Regulation of human mesenchymal stem cell osteogenesis by specific surface density of fibronectin: a gradient study

 The success of synthetic bone implants requires good interface between the material and the host tissue. To study the biological relevance of fi bronectin (FN) density on the osteogenic commitment of human bone marrow mesenchymal stem cells (hBMMSCs), human FN was adsorbed in a linear density gradient on the surface of PCL. The evolution of the osteogenic markers alkaline phosphatase and collagen 1 alpha 1 was monitored by immunohistochemistry, and the cytoskeletal organization and the cell-derived FN were assessed. The functional analysis of the gradient revealed that the lower FN-density elicited stronger osteogenic expression and higher cytoskeleton spreading, hallmarks of the stem cell commitment to the osteoblastic lineage. The identifi cation of the optimal FN density regime for the osteogenic commitment of hBM-MSCs presents a simple and versatile strategy to signifi cantly enhance the surface properties of polycaprolactone as a paradigm for other synthetic polymers intended for bone-related applications.

High-aspect-ratio tridimensional electrode arrays for neural applications

Tese de Doutoramento em Engenharia Biomédica.

Rol de motores moleculares y tráfico vesicular en el establecimiento de la polaridad neuronal. Molecular motors and vesicle trafficking role in neuronal polarity establishment.

En los últimos años se ha establecido que un gran número de enfermedades neurodegenerativas están asociadas a defectos en el transporte vesicular, particularmente aquel mediado por motores moleculares y proteínas quinasas, estando directamente relacionado al establecimiento y mantenimiento de la polaridad neuronal.El estudio de los mecanismos moleculares que regulan la formación y diferenciación de dendritas, especialmente a nivel del tráfico de organelas túbulo-vesiculares, nos permitirá entender el papel de los motores moleculares retrógrados y de las proteínas quinasas en el establecimiento de la polaridad neuronal, evento crucial para el mantenimiento y función del sistema nervioso.Para ello contamos con las herramientas necesarias para el estudio del transporte de proteínas a nivel molecular y celular, como cDNAs para expresar varias proteínas de estudio, siRNAs para bloquear la expresión de proteínas específicas, dominantes negativos y constitutivamente activos de algunos de los componentes a analizar, así como anticuerpos que nos permitan monitorear su localización celular, para lo cual contamos con equipos de microscopía de última generación.Es de esperar que se obtengan resultados que confirmen el papel específico de motores retrógrados, como dineína, y quinasas de las familias C y D, en el transporte de proteínas de membrana al compartimiento somato-dendrítico, demostrando su importancia en el establecimiento de la polaridad neuronal. Entender el desarrollo y el mantenimiento de esta polaridad axón-dendrita es de vital importancia, tanto para incrementar el conocimiento del funcionamiento y la biología del sistema nervioso, como para comprender aquellos mecanismos que se desarrollan en ciertas enfermedades neurodegenerativas y neuropsiquiátricas.

Terapéutica farmacológica y de pequeñas moléculas en patologías de atesoramiento lisosomal: focalización en las Lipofuscinosis Ceroideas Neuronales. Farmaceutical and small molecules therapy in lysosomal storage diseases: focus on the Neuronal Ceroid Lipofuscinoses.

