Mitochondrial Transfer via Tunneling Nanotubes (TNT) is an Important Mechanism by which Mesenchymal Stem Cells Enhance Macrophage Phagocytosis in the in vitro and in vivo Models of ARDS

Mesenchymal stromal cells (MSC) have been reported to improve bacterial clearance in pre-clinical models of Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) and sepsis. The mechanism of this effect is not fully elucidated yet. The primary objective of this study was to investigate the hypothesis that the anti-microbial effect of MSC in vivo depends on their modulation of macrophage phagocytic activity which occurs through mitochondrial transfer. We established that selective depletion of alveolar macrophages (AM) with intranasal (IN) administration of liposomal clodronate resulted in complete abrogation of MSC anti-microbial effect in the in vivo model of E.coli pneumonia. Furthermore, we showed that MSC administration was associated with enhanced AM phagocytosis in vivo. We showed that direct co-culture of MSC with monocyte-derived macrophages (MDMs) enhanced their phagocytic capacity. By fluorescent imaging and flow cytometry we demonstrated extensive mitochondrial transfer from MSC to macrophages which occurred at least partially through TNT-like structures. We also detected that lung macrophages readily acquire MSC mitochondria in vivo, and macrophages which are positive for MSC mitochondria display more pronounced phagocytic activity. Finally, partial inhibition of mitochondrial transfer through blockage of TNT formation by MSC resulted in failure to improve macrophage bioenergetics and complete abrogation of the MSC effect on macrophage phagocytosis in vitro and the anti-microbial effect of MSC in vivo.

Collectively, this work for the first time demonstrates that mitochondrial transfer from MSC to innate immune cells leads to enhancement in phagocytic activity and reveals an important novel mechanism for the anti-microbial effect of MSC in ARDS.

Permeation of bioactive constituents from Arnica montana preparations through human skin in-vitro

This study investigated and characterised transdermal permeation of bioactive agents from a topically applied Arnica montana tincture. Permeation experiments conducted over 48 h used polydimethylsiloxane (silastic) and human epidermal membranes mounted in Franz-type diffusion cells with a methanol-water (50:50 v/v) receptor fluid. A commercially available tincture of A. montana L. derived from dried Spanish flower heads was a donor solution. Further donor solutions prepared from this stock tincture concentrated the tincture constituents 1, 2 and 10 fold and its sesquiterpene lactones 10 fold. Permeants were assayed using a high-performance liquid chromatography method. Five components permeated through silastic membranes providing peaks with relative retention factors to an internal standard (santonin) of 0.28, 1.18, 1.45, 1.98 and 2.76, respectively. No permeant was detected within 12 h of applying the Arnica tincture onto human epidermal membranes. However, after 12 h, the first two of these components were detected. These were shown by Zimmermann reagent reaction to be sesquiterpene lactones and liquid chromatography/diode array detection/mass spectrometry indicated that these two permeants were 11,13-dihydrohelenalin (DH) analogues (methacrylate and tiglate esters). The same two components were also detected within 3 h of topical application of the 10-fold concentrated tincture and the concentrated sesquiterpene lactone extract.

In vitro and in vivo insulinotropic properties of the multifunctional frog skin peptide hymenochirin-1B: a structure–activity study

