Identification of new human mesenchymal stem cell biomarker by aptamers / Identificação de novos biomarcadores de células tronco mesenquimais de origem humana por meio de aptâmeros

Stem cells are undifferentiated cells that can be distinguished from others by their ability to self-renew and to differentiate into new specific cell types. Mesenchymal stem cells (MSC) are adult stem cells that can be obtained from different sources, such as adipose tissue, bone marrow, dental pulp, and umbilical cord. They can either replicate, originating new identical cells, or differentiate into cells of mesodermal origin and from other germ layers. MSC have been studied as new tools for regenerative therapy. Although encouraging results have been demonstrated, MSC-based therapies still face a great barrier: the difficulty of isolating these cells from heterogeneous environments. MSC are currently characterized by immunolabelling through a set of multiple surface membrane markers, including CD29, CD73, CD90 and CD105, which are also expressed by other cell types. Hence, the present work aimed to identify new specific biomarkers for the characterization of human MSC using DNA aptamers produced by the SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment) technique. Our results showed that MSC from different origins bound to DNA candidate aptamers, that is, DNA or RNA oligonucleotides selected from random libraries that bind specifically to biological targets. Aptamer-bound MSC could be isolated by fluorescenceactivated cell sorting (FACS) procedures, enhancing the induction of differentiation into specific phenotypes (chondrocytes, osteocytes and adipocytes) when compared to the whole MSC population. Flow cytometry analyses revealed that candidate aptamers bound to 50% of the MSC population from dental pulp and did not present significant binding rates to human fibroblasts or lymphocytes, both used as negative control. Moreover, immunofluorescence images and confocal analyses revealed staining of MSC by aptamers localized in the surfacemembrane of these cells. The results also showed internal staining of human monocytes by our investigated aptamers. A non-specific control aptamer (CNTR APT) obtained from the random pool was then utilized to compare the specificity of the aptamers bound to the analyzed non-apoptotic cells, showing no staining for MSC. However, 40% of the monocytes bound to the CNTR APT. Normalized data based on the cells bound to candidate aptamers compared to those bound to the CNTR APT, revealed a 10 to 16-fold higher binding rate for MSC against 2-fold for monocytes. Despite its low specificity, monocyte-aptamer binding occurs probably due to the expression of shared markers with MSC, since monocytes are derived from hematopoietic stem cells and are important for the immune system ability to internalize/phagocyte external molecules. Given that, we performed a pull-down assay followed by mass spectrometry analysis to detect which MSC-specific protein or other target epitope not coexpressed by monocytes or the CNTR APT would bind to the candidate aptamer. Distinguishing between MSC and monocyte epitopes is important, as both cells are involved in immunomodulatory effects after MSC transplantations. ADAM17 was found to be a target of the APT10, emerging as a possible biomarker of MSC, since its involvement in the inhibition of the TGF signaling cascade, which is responsible for the differentiation of MSC. Thus, MSC with a higher stemness profile should overexpress the protein ADAM17, which presents a catalytic site with affinity to APT10. Another target of Apt 10 is VAMP3, belonging to a transmembrane protein complex that is involved in endocytosis and exocytosis processes during immune and inflammatory responses. Overall, proteins identified as targets of APT10 may be cell surface MSC biomarkers, with importance for MSC-based cell and immune therapies