Introducción: Las Lipofuscinosis Ceroideas Neuronales (LCNs) son un grupo de patologías neurodegenerativas hereditarias de atesoramiento lisosomal (PALs) caracterizadas por el almacenamiento en los lisosomas de materiales complejos pobremente reconocidos. Su curso es muy severo con desenlace fatal, habiendo sido definidos diversos tipos sobre la base del estudio de los fenotipos clínicos, enzimáticos, morfológicos y las mutaciones. Su incidencia es de 1:12.500 nacimientos vivos a nivel mundial. Las intervenciones farmacológicas con moléculas pequeñas han sido exitosas para algunas PALs; sin embargo, debido a que para cada una de las moléculas ha sido asumido un mecanismo de acción, la efectividad puede estar limitada a uno o a pocos desórdenes y no beneficiar a otros. Se han comprobado efectos diversos de una serie de moléculas tales como Miglustat, Chaperonas moleculares diseñadas, Clenbuterol, N-acetilcisteina (Mucomyst), Cisteamina, Gentamicina y PTC124. Los tratamientos farmacológicos/ con moléculas pequeñas podrían resultar exitosos para las LCNs, mereciendo consideración desarrollar terapias para estos desórdenesObjetivo generalo Investigar en un tipo de patologías del sistema nervioso central, las Lipofuscinosis Ceroideas Neuronales, el enfoque terapéutico-farmacológico con pequeñas moléculas aplicado a otras patologías hereditarias.Objetivos específicoso Desarrollar un prototipo de cultivo de fibroblastos de pacientes a nivel hospitalario en Córdoba y mantener cultivos de fibroblastos de pacientes afectados de una LCN de genotipo CLN2, con mutaciones conocidas. o Enriquecer los cultivos con fármacos/ moléculas pequeñas probadas en otras PALs.o Averiguar si se produce incremento de actividad enzimática de la Tripeptidil Peptidasa-I (TPP-I) lisosomal.Materiales y Métodos: cultivo de fibroblastos de pacientes con el agregado de fármacos/pequeñas moléculas. Los donantes serán diagnosticados en CEMECO a través de una estrategia sistematizada para el reconocimiento de las LCNs y se identificarán las mutaciones en el gen CLN2 causales de enfermedad. Se averiguará la actividad enzimática de TPP-I y se marcará la enzima con anticuerpos específicos en corridas electroforéticas por western blot. Resultados esperados: incrementos en la actividad enzimática de TPP-I en los cultivos celulares con agregado de fármacos/ pequeñas moléculas con respecto a los controles. Importancia del proyecto: se trata de una investigación traduccional (traslational research) en la cual la clínica y los servicios a pacientes se vinculan con la investigación científica, desde una perspectiva de integración. Se desarrolla en un Hospital Público, el Hospital de Niños de la Provincia de Córdoba, asiento del Centro de Estudio de las Metabolopatías Congénitas-CEMECO. Se beneficiarán los pacientes, dado que impactará sobre la calidad de los servicios hospitalarios al suministrar diagnósticos bajo los estándares internacionales, en estrecha vinculación con centros referenciales del exterior. Se obtendrán para los genes de las LCNs los datos del espectro de mutaciones y polimorfismos presentes en la región y se aportarán datos sobre posibilidades de las terapias farmacológicas en relación a cada una de las mutaciones.

Rol de los factores de crecimiento Wnt sobre el desarrollo de polaridad neuronal y crecimiento axonal. Role of Wnt growth factors on neuronal polarity and axon growth.