Hymenochirin-1b (Hym-1B; IKLSPETKDNLKKVLKGAIKGAIAVAKMV.NH2) is a cationic, α-helical amphibian host-defense peptide with antimicrobial, anticancer, and immunomodulatory properties. This study investigates the abilities of the peptide and nine analogues containing substitutions of Pro5, Glu6, and Asp9 by either l-lysine or d-lysine to stimulate insulin release in vitro using BRIN-BD11 clonal β cells or isolated mouse islets and in vivo using mice fed a high-fat diet to produce obesity and insulin resistance. Hym-1B produced a significant and concentration-dependent increase in the rate of insulin release from BRIN-BD11 cells without cytotoxicity at concentrations up to 1 µM with a threshold concentration of 1 nM. The threshold concentrations for the analogues were: [P5K], [E6K], [D9K], [P5K, E6K] and [E6K, D9k] 0.003 nM, [E6K, D9K] and [D9k] 0.01 nM, [P5K, D9K] 0.1 nM and [E6k] 0.3 nM. All peptides displayed cytotoxicity at concentrations ≥1 µM except the [P5K] and [D9k] analogues which were non-toxic at 3 µM. The potency and maximum rate of insulin release from mouse islets produced by the [P5K] peptide were significantly greater than produced by Hym-1B. Neither Hym-1B nor the [P5K] analogue at 1 µM concentration had an effect on membrane depolarization or intracellular Ca2+. The [P5K] analogue (1 µM) produced a significant increase in cAMP concentration in BRIN-BD11 cells and stimulated GLP-1 secretion from GLUTag cells. Down-regulation of the protein kinase A pathway by overnight incubation with forskolin completely abolished the insulin-releasing effects of [P5K]hym-1B. Intraperitoneal administration of the [P5K] and [D9k] analogues (75 nmol/kg body weight) to high-fat-fed mice with insulin resistance significantly enhanced glucose tolerance with a concomitant increase in insulin secretion. We conclude that [P5K]hym-1B and [D9k]hym-1B show potential for development into anti-diabetic agents.

Evaluation of the in vitro biological activities of extracts from carob tree and mediterranean oaks

Dissertação mest., Engenharia Biológica, Universidade do Algarve, 2009

Aplicação de técnicas de conservação in vitro para a conservação de espécies ameaçadas

Dissertação mest., Engenharia Biológica, Universidade do Algarve, 2008

In vitro propagation of insectivorous plants for phytochemical purposes

Dissertação mest., Engenharia Biológica, Universidade do Algarve, 2009

Molecular determinants of virus-like nanoparticle assembly in vitro and in animal cell culture

Tese de doutoramento, Ciências Biotecnológicas (Engenharia Bioquímica), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2011

Comportamento in vitro de formulações lipossomais de um aminoglicosídeo com actividade anti-parasitária: citotoxicidade e interacção lipossoma-célula

Os sistemas de veiculação de fármacos, presentemente, apresentam-se como uma alternativa viável às terapias convencionais. De entre os diversos sistemas de transporte passíveis de associar substâncias farmacologicamente activas, destacam-se os de base lipídica, em particular, os lipossomas, os quais constituem um dos sistemas mais estudados e com maior sucesso, comprovado pelo número de produtos em fase clínica ou já aprovados para utilização em humanos. Os lipossomas são estruturas constituídas por membranas lipídicas organizadas em bicamadas, fechadas e concêntricas, que permitem a encapsulação de moléculas hidrofílicas no espaço interno aquoso e hidrofóbicas na bicamada lipídica. No presente trabalho, foram desenvolvidas metodologias com vista à encapsulação em lipossomas do aminoglicosídeo, a Paromomicina (PRM). Este fármaco está indicado para o tratamento de doenças infecciosas nomeadamente parasitárias e bacterianas. Algumas das principais desvantagens resultantes da sua utilização em clínica são, o reduzido tempo de circulação na corrente sanguínea, rápida excreção renal e consequentemente insuficiente concentração intracelular do fármaco. Como forma de ultrapassar algumas das desvantagens apresentadas, foram desenvolvidas formulações lipossomais de PRM com vista a melhorar o desempenho deste antibiótico. Para tal, foram preparadas e caracterizadas diversas formulações lipossomais de PRM com vista à selecção daquelas que apresentem maiores valores de eficácia de encapsulação (E.E.), e superior estabilidade. Com as formulações seleccionadas foram realizados estudos in vitro de interacção lipossoma-célula, utilizando uma linha celular humana monocítica leucémica, THP-1. De entre as formulações desenvolvidas e seleccionadas para os estudos in vitro de a formulação DPPC:DPPG, foi uma das que apresentou uma E.E. superior a 80% e valores de internalização celular superiores a 90%.

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.

