Clinical studies using stem cells for treatment of retinal diseases: state of the art / Estudos clínicos com uso de células-tronco para tratamento de doenças da retina: estado da arte

ABSTRACT Degenerative retinal diseases such as retinitis pigmentosa, Stargardt's macular dystrophy, and age-related macular degeneration are characterized by irreversible loss of vision due to direct or indirect photoreceptor damage. No effective treatments exist, but stem cell studies have shown promising results. Our aim with this review was to describe the types of stem cells that are under study, their effects, and the main clinical trials involving them.

RESUMO As doenças degenerativas da retina, como retinose pigmentar, distrofia macular de Stargardt e degeneração macular relaciona à idade, são caracterizadas por perda irre versível da visão devido a danos diretos ou indiretos aos fotorreceptores. Não existem tratamentos eficazes, porém os estudos com células-tronco mostraram resultados promissores. Nosso objetivo com esta revisão foi descrever os tipos de células-tronco em estudo, seus efeitos e os principais ensaios clínicos que as envolvem.

Induction of pluripotent stem cells by reprogramming human ocular fibroblasts under xeno-free conditions / Indução de células-tronco pluripotentes pela reprogramação de fibroblastos oculares humanos sob condições xeno-livre

ABSTRACT Purposes: To develop an efficient and xeno-free standard eye-derived induced pluripotent stem cell reprogramming protocol for use during induced pluripotent stem cell-based cell therapies in treating retinal degenerative diseases and to compare the relative effectiveness of both animal- and non-animal-derived culture systems in the generation of induced pluripotent stem cells. Methods: Primary cultured human pterygium fibroblasts and human Tenon's capsule fibroblasts were induced to induced pluripotent stem cells using a non-in­tegrated virus under two xeno-free systems; as part of this study, a traditional non-xeno-free reprogramming system was also assessed. Induced pluripotent stem cell clones were selected and counted by live staining. Reprogramming efficiencies were evaluated between the fibroblasts and among different culture systems. In a series of experiments, such as PCR and immunofluorescence staining, the induced pluripotent stem cells were characterized. Results: Human pterygium fibroblast- and human Tenon's capsule fibroblast-derived induced pluripotent stem cells were successfully established using different reprogramming systems, under which they exhibited properties of induced pluripotent stem cells. Reprogramming efficiencies of induced pluripotent stem cells using the cell therapy system, the traditional system, and the E6/E8 system were 0.014%, 0.028%, and 0.001%, respectively, and those of human pterygium fibroblast- and human Tenon's capsule fibroblast-derived induced pluripotent stem cells-using the aforementioned systems-were 0.018% and 0.017%, respectively. Conclusions: Sendai virus facilitates induced pluripotent stem cell reprogramming of ocular fibroblasts-both human pterygium and human Tenon's capsule fibroblasts being safe and efficient for induced pluripotent stem cell reprogramming. Although the reprogramming efficiencies of ocular-derived induced pluripotent stem cells under xeno-free conditions were not superior to those observed using the traditional reprogramming system, the cell therapy system reprogramming system is a good option when induced pluripotent stem cells are to be induced under xeno-free conditions.