Células tronco são células indiferenciadas que podem ser distinguidas de outros tipos celulares por meio da habilidade de se auto renovarem e de se diferenciarem em novos tipos celulares. Células tronco mesenquimais (MSC) são células tronco adultas encontradas em diferentes tecidos como tecido adiposo, polpa de dente e cordão umbilical. Estas células podem se autodividir em células idênticas ou se diferenciarem em células de origem mesodermal. Estas células têm sido estudadas em novas aplicações que envolvem terapia regenerativas. Embora resultados encorajadores tenham sido demonstrados, terapias que utilizam MSC ainda encontram uma grande barreira: a dificuldade no isolamento destas células a partir de um ambiente heterogêneo. MSC são caracterizadas por populações positivas em ensaios de imunomarcação para os epítopos membranares CD29, CD73, CD90 e CD105, presentes também em outros tipos celulares. Assim, o presente trabalho tem o objetivo de identificar novos biomarcadores de MSC de origem humana, utilizando aptâmeros de DNA produzidos pela técnica SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment) como ferramenta. Nossos resultados mostraram que MSC de diferentes origens ligam-se a aptâmeros (oligonucleotídeos de DNA ou RNA que atuam como ligantes específicos de alvos moleculares) de DNA candidatos que atuam no isolamento de MSC por meio da técnica FACS de separação celular, promovendo uma maior indução de diferenciação em células específicas (condrócitos, osteócitos e adipócitos) comparada com a população total de MSC. Análises de citometria de fluxo mostraram que os aptâmeros candidatos se ligam a 50% das MSC de polpa de dente e não apresentam taxa de ligação significante para fibroblastos e linfócitos de origem humana - utilizados como controles negativo. Além domais, imagens de imunofluorescência e confocal mostraram ligação na superfície da membrana de MSC e a marcação interna de monócitos a estes aptâmeros. Portanto, um aptâmero controle (CNTR APT) foi utilizado para comparar a especificidade dos aptâmeros ligados a células viáveis, mostrando a não ligação deste aptâmero a MSC. Porém, 40% da população de monócitos ligou-se ao CNTR APT. Uma normalização baseada na comparação entre as taxas de ligação entre células ligadas com aptâmeros candidatos e o aptâmero controle gerou uma taxa de especificidade entre 10-16 vezes maior para MSC contra 2,5 vezes para os monócitos. Deste modo, embora os resultados tenham mostrado uma taxa de ligação entre monócitos e aptâmeros, as MSC ligadas aos aptâmeros candidatos possuem uma maior taxa de especificidade devido a uma maior presença de antígenos que são expressos em ambas as células. Um ensaio de Pull Down seguido de espectrometria de massas foi utilizado para a identificação de biomarcadores que se ligariam aos aptâmeros candidatos, e que não seriam co-expressos por monócitos e por antígenos ligados ao aptâmero controle. Deste modo, a proteína ADAM17 foi identificada nas amostras de APT10 ligadas às MSC. Tal proteína está relacionada à inibição de uma cascata de sinalização da família de proteínas TGF, responsável pela diferenciação de MSC. Assim, MSC com maior potencial tronco deveriam expressar ADAM17 em maior quantidade. Tal proteína apresenta um sítio catalítico que demonstra interagir com o APT10, de acordo com predição Docking entre proteína e DNA. Foi identificada também, a proteína VAMP3, que pertence a um complexo proteico transmembranar responsável pelos processos de endocitose e exocitose, e que podem ter um papel importante na liberação de citocinas e outras moléculas relacionadas às respostas imune e inflamatórias. Deste modo, o APT10 identificou proteínas importantes que devem estar relacionas com a melhora de imunoterapias que utilizam MSC

Los aptámeros como novedosa herramienta diagnóstica y terapéutica y su potencial uso en parasitología / Aptamers as a novel diagnostic and therapeutic tool and their potential use in parasitology

Los aptámeros son secuencias de ADN o ARN de cadena sencilla que adoptan la forma de estructuras tridimensionales únicas, lo cual les permite reconocer un blanco específico con gran afinidad. Sus usos potenciales abarcan, entre otros, el diagnóstico de enfermedades, el desarrollo de nuevos agentes terapéuticos, la detección de riesgos alimentarios, la producción de biosensores, la detección de toxinas, el transporte de fármacos en el organismo y la señalización de nanopartículas. El pegaptanib es el único aptámero aprobado para uso comercial por la Food and Drug Administration (FDA). Otros aptámeros para el tratamiento de enfermedades están en la fase clínica de desarrollo. En parasitología, se destacan los estudios que se vienen realizando en Leishmania spp., con la obtención de aptámeros que reconocen la proteína de unión a poliA (LiPABP) y que pueden tener potencial utilidad en la investigación, el diagnóstico y el tratamiento de la leishmaniasis. En cuanto a la malaria, se han obtenido aptámeros que permiten identificar eritrocitos infectados e inhiben la formación de rosetas, y otros que prometen ser alternativas para el diagnóstico al detectar de forma específica la proteína lactato deshidrogenasa (PfLDH). Para Cryptosporidium parvuum se han seleccionado aptámeros que detectan ooquistes a partir de alimentos o aguas contaminadas. Para Entamoeba histolytica se han aislado dos aptámeros llamados C4 y C5, que inhiben la proliferación in vitro de los trofozoítos y tienen potencial terapéutico. Los aptámeros contra Trypanosoma cruzi inhiben la invasión de células LLC-MK2 (de riñón de mono) en un 50 a 70 % y aquellos contra T. brucei transportan moléculas tóxicas al lisosoma parasitario como una novedosa estrategia terapéutica. Los datos recopilados en esta revisión destacan los aptámeros como una alternativa para la investigación, el diagnóstico y el tratamiento contra parásitos de interés nacional.