In vitro spore germination of Polystichum drepanum, a threatened fern from Madeira Island

Polystichum drepanum (Sw) C. Presl is a threatened fern endemic to a few forest areas in the north-west of Madeira Island. The aims of this work were to establish suitable culture conditions for in vitro germination of spores, and to evaluate short-term storage conditions for P drepanum spores. The highest frequency of germination was obtained in Murishage and Skoog (MS) liquid medium, without agitation. However, gametophytes maintained in MS liquid medium did not grow and, after 4 weeks, became anoxic and died. Thus, after germination in liquid medium, gametophytes were transferred to an MS double-phase culture system for further growth. The effects of storage period, temperature, and relative humidity during storage on in vitro spore germination were studied. Spore viability was assessed after 2, 4 and 6 months, and high viability (> 94%) was observed in all the assays. However, germination capability decreased with increased storage periods. The number of sporophytes obtained also decreased with prolonged storage periods. The results indicate that spores of R drepanum stored for 4 months at 21 degrees C maintain high viability and high germination frequency. ne sporophytes obtained were acclimatised in a mixture of peat and vermiculite [2:1 (v/v)] under high relative humidity (90-95%). Seventy-five sporophytes were successfully acclimatised to ex vitro conditions and showed active growth in the glasshouse.

Characterization of the toxic potential of nanomaterials using in vitro cell models