El desarrollo y funcionamiento del sistema nervioso dependen de la formación de circuitos neuronales específicos y de programas intrínsecos y extrínsecos que actúan como moduladores del desarrollo neuronal. Inicialmente, los neuroblastos "sensan" a través de receptores específicos, la presencia en el medio de factores de crecimiento, como neurotrofinas clásicas (BDNF, NGF, etc), IGF-1, factores Wnts, que regulan la diferenciación neuronal, polarización, migración, etc. Hasta hace pocos años, las funciones específicas de los diferentes sistemas de factor de crecimiento-receptor en el establecimiento de polaridad y la regulación del crecimiento axonal eran mayormente desconocidas. Más recientemente, trabajos de nuestro y otros grupos de investigación han aportado significativamente al conocimiento de los mecanismos que involucran los sistemas IGF-1-receptor de IGF-1, BDNF-TrkB y NGF-TrkA sobre el desarrollo de polaridad neuronal. Sin embargo, si bien se conoce que los factores de crecimiento Wnt cumplen un rol crucial en eventos que ocurren durante la maduración neuronal (dendritogénesis, sinaptogénesis) poco se sabe sobre los mecanismos por los cuales estos factores regularían el establecimiento inicial de polaridad y el crecimiento axonal. Los factores Wnt como así también su primer efector intracelular Dishevelled (DVL) y sus cascadas de señalización participan de procesos como neurogénesis, guiado axonal, desarrollo dendrítico y formación y mantenimiento de sinápsis. Por estas razones, para el desarrollo del presente proyecto planeamos estudiar los efectos de los factores Wnts, su receptor Frizzled (Fz) y su efector DVL sobre el establecimiento de polaridad y la regulación del crecimiento axonal. También compararemos los efectos de los factores Wnt con los de IGF-1 (el único factor de crecimiento conocido esencial para el establecimiento de polaridad). Finalmente, intentaremos determinar cuál o cuáles de las cascadas intracelulares de señalización activadas por los Wnts están involucradas en sus efectos axogénicos. La metodología a utilizar se basará en el empleo de cultivos primarios de neuronas de hipocampo de embriones de rata de 18 días de gestación, los que serán expuestos a los factores Wnt y/o IGF-1. Se diseñarán experimentos tendientes a evaluar los efectos de dichos factores durante los diferentes estadíos de diferenciación neuronal que se analizarán por microscopía de fluorescencia confocal. Al mismo tiempo se realizarán ensayos de subfraccionamiento que permitan purificar conos de crecimiento aislados en los que se evaluará el rol local de Wnt y sus efectores sobre la fosforilación de quinasas que median la adición local de membrana y elongación axonal. Se examiná el rol de DVL sobre la especificación axonal a través de la expresión epistática en neuronas no diferenciadas como así también se bloqueará su expresión a tavés del uso de siRNA o cDNAs que actúen como dominantes negativas. Finalmente, se examinará una posible "transactivación" por IGF-1 o Wnts de sus receptores o primeros efectores intracelulares específicos, IRS-1- PI3K para IGF-1 y Dishevelled para Wnts. Para ello, se diseñarán experimentos en los que se utilizarán inhibidores farmacológicos específicos y se realizan ensayos de fosforilación en conos de crecimiento aislados y en cultivos neuronales. Los resultados serán cuantificados y sometidos softwares estadísticos adecuados.El desarrollo de estos experimentos nos permitirá examinar posibles paralelismos entre la activación del sistema Wnt-Frizzled-Dishevelled y del sistema IGF-1-Receptor de IGF-1-PI3K, el único sistema factor de crecimiento-receptor conocido esencial para el establecimiento de la polaridad neuronal y así poder lograr un acercamiento al/los posible mecanismo/s que regula/n la diferenciación neuronal y el crecimiento axonal.

Participación del tráfico y la distribución de proteínas en la polaridad y el desarrollo de procesos neuronales. Protein sorting and trafficking participation in neuronal processes polarity and development.

El estudio del tráfico intracelular en neuronas ha despertado gran interés en los últimos años, debido a que un gran número de enfermedades neurodegenerativas y neuropsiquiátricas parecen tener origen en en el transporte defectuoso de proteínas en estos tipos celulares. Mediante el uso de técnicas de biología celular y molecular, fuimos capaces de describir una de las vías que regula la fisión de las vesículas que llevan su cargo desde la última cisterna del Aparato de Golgi hacia la superficie celular en células epiteliales no polarizadas. Uno de los componentes clave de esa vía resultó ser la Proteina Kinasa D1 (PKD1), cuya actividad en el Aparato de Golgi es esencial para un normal transporte intracelular. Sorprendentemente, observamos que la PKD1 en neuronas con polaridad establecida no regula la fisión en el Golgi, pero si estaría involucrada en la selectividad y distribución (sorting) de vesículas cuyo cargo debe ser específicamente dirigido a las membranas dendríticas. El bloqueo de la actividad de la PKD1 no solamente cambia el destino final de estos cargos, que son enviados de esta forma a la membrana terminal del axón, sino que también es capaz de inducir defectos en el desarrollo y crecimiento de los procesos dendríticos a largo plazo. En este proyecto estudiaremos de que manera influye la perturbación del sorting, en ausencia de PKD1 activa y de otros componentes que la regulan, en la distribución de receptores de factores neurotróficos y de neurotransmisores glutamatérgicos, y cómo estos cambios en su distribución afectan el número, tamaño, y funcionalidad de los procesos neuronales (axones y dendritas). Estos resultados contribuirán a adquirir mayores conocimientos de los mecanismos dependientes del transporte y sorting de proteínas de membrana que participan en la regulación del crecimiento neuronal, los cuales a su vez aportarán información valiosa en la comprensión de un gran número de enfermedades neurológicas. The study of intracellular trafficking in neurons has arisen a great deal of interest in the last years, since a great number of neurodegenerative and neuropsychiatric disorders seem to be originated in abnormal protein transport in these type of cells. Using cell and molecular biology methodologies, we have been capable of describe one of the pathways that regulate the fission of vesicles that carry their cargo from the last Golgi Apparatus cisternae to the cell surface in non-polarized epithelial cells. One of the key components in this pathway is the Protein Kinase D1 (PKD1), whose activity in the Golgi Apparatus is essential for a normal intracelular transport. Surprisingly, we have observed that PKD1 does not regulate fission in neurons with established polarity, but it would be involved in vesicles' sorting at Golgi, particularly of those that carry specific dendritic cargo. Blocking PKD1 activity changes the final destination of these cargoes, which is now sent to the axons' terminal membranes, and also produces late dendritic development and growing defects. In this project we will study how sorting perturbation in absence of PKD1 and its regulators activities influences selectivity and distribution of neurotrophic and neurotransmitter receptors, and how these sorting changes affect number, size and functionality of neuronal processes (axons and dendrites). These results will help to acquire greater knowledge about transport and sorting mechanisms of neuronal growth regulatory membrane proteins. In addition, these studies will contribute with new valuable information necessary to understand numerous neurological diseases.

