The molecular signature of the stroma response in prostate cancer-induced osteoblastic bone metastasis highlights expansion of hematopoietic and prostate epithelial stem cell niches

The reciprocal interaction between cancer cells and the tissue-specific stroma is critical for primary and metastatic tumor growth progression. Prostate cancer cells colonize preferentially bone (osteotropism), where they alter the physiological balance between osteoblast-mediated bone formation and osteoclast-mediated bone resorption, and elicit prevalently an osteoblastic response (osteoinduction). The molecular cues provided by osteoblasts for the survival and growth of bone metastatic prostate cancer cells are largely unknown. We exploited the sufficient divergence between human and mouse RNA sequences together with redefinition of highly species-specific gene arrays by computer-aided and experimental exclusion of cross-hybridizing oligonucleotide probes. This strategy allowed the dissection of the stroma (mouse) from the cancer cell (human) transcriptome in bone metastasis xenograft models of human osteoinductive prostate cancer cells (VCaP and C4-2B). As a result, we generated the osteoblastic bone metastasis-associated stroma transcriptome (OB-BMST). Subtraction of genes shared by inflammation, wound healing and desmoplastic responses, and by the tissue type-independent stroma responses to a variety of non-osteotropic and osteotropic primary cancers generated a curated gene signature ("Core" OB-BMST) putatively representing the bone marrow/bone-specific stroma response to prostate cancer-induced, osteoblastic bone metastasis. The expression pattern of three representative Core OB-BMST genes (PTN, EPHA3 and FSCN1) seems to confirm the bone specificity of this response. A robust induction of genes involved in osteogenesis and angiogenesis dominates both the OB-BMST and Core OB-BMST. This translates in an amplification of hematopoietic and, remarkably, prostate epithelial stem cell niche components that may function as a self-reinforcing bone metastatic niche providing a growth support specific for osteoinductive prostate cancer cells. The induction of this combinatorial stem cell niche is a novel mechanism that may also explain cancer cell osteotropism and local interference with hematopoiesis (myelophthisis). Accordingly, these stem cell niche components may represent innovative therapeutic targets and/or serum biomarkers in osteoblastic bone metastasis.

Genetic Sharing with Cardiovascular Disease Risk Factors and Diabetes Reveals Novel Bone Mineral Density Loci

Bone Mineral Density (BMD) is a highly heritable trait, but genome-wide association studies have identified few genetic risk factors. Epidemiological studies suggest associations between BMD and several traits and diseases, but the nature of the suggestive comorbidity is still unknown. We used a novel genetic pleiotropy-informed conditional False Discovery Rate (FDR) method to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with BMD by leveraging cardiovascular disease (CVD) associated disorders and metabolic traits. By conditioning on SNPs associated with the CVD-related phenotypes, type 1 diabetes, type 2 diabetes, systolic blood pressure, diastolic blood pressure, high density lipoprotein, low density lipoprotein, triglycerides and waist hip ratio, we identified 65 novel independent BMD loci (26 with femoral neck BMD and 47 with lumbar spine BMD) at conditional FDR < 0.01. Many of the loci were confirmed in genetic expression studies. Genes validated at the mRNA levels were characteristic for the osteoblast/osteocyte lineage, Wnt signaling pathway and bone metabolism. The results provide new insight into genetic mechanisms of variability in BMD, and a better understanding of the genetic underpinnings of clinical comorbidity.

Ectopic bone formation in rapidly fabricated acellular injectable dense collagen-Bioglass hybrid scaffolds via gel aspiration-ejection

Gel aspiration-ejection (GAE) has recently been introduced as an effective technique for the rapid production of injectable dense collagen (IDC) gel scaffolds with tunable collagen fibrillar densities (CFDs) and microstructures. Herein, a GAE system was applied for the advanced production and delivery of IDC and IDC-Bioglass® (IDC-BG) hybrid gel scaffolds for potential bone tissue engineering applications. The efficacy of GAE in generating mineralizable IDC-BG gels (from an initial 75-25 collagen-BG ratio) produced through needle gauge numbers 8G (3.4 mm diameter and 6 wt% CFD) and 14G (1.6 mm diameter and 14 wt% CFD) was investigated. Second harmonic generation (SHG) imaging of as-made gels revealed an increase in collagen fibril alignment with needle gauge number. In vitro mineralization of IDC-BG gels was confirmed where carbonated hydroxyapatite was detected as early as day 1 in simulated body fluid, which progressively increased up to day 14. In vivo mineralization of, and host response to, acellular IDC and IDC-BG gel scaffolds were further investigated following subcutaneous injection in adult rats. Mineralization, neovascularization and cell infiltration into the scaffolds was enhanced by the addition of BG and at day 21 post injection, there was evidence of remodelling of granulation tissue into woven bone-like tissue in IDC-BG. SHG imaging of explanted scaffolds indicated collagen fibril remodelling through cell infiltration and mineralization over time. In sum, the results suggest that IDC-BG hybrid gels have osteoinductive properties and potentially offer a novel therapeutic approach for procedures requiring the injectable delivery of a malleable and dynamic bone graft that mineralizes under physiological conditions