Aptamers are single-stranded DNA or RNA sequences that adopt unique three-dimensional structures that allow them to recognize a specific target with high affinity. They can potentially be used for the diagnosis of diseases, as new therapeutic agents, for the detection of food risks, as biosensors, for the detection of toxins, and as drug carriers and nanoparticle markers, among other applications. To date, an aptamer called pegaptanib is the only aptamer approved by the Food and Drug Administration (FDA) for commercial use. Other aptamers are in different clinical stages of development for the treatment of different diseases. In parasitology, investigations carried out with parasites such as Leishmania spp. allowed the acquisition of aptamers that recognize the polyA-binding protein LiPABP and may have potential applications in research and diagnosis and even as therapeutic agents. Regarding malaria, aptamers have been obtained that allow the identification of infected erythrocytes or inhibit the formation of rosettes, along with those that provide promising alternatives for diagnosis by specifically detecting the protein lactate dehydrogenase (PfLDH). In Cryptosporidium parvum allow the detection of oocysts in contaminated food or water. In Entamoeba histolytica, two aptamers called C4 and C5, which inhibit the proliferation of trophozoites in vitro and have potential use as therapeutic agents, have been isolated. Aptamers obtained against Trypanosoma cruzi inhibit the invasion of LLC-MK2 (from monkey kidney) cells by 50-70%, and in T. brucei, aptamers with the potential to transport toxic molecules to the parasitic lysosome were identified as a novel therapeutic strategy. The data collected in this review highlight aptamers as a novel alternative in the research, diagnosis, and treatment of parasites of national interest.

Seleção de aptâmeros que se ligam ao receptor humano para o gosto doce / Screening for aptamers that bind to the human sweet taste receptor (hT1R2/hT1R3)

Foi demonstrado que o gosto doce é transduzido por receptores acoplados a proteína G classe III (GPCRs), T1R2 e T1R3. Essas proteínas exibem longas extremidades amino-terminais que formam um domínio de ligação globular extracelular. Elas são expressas em células associadas ao gosto (células epiteliais que constituem os botões gustativos nas papilas gustativas), que respondem a moléculas associadas ao gosto doce. Quando T1R2 e T1R3 são co-expressas em células heterólogas, elas respondem, como heterômeros, a uma série de açúcares, alguns D-aminoácidos, edulcorantes artificiais e proteínas doces. Foi também demonstrado que o receptor humano T1R2/T1R3 para o gosto doce apresenta múltiplos sítios de ligação. Para melhor compreender a estrutura desse receptor e responder à pergunta de como um único quimiorreceptor pode ser responsivo a uma variedade de ligantes, foi utilizada a abordagem denominada evolução sistemática de ligantes por enriquecimento exponencial (SELEX) para isolar, a partir de uma biblioteca combinatória de oligonucleotídeos, aptâmeros de RNA resistentes a nuclease que se ligam ao receptor humano para o gosto doce com alta afinidade. Após um enriquecimento de doze ciclos do pool original de RNA contendo em torno de 1013 sequências diferentes (contra preparações de membrana de células HEK293T que expressam hT1R2/hT1R3) e outros ciclos de contrasseleção negativa (para eliminar moléculas de RNA que se ligam de forma inespecífica à membrana de nitrocelulose e a outras proteínas diferentes do alvo, ou seja, proteínas de membrana de células HEK293T selvagem), realizou-se a transcrição reversa do RNA seguida de amplificação por PCR e sequenciamento. Aptâmeros do ciclo 12 com sequências consenso foram selecionados, e a ligação de alguns deles com hT1R2/hT1R3 foi então avaliada. Cinco desses aptâmeros mostram claramente uma maior afinidade por células HEK293T que expressam hT1R2/hT1R3. Como segunda parte desta tese, estudamos outro receptor, denominado CD36, que, como o receptor T1R2/T1R3, é expresso na língua. Estudos indicam que ele age como receptor gustativo de gordura. Neste trabalho, verificamos que essa proteína é expressa em uma subpopulação de neurônios olfatórios presentes no epitélio olfatório, indicando que ela pode ter também uma função olfatória, ainda não caracterizada