Os nanomateriais são estruturas com uma ou mais dimensões inferiores a 100 nanómetros. Devido à sua pequena dimensão, as nanopartículas apresentam atributos únicos, tais como a sua elevada área superficial relativamente à sua massa, reactividade ou força tênsil. Estas características influenciam grandemente algumas das propriedades dos nanomateriais, como a sua hidrofobicidade, carga ou toxicidade. As propriedades das nanopartículas tornam-nas também muito úteis para o Homem, sendo aplicadas em medicina, farmácia, electrónica, cosmética, vestuário e biotecnologia, entre outras. O aumento de produção e utilização de nanomateriais tem vindo a aumentar também a possibilidade de exposição humana a este tipo de partículas, levando a preocupações relativas ao risco de toxicidade aguda ou crónica. A exposição humana pode ocorrer por diversas vias, sendo as mais relevantes a via inalatória, ingestão ou contacto com a pele. Dependendo do material e do órgão-alvo, a exposição a nanomateriais pode conduzir a diferentes consequências biológicas: a nível dos órgãos, os nanomateriais podem levar a inflamação ou a supressão do sistema imunitário e, a nível celular e molecular, a perturbações na estrutura e integridade do genoma, assim como a interacções com moléculas biológicas e inibição da actividade proteica, entre outras consequências. Um dos nanomateriais mais utilizados são os nanotubos de carbono. Estes são constituídos por grafite cilíndrica disposta numa única camada (designados nanotubos de carbono de parede simples) ou em várias (nanotubos de carbono de parede múltipla). Os nanotubos de carbono apresentam propriedades como resistência e condutividade que os tornam muito úteis em aplicações como aparelhos electrónicos, vestuário ou biomedicina; cada vez mais, portanto, se torna provável a exposição ocupacional ou ambiental a este material. A semelhança estrutural destas partículas com fibras de amianto conduziu a questões relativas à sua segurança, pelo que já foram elaborados diversos estudos relativos aos seus efeitos biológicos. Alguns trabalhos sugerem que os nanotubos de carbono têm a capacidade de produzir toxicidade associada a lesões físicas, à produção de danos oxidativos por interacção com mecanismos celulares, ou a morte celular. Outros trabalhos defendem que estas partículas não causam toxicidade relevante. O projecto de dimensão europeia “NANoREG” surgiu da necessidade de ser desenvolvida legislação e regulamentação apoiadas em conhecimento científico e adequadas à produção e ao uso actual de nanomateriais. Este trabalho teve como objectivos principais a determinação do potencial cito- e genotóxico de um conjunto de nanotubos de carbono de parede múltipla (designados NM-400 a NM-403), e a consequente tentativa de associar este potencial às características físico-químicas dos nanomateriais. Com este objectivo, a exposição por via inalatória foi analisada, pelo uso de duas linhas celulares in vitro provenientes de tecidos do tracto respiratório: epitélio pulmonar (células A549) e epitélio brônquico (células BEAS-2B). A citotoxicidade dos nanotubos de carbono foi analisada com base em três parâmetros. Em primeiro lugar, as células foram contadas após a exposição aos nanomateriais utilizando o corante azul de tripanao para excluir as células inviáveis; a contagem foi realizada 3 e 24 horas após a exposição das células aos nanotubos. Os resultados deste ensaio apontam para a ausência de citotoxicidade após a exposição mais curta, e dados inconsistentes após a mais longa. Em segundo lugar, foi realizado o ensaio clonogénico, que se baseia na capacidade das células de se dividirem após a exposição ao agente em estudo. Este ensaio só foi realizado nas células A549 pois as BEAS-2B não permitem a formação de colónias. Os resultados apontam para uma citotoxicidade após a exposição a todos os nanomateriais, cuja intensidade se relaciona directamente com o tamanho das partículas, assim como ao seu diâmetro e área de superfície. Em terceiro lugar, foram calculados dois índices de viabilidade no ensaio dos Micronúcleos, cujo objectivo é avaliar se as células se dividiram durante a exposição aos nanomateriais em comparação com o controlo, e cujos resultados apresentam incoerências em relação aos outros já referidos. Estes dados podem ser justificados pelas diferenças existentes entre os ensaios, como o tempo de exposição ou a densidade celular. Os efeitos genotóxicos dos nanomateriais foram avaliados com recurso aos ensaios do cometa e dos micronúcleos. O primeiro detecta lesões pequenas e reversíveis nas cadeias de DNA, ao passo que o segundo detecta efeitos irreversíveis ao nível cromossómico, tais como quebras ou perdas de cromossomas. Os resultados do ensaio do cometa sugerem que nenhum dos nanomateriais testados é genotóxico, uma vez que em ambas as linhas celulares e em ambos os tempos de exposição, os resultados são negativos. O ensaio dos micronúcleos, por outro lado, aponta para existência de genotoxicidade de dois dos nanomateriais (NM-401 e NM-402) nas células A549, mas não em células BEAS-2B. Uma possível explicação para estes dados aparentemente contraditórios pode residir na hipótese de estes nanotubos de carbono serem compostos com efeitos aneugénicos, mas não clastogénicos: o ensaio dos micronúcleos permite a detecção de ambos os mecanismos de acção, ao passo que o ensaio do cometa só revela a quebra de cadeias de DNA. Outra justificação para os resultados é a possível influência da perda de viabilidade das células analisadas. Com base nos dados do ensaio clonogénico, estas partículas apresentam elevada citotoxicidade, pelo que os resultados dos ensaios de genotoxicidade, em particular do Ensaio do Cometa, poderão ser afectados por estes efeitos. O meio de cultura usado para expor as células aos nanomateriais também é um parâmetro muito relevante na sua toxicidade. Neste trabalho, foram usados meios de cultura com proteínas, que podem ser adsorvidas pelas partículas e formar uma “corona” em seu redor; este processo pode alterar propriedades importantes dos nanomateriais, entre os quais o seu potencial efeito biológico. Também o método usado para conseguir uma dispersão homogénea de nanomateriais pode conduzir a diferenças nos resultados dos ensaios de toxicidade. Neste estudo, foram observados alguns problemas relativos à perda de homogeneidade das dispersões de nanotubos de carbono, o que pode ter conduzido a que as células fossem expostas a massas de partículas de grandes dimensões conjuntamente com partículas individualizadas. O período durante o qual as células são expostas ao nanomaterial é também um aspecto essencial na produção de efeitos tóxicos. Resumindo, este projecto forneceu informações relativas à toxicidade dos nanotubos de carbono que, complementadas pelas conclusões dos restantes parceiros do projecto europeu, poderão contribuir significativamente para a avaliação de risco e criação de legislação relativamente à utilização de nanomateriais. Na linha celular BEAS-2B, nenhum destes nanomateriais parece produzir efeitos tóxicos, quer a nível de célula, quer a nível de genoma, nas condições experimentais utilizadas. Nas células A549, por outro lado, os três nanomateriais testados parecem ser acentuadamente citotóxicos, e dois deles (NM-401 e NM-402) são também genotóxicos. Em relação a perspectivas futuras, pode-se concluir que nem todos os ensaios de toxicidade existentes actualmente são adequados à análise de nanopartículas, pelo que novas metodologias devem ser desenvolvidas e complementadas por ensaios in vivo. Todos os estudos envolvendo nanomateriais deverão também descrever as características físico-químicas dos materiais usados, de forma a se poderem comparar os resultados com os de outros trabalhos.

Essential oils as anti-nematode agents and their influence on in vitro nematode

Tese de doutoramento, Biologia (Biotecnologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015