Investigating Tools used to Analyse the Impact of a Wave Farm on the surrounding Wave Field

For wave energy to become commercially viable, it is predicted that wave energy converters (WECs) will need to be installed in large wave farms. This will required an extensive environmental impact study. Assessments of impacts of these sites requires prior numerical modelling however the available tools have not been fully validated.
This project investigates the area surrounding an array of five scaled WEC models using experimental techniques. It then assesses the suitability of numerical tools to be validated with this experimental data. Validated numerical tools could then be used to predict parameters relating to the models such as reflection and transmission coefficients.
The physical aspect of this project was conducted in the Portaferry wave basin owned by Queen’s University Belfast. The device studied was a bottom hinged oscillating wave surge converter (OWSC) which penetrates the surface (similar to the Oyster device). The models were tested at 40th scale.

Vertebrate diversity in the Bussaco Mountain and surrounding areas

A biodiversidade é fundamental para o funcionamento dos ecossistemas e, além do seu valor intrínseco, fornece bens e serviços essenciais ao Homem. É consensual que as reservas naturais, por si só, não conseguirão preservar a biodiversidade de modo a que seja travada a perda de espécies que vem acontecendo a ritmos sem precedente. Assim, compreender os padrões de distribuição das espécies à escala regional ou sub-regional, ainda que em territórios não classificados, é crucial para o estabelecimento de políticas de gestão que visem a conservação da biodiversidade. O principal objectivo deste trabalho centrou-se na descrição e compreensão dos padrões de riqueza específica, distribuição e abundância de Vertebrados face aos diversos habitats que constituem a área de estudo. Constituíram, assim, objecto de estudo os anfíbios, aves, morcegos, micromamíferos e mamíferos de médio porte. A Serra do Bussaco e áreas envolventes encontram-se dominadas por vastas extensões de monocultura de Pinus pinaster e Eucalyptus globulus e por terrenos agrícolas. A Mata Nacional do Bussaco, bosque extremamente diverso, é outro importante elemento de paisagem. Pretendeu-se então analisar o efeito das práticas silvícolas actuais e da intensificação da agricultura sobre a biodiversidade, averiguando a importância de cada tipo de habitat para os Vertebrados em geral, e para algumas classes em particular. De entre os terrenos agrícolas, é bastante claro que a agricultura tradicional, com a sua típica complexidade e disponibilidade de água, constitui um habitat muito importante para a maioria dos Vertebrados, tendo também apresentado o maior valor conservacionista. No que respeita aos habitats florestais, o bosque misto apresentou consistentemente maior riqueza específica e diversidade, afirmando-se como o habitat preferido para a maioria das espécies e aquele com maior valor conservacionista. Do ponto de vista da conservação, as monoculturas, especialmente as da uma espécie exótica, revelaram-se habitats relativamente pobres. No entanto, estas conclusões referem-se às tendências gerais, sendo que taxa particulares respondem de forma diferente, atendendo aos seus requisitos específicos. A informação recolhida fornece bases essenciais para a construção de linhas de orientação que visem a integração das actividades humanas com a manutenção da biodiversidade e respectivos serviços, presumivelmente com aplicação a outras áreas geográficas.

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.

Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

Alkali-free bioactive glasses for bone regeneration

Bioactive glasses and glass-ceramics are a class of third generation biomaterials which elicit a special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissues. The purpose of the present study was to develop diopside based alkali-free bioactive glasses in order to achieve good sintering behaviour, high bioactivity, and a dissolution/ degradation rates compatible with the target applications in bone regeneration and tissue engineering. Another aim was to understand the structure-property relationships in the investigated bioactive glasses. In this quest, various glass compositions within the Diopside (CaMgSi2O6) – Fluorapatite (Ca5(PO4)3F) – Tricalcium phosphate (3CaO•P2O5) system have been investigated. All the glasses were prepared by melt-quenching technique and characterized by a wide array of complementary characterization techniques. The glass-ceramics were produced by sintering of glass powders compacts followed by a suitable heat treatment to promote the nucleation and crystallization phenomena. Furthermore, selected parent glass compositions were doped with several functional ions and an attempt to understand their effects on the glass structure, sintering ability and on the in vitro bio-degradation and biomineralization behaviours of the glasses was made. The effects of the same variables on the devitrification (nucleation and crystallization) behaviour of glasses to form bioactive glass-ceramics were also investigated. Some of the glasses exhibited high bio-mineralization rates, expressed by the formation of a surface hydroxyapatite layer within 1–12 h of immersion in a simulated body fluid (SBF) solution. All the glasses showed relatively lower degradation rates in comparison to that of 45S5 Bioglass®. Some of the glasses showed very good in vitro behaviour and the glasses co-doped with zinc and strontium showed an in vitro dose dependent behaviour. The as-designed bioactive glasses and glass–ceramic materials are excellent candidates for applications in bone regeneration and for the fabrication of scaffolds for tissue engineering.

Role of insulin and insulin-like peptides in bone formation: identification of bone-specific target genes and regulatory mechanisms, and characterization of the insulin-mimetic effect of vanadium

Tese de Doutoramento em Biologia, Especialidade em Biologia Molecular, Universidade do Algarve, 2008

Detection of mineralized structures in very early stages of development of Marine Teleostei using a modified Alcian blue-Alizarin red double staining technique for bone and cartilage

We have developed a procedure for staining cartilage and bone in fish larvae as small as 2 mm (notochord length), for which standard alcian blue/alizarin red procedures did not give positive and/or consistent results. Small calcified structures only 100-200 pm in length can be clearly visualized. The method is suitable for both ontogenic studies during early stages of skeletal development in most marine fishes (e.g., Sparus aurata L., Solea senegalensis Kaup), whose larvae at hatching are often only a few millimeters long and for detecting skeletal abnormalities in small larvae. This procedure can also be used for specimens that have been preserved in 1000/0 ethanol for up to two years.

Evolution of matrix and bone gamma-carboxyglutamic acid proteins in vertebrates

The evolution of calcified tissues is a defining feature in vertebrate evolution. Investigating the evolution of proteins involved in tissue calcification should help elucidate how calcified tissues have evolved. The purpose of this study was to collect and compare sequences of matrix and bone γ-carboxyglutamic acid proteins (MGP and BGP, respectively) to identify common features and determine the evolutionary relationship between MGP and BGP. Thirteen cDNAs and genes were cloned using standard methods or reconstructed through the use of comparative genomics and data mining. These sequences were compared with available annotated sequences (a total of 48 complete or nearly complete sequences, 28 BGPs and 20 MGPs) have been identified across 32 different species (representing most classes of vertebrates), and evolutionarily conserved features in both MGP and BGP were analyzed using bioinformatic tools and the Tree-Puzzle software. We propose that: 1) MGP and BGP genes originated from two genome duplications that occurred around 500 and 400 million years ago before jawless and jawed fish evolved, respectively; 2) MGP appeared first concomitantly with the emergence of cartilaginous structures, and BGP appeared thereafter along with bony structures; and 3) BGP derives from MGP. We also propose a highly specific pattern definition for the Gla domain of BGP and MGP. Previous Section Next Section BGP1 (bone Gla protein or osteocalcin) and MGP (matrix Gla protein) belong to the growing family of vitamin K-dependent (VKD) proteins, the members of which are involved in a broad range of biological functions such as skeletogenesis and bone maintenance (BGP and MGP), hemostasis (prothrombin, clotting factors VII, IX, and X, and proteins C, S, and Z), growth control (gas6), and potentially signal transduction (proline-rich Gla proteins 1 and 2). VKD proteins are characterized by the presence of several Gla residues resulting from the post-translational vitamin K-dependent γ-carboxylation of specific glutamates, through which they can bind to calcium-containing mineral such as hydroxyapatite. To date, VKD proteins have only been clearly identified in vertebrates (1) although the presence of a γ-glutamyl carboxylase has been reported in the fruit fly Drosophila melanogaster (2) and in marine snails belonging to the genus Conus (3). Gla residues have also been found in neuropeptides from Conus venoms (4), suggesting a wider prevalence of γ-carboxylation.

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.