It has been shown that sweet taste is transduced by the Class III G Protein-Coupled Receptors (GPCRs) T1R2 and T1R3, which show long N-termini that form a globular extracellular ligand-binding domain. These receptors are expressed in the taste cells (epithelial cells that constitute the taste buds in taste papillae) that respond to sweet tastants, and when T1R2 and T1R3 are coexpressed in heterologous cells, they respond, as heteromers, to a series of sugars, some D-amino acids, artificial sweeteners and sweet proteins. It has also been demonstrated that the sweet taste receptor has multiple binding sites. In order to better understand the structure of this receptor and answer the question of how a single chemoreceptor can respond to a variety of ligands, we used the combinatorial oligonucleotide library screening approach, denominated Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment (SELEX), to isolate nuclease-resistant RNA aptamers that bind to the human sweet taste receptor with high affinity. Following a twelve round enrichment of the previous random RNA pool containing around 1013 different sequences (against membrane preparations of hT1R2/hT1R3-expressing HEK293T cells) and negative counterselection cycles (to eliminate RNA molecules that bind nonspecifically to the nitrocellulose membrane and to proteins other than the target, that is, HEK293T cells membrane proteins), the RNA was reverse-transcribed for DNA sequencing. Aptamers from cycle 12 with consensus sequences were selected, and the binding of some of them to the human sweet taste receptor was then evaluated. Five out of the aptamers clearly show greater affinity for hT1R2/hT1R3-expressing HEK293T cells than for hT1R2/hT1R3-non-expressing HEK293T cells. In this thesis we have also analyzed another receptor, denominated CD36, which is also expressed in the tongue. Studies indicate that it acts as a receptor for fat. In this work, we found that CD36 is expressed in a subset of the olfactory neurons localized in the olfactory epithelium, indicating that it may also have an as yet uncharacterized olfactory function

Purificação de células troco de lipoaspirado humano por aptâmeros de DNA, seguida da caracterização dos fenótipos obtidos da diferenciação neuronal / Human adipose mesechymal stem cell separation by DNA aptamers followed by the characterization of the obtained phenotypes from neuronal differentiation