Defining habitat characteristics influencing the distribution, density and growth of Plaice (Pleuronectes Platessa) and Dab (Limanda Limanda) on west of Ireland nursery grounds

Plaice (Pleuronectes platessa, L.) and dab (Limanda limanda, L.) are among the most abundant flatfishes in the north-eastern Atlantic region and the dominant species in shallow coastal nursery grounds. With increasing pressures on commercial flatfish stocks in combination with changing coastal environments, better knowledge of population dynamics during all life stages is needed to evaluate variability in year-class strength and recruitment to the fishery. The aim of this research was to investigate the complex interplay of biotic and abiotic habitat components influencing the distribution, density and growth of plaice and dab during the vulnerable juvenile life stage and to gain insight in spatial and temporal differences in nursery habitat quality along the west coast of Ireland. Intraspecific variability in plaice diet was observed at different spatial scales and showed a link with condition, recent growth and morphology. This highlights the effect of food availability on habitat quality and the need to consider small scale variation when attempting to link habitat quality to feeding, growth and condition of juvenile flatfish. There was evidence of trophic, spatial and temporal resource partitioning between juvenile plaice and dab allowing the co-existence of morphologically similar species in nursery grounds. In the limited survey years there was no evidence that the carrying capacity of the studied nursery grounds was reached but spatial and interannual variations in fish growth indicated fluctuating environments in terms of food availability, predator densities, sediment features and physico-chemical conditions. Predation was the most important factor affecting habitat quality for juvenile plaice and dab with crab densities negatively correlated to fish condition whereas shrimp densities were negatively associated with densities of small-sized juveniles in spring. A comparison of proxies for fish growth showed the advantage of Fulton’s K for routine use whereas RNA:DNA ratios proved less powerful when short-term environmental fluctuations are lacking. This study illustrated how distinct sets of habitat features can drive spatial variation in density and condition of juvenile flatfish highlighting the value of studying both variables when modeling habitat requirements. The habitat models generated in this study also provide a powerful tool to predict potential climate and anthropogenic impacts on the distribution and condition of juveniles in flatfish nurseries. The need for effective coastal zone management was emphasized to ensure a sustainable use of coastal resources and successful flatfish recruitment to the fishery.

Functional neuronal plasticity in the dentate gyrus of freely moving rats

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2011

Modelling and analysis of a production plant for low density polyethylene

Dynamic model, tubular reactor, polyethylene, LDPE, discretization, simulation, sensitivity analysis, nonlinear analysis

impact of prenatal stress and neonatal handling on the neuronal development of the rodent limbic system

Prenatal stress, rodent, limbic system, neuronal development, dendritic spines, sex difference

Estimation of nonparametric probability density functions with applications to automatic speech recognition

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2007

Refinement of neuronal networks in the rodent prefrontal cortex and hippocampus : critical impact of early and late social experiences

Weaning, social environment, dendrites, dendritic spines, limbic system

Molecular dynamics of the neuronal Ca 2+ -binding proteins Caldendrin and Calneurons

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2009

Funktion der astrozytär und neuronal exprimierten Rezeptoruntereinheit gp130 bei der murinen Toxoplasma-Enzephalitis

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2012

Neuronal alterations in chronic cerebral Toxoplasma gondii infection

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2015