOX for repressing mPB-ERT2 expression 4) Determining the ideal concentration of TM for transposition into the genome 5) Determining the ideal Windows of no DOX/TM pulse for transposition into the genome 6) 3, 4 and 5) for transposition out of the genome 7) Determination of the ideal concentration of GCV for negative selection We successfully demonstrated that ENEAS behaved as expected in terms of DOX regulation of the expression of mPB-ERT2. We also demonstrated that by delivering the plasmid into 293T HEK cells and manipulating the levels of DOX and TM in the medium, we could obtain puromycin resistant lines. The number of puromycin resistant colonies obtained was significantly higher when DOX as absent, suggesting that the colonies resulted from transposition events. Presence of TM added an extra layer of regulation, albeit weaker. Our PCR analysis, while not a clean as would be desired, suggested that transposition was indeed occurring, although a background level of random integration could not be ruled out. Finally, our attempt to determine whether we could use GVC to select clones that had successfully mobilized PB out of the genome was unsuccessful. Unexpectedly, 293T HEK cells that had been transfected with ENEAS and selected for puromycin resistance were insensitive to GCV.

Assessment of the mineralogenic toxicity of aquatic pollutants

In ecotoxicology a major focus is in the aquatic environment, not only because it presents a great economic value to man but it is an ecosystem widely affected by the growing anthropogenic pollution. Most of the studies performed relate to adverse effects in development, reproductive or endocrine disruption but little is known about the possible effects in bone formation and skeletal development. In this study, we set out to evaluate the effects of 8 aquatic pollutants on the skeletal development using an in vivo system, the zebrafish larvae aged 20 days post-fertilization, through chronic exposure. Several endpoints were considered such as the cumulative mortality, total length, occurrence of skeletal deformities and marker gene expression. We were able to establish LD50 values for some pollutants, like 3-methylcholanthrene, lindane, diclofenac, cobalt and vanadate and found that the total length was not affected by any of the pollutants tested. Cobalt was the most harmful chemical to affect hatching time, severely affecting the ability of the zebrafish embryos to hatch and overall the number of deformities increased upon exposure to tested chemicals but no patterns of deformities were identified. We also propose that 3-methylcholanthrene has an osteogenic effect, affecting osteoblast and osteoclast function and that op levels can act as a mediator of 3-methylcholanthrene toxic stress to the osteoblast. In turn we found naphthalene to probably have a chondrogenic effect. Our results provided new insights into the potential osteotoxicity of environmental pollutants. Future studies should aim at confirming these preliminary data and at determining mechanisms of osteotoxicity.

Molecular structure and functional analysis of runx3 in zebrafish

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Universidade do Algarve, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, 2014

Identification of novel molecular determinants of tissue mineralization in fish

The identification of genes involved in signaling and regulatory pathways, and matrix formation is paramount to the better understanding of the complex mechanisms of bone formation and mineralization, and critical to the successful development of therapies for human skeletal disorders. To achieve this objective, in vitro cell systems derived from skeletal tissues and able to mineralize their extracellular matrix have been used to identify genes differentially expressed during mineralization and possibly new markers of bone and cartilage homeostasis. Using cell systems of fish origin and techniques such as suppression subtractive hybridization and microarray hybridization, three genes never associated with mechanisms of calcification were identified: the calcium binding protein S100-like, the short-chain dehydrogenase/reductase sdr-like and the betaine homocysteine S-methyltransferase bhmt3. Analysis of the spatial-temporal expression of these 3 genes by qPCR and in situ hybridization revealed: (1) the up-regulation of sdr-like transcript during in vitro mineralization of gilthead seabream cell lines and its specificity for calcified tissues and differentiating osteoblasts; (2) the up-regulation of S100-like and the down-regulation of bhmt3 during in vitro mineralization and the central role of both genes in cartilaginous tissues undergoing endo/perichondral mineralization in juvenile fish. While expression of S100-like and bhmt3 was restricted to calcified tissues, sdr-like transcript was also detected in soft tissues, in particular in tissues of the gastrointestinal tract. Functional analysis of gene promoters revealed the transcriptional regulation of the 3 genes by known regulators of osteoblast and chondrocyte differentiation/mineralization: RUNX2 and RAR (sdr-like), ETS1 (s100-like; bhmt3), SP1 and MEF2c (bhmt3). The evolutionary relationship of the different orthologs and paralogs identified within the scope of this work was also inferred from taxonomic and phylogenetic analyses and revealed novel protein subfamilies (S100-like and Sdr-like) and the explosive diversity of Bhmt family in particular fish groups (Neoteleostei). Altogether our results contribute with new data on SDR, S100 and BHMT proteins, evidencing for the first time the role for these three proteins in mechanisms of mineralization in fish and emphasized their potential as markers of mineralizing cartilage and bone in developing fish.

Development of non-viral vectors for gene therapy for pathologies of the retina

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Effects of vitamin K deficiency and its mechanisms in vertebrate's early development: zebrafish as a model

Disertação de mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Using genomics for drug discovery in medulloblastoma

Tese de doutoramento, Medicina (Neurocirurgia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014

Identification of the cellular and molecular mechanism by which CD2AP, a regulator of neuronal intracellular transport contributes to the development of Alzheimer’s disease

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Molecular e Genética). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências,2014

The impact of the phytopathogen Pectobacterium carotovorum in Drosophila melanogaster development

Tese de mestrado. Biologia (Microbiologia Aplicada). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Study the function of the newly discovered TrkB receptor fragment (TrkB-ICD) formed by calpain cleavage

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2016