Células tronco mesenquimais de tecido adiposo, são uma promissora ferramenta para aplicações clínicas em terapias celular e regenerativa, em vista da facilidade de sua extração e da maior quantidade de células por unidade de massa de tecido quando comparado a outras fontes clássicas de células mesenquimais como medula óssea. O protocolo clássico de extração e purificação dessas células, depende de sua adesão em plástico e xeno-materiais demandando muito tempo para ser utilizado por médicos para auxiliar pacientes em procedimentos de emergência. Estas células são capazes se diferenciar em diversos tipos celulares, o que as torna boas candidatas para terapia celular, embora sua capacidade de transdiferenciação para fenótipos neuronais seja ainda discutida. Neste trabalho demonstramos um novo processo para isolar essas células na base de epitopos específicos expressos (assinatura molecular de superfície) utilizando aptâmeros como ligantes de alta afinidade para estes sitios. Aptâmeros, moléculas de DNA simples fita identificadas a partir de uma biblioteca combinatória de sequencias de DNA simples-fita foram identificados por ciclos reiterativos de seleção in vitro (SELEX) utilizando células tronco do lipoaspirado como alvo. Dois aptâmeros isolados, denominados APT9 e APT11, foram capazes de identificar subpopulações (15,8 e 23,7% respectivamente) dentre as células tronco mesenquimais (classicamente CD29+/CD90+/CD45-) e separá-las usando nano-partículas magnéticas acopladas aos aptâmeros. Além disso, seguindo uma indução para diferenciação neuronal, as células tronco mesenquimais passam a apresentar morfologia neuronal e apresentam expressão e atividade de diversos receptores de neurotransmissores, avaliados por PCR real-time e imageamento de variações da concentração de cálcio intracelular ápos stimulação com vários agonistas de receptores metatrópicos e ionotrópicos. Ao longo da diferenciação, os níveis transcricionais de mRNA de receptores de cininas (B1 e B2), nicotínicos (alfa 7), muscarínicos (M1, M3 e M4), glutamatérgicos (AMPA2 e mGluR2), purinérgicos (P2Y1 e P2Y4) e GABAergicos (GABA-A, subunidade 3) e da óxido nítrico sintase neural aumentaram quando comparados aos níveis das células não diferenciadas, enquanto que os níveis de expressão de outros receptores incluindo purinérgicos P2X1, P3X4, P2X7 e P2Y6 e muscarínico M5 diminuíram. Os níveis de atividade das classes dos receptores estudados, por imageamento de variações da concentração de cálcio intrac, aumentaram para a maioria dos agonistas analisados durante a diferenciação neuronal com exceção para respostas induzidas por glutamato e NMDA. Células diferenciadas expressavam altos níveis de antígenos específicos de neurônios como ß3-tubulina, NF-H, NeuN e MAP-2 indicando uma diferenciação em fenótipo neuronal bem sucedida. Desta maneira, esta tese, ao identificar aptâmeros, prove uma inovadora solução para médicos usarem as células tronco mesenquimais dentro de uma sala de cirurgia, através de um método que é capaz de purificar essas células em um tempo clínico viável, com pureza e sem contato com contaminantes. Além disso, nós mostramos aqui que com um protocolo como o proposto para diferenciação neuronal, nós poderíamos induzir essas células para se diferenciar em neurônios, através da ativação de fatores de transcrição específicos, levando às células tronco mesenquimais a serem possivelmente utilizadas em terapias celulares de reparo neuronal

Adipose mesenchymal stem cells are promising tools for clinical applications in cellular and regeneration therapies, in view of easiness of extraction and higher amount of isolated stem cells per mass of tissue when compared to other classical mesenchymal stem cell sources including bone marrow. The classical protocol to extract and purify these cells, depending on plastic adherence and xeno-materials, is too time consuming to be used by physicians to help patients at emergency procedures. These cells are able to differentiate into various cell types, making them good candidates for cell therapy, however their capability for transdifferentiation into neural phenotypes is yet discussed. Here we show a novel process to isolate these cells using their surface molecular signature and aptamers, ssDNA molecules identified through the SELEX technique, denominated APT9 and APT11 that are able to identify subpopulations (15,8 and 23,7% respectively) within the mesenchymal stem cells (classically CD29+/CD90+/CD45-) and separate them using magnetic nano-particles attached to the aptamers. Moreover, following induction to neural differentiation, mesenchymal cells presents neuronal morphology and present expression and activity of several neurotransmitter receptors, as evaluated by real-time PCR and calcium imaging. During this process, mRNA transcription levels of bradykinin (B1 and B2), cholinergic (alpha 7), muscarinic (M1, M3 and M4), glutamatergic (AMPA2 and mGlu2), purinergic (P2Y1 and P2Y4) and GABAergic (GABA-A, subunit 3) receptors and neuronal nitric oxide synthase were augmented when compared to levels of undifferentiated cells, while the expression levels of other receptors including purinergic P2X1, P2X4, P2X7 and P2Y6 and muscarinic M5 receptors were down-regulated. Activity levels of the studied receptor classes, as studied by calcium imaging, increased for most of the agonists analyzed during the neuronal differentiation with the exception for glutamate- and NMDA-induced receptor responses. Differentiated cells expressed high levels of neuron-specific antigens such as ß3-tubulin, NF-H, NeuN and MAP-2, indicating a successful differentiation into neuronal phenotypes. This thesis, by identifying aptamers, provides a novel solution for physicians to use mesenchymal stem cells inside a surgery room, by using a method that are able to purify the cells in a clinical viable time, with purity and no contact with contaminats. Furthermore, we show here that with a protocol as provided for neuronal differentiation, we could induce these cells to differentiate into neurons, by activating specific transcription factors,making mesenchymal stem cells to possibly be used in neuronal repair cell therapies