RESUMO Objetivos: Desenvolver um protocolo padrão, eficiente e xeno-livre, para a reprogramação de células-tronco pluripotentes induzidas, que possa ser usado durante as terapias de células-tronco pluripotentes induzidas para o tratamento de doenças degenerativas da retina, e comparar a eficácia relativa de sistemas de cultivo de origem animal e de origem não animal na geração de células-tronco pluripotentes induzidas. Métodos: Cultivos primários de fibroblastos de pterígio humano e de fibroblastos da cápsula de Tenon humanos foram induzidos a células-tronco pluripotentes induzidas usando um vírus não integrado sob dois sistemas xeno-livres; um sistema tradicional de reprogramação não xeno-livre também foi avaliado como parte deste estudo. Os clones de células-tronco pluripotentes induzidas foram selecionados e contados por coloração de células vivas. As eficiências de reprogramação foram avaliadas entre os diferentes fibroblastos e entre os diferentes sistemas de cultivo. Uma série de experimentos, como o PCR e a coloração por imunofluorescência, foram conduzidos para caracterizar as células-tronco pluripotentes induzidas. Resultados: Célu­las-tronco pluripotentes induzidas derivadas de fibroblastos de pterígio humano e fibroblastos da cápsula de Tenon humanos foram estabelecidas com sucesso sob diferentes sistemas de reprogramação e exibiram propriedades de células-tronco pluripotentes induzidas. As eficiências de reprogramação das células-tronco pluripotentes induzidas usando o sistema de terapia celular, o sistema tradicional e o sistema E6/E8 foram 0,014, 0,028% e 0,001%, respectivamente. Além disso, as efi­ciências de reprogramação de células-tronco pluripotentes induzidas derivadas de fibroblastos de pterígio humano e de fibroblastos da cápsula de Tenon humanos usando todos os sistemas acima foram de 0,018% e 0,017%, respectivamente. Conclusões: O vírus Sendai pode ser usado para facilitar a reprogramação de fibroblastos oculares pelas células-tronco pluripotentes induzidas. Tanto os fibroblastos de pterígio humano quanto os fibroblastos da cápsula de Tenon humanos são seguros e eficientes para a reprogramação de células-tronco pluripotentes induzidas. Embora as eficiências de reprogramação das células-tronco pluripotentes induzidas de origem ocular sob condições xeno-livres não tenham sido superiores às eficiências observadas para o sistema tradicional de reprogramação, o sistema de reprogramação sistema de terapia celular é uma boa opção para a indução de células-tronco pluripotentes induzidas sob condições xeno-livres.

Uso de células-tronco pluripotentes induzidas para compreensão de alterações em cardiomiócitos de pacientes com cardiomiopatias de base-genética / Induced pluripotent stem cells to study cardiomyocytes derived from patients with genetic cardiomyopathies

O estudo de mutações genéticas como causa das cardiomiopatias teve início com a descoberta de mutações em proteínas sarcoméricas que levavam à Cardiomiopatia Hipertrófica, desde então, alterações em diversos genes, de proteínas contráteis ou não, foram descobertas e listadas como a responsável pelo desenvolvimento de diferentes cardiomiopatias. Estudar o efeito destas mutações nos cardiomiócitos destes pacientes permanecia um desafio devido ao difícil acesso às células cardíacas. Em 2007, a técnica de reprogramação de células somáticas em células-tronco pluripotentes foi descoberta. Pelo fato das células-tronco pluripotentes serem capazes de ser diferenciadas em cardiomiócitos, surgiu-se a possibilidade de se estudar essas células de indivíduos portadores das mutações genéticas. Esta tese teve como objetivo a criação de um modelo celular para estudar a Cardiomiopatia Hipertrófica causada por mutações genéticas. Inicialmente foi estabelecido um protocolo de reprogramação celular para se estabelecer linhagens celulares das células-tronco induzidas de um paciente com mutação no gene MYH7. Tendo as células caracterizadas, elas foram diferenciadas em cardiomiócitos através de um protocolo adaptado de protocolos de diferenciação direta em cardiomiócitos. Os cardiomiócitos gerados apresentaram características moleculares e funcionais semelhantes à cardiomiócitos primários humanos e foi visualizado, através de microscopia eletrônica de transmissão, que os cardiomiócitos do paciente com alteração genética possuíam grande proporção de sarcômeros desorganizados em comparação a cardiomiócitos de indivíduos saudáveis. Em conclusão, o modelo celular desenvolvido sugere ser possível o estudo do efeito de mutações genéticas em Cardiomiopatia Hipertrófica.

The study of genetic mutations as the cause of cardiomyopathies initiates with the discovery of mutations in sarcomeric proteins genes that lead to Hypertrophic Cardiomyopathy. Since then, mutations in several genes, coding to sarcomeric proteins or not, were discovered and listed as the reason to the cardiomyopathies. To study the effect of these mutations was a challenge due the difficulty to accesses cardiac cells. In 2007, the technique of reprogramming somatic cells into pluripotent stem cells was discovered. The fact that the pluripotent stem cells are capable of differentiating into cardiomyocytes opened the opportunity to study these cells from individuals with genetic mutations. This thesis aimed to create a cellular model to study Hypertrophic Cardiomyopathy caused by genetic mutations. Initially we established a cell reprogramming protocol to establish induced stem cells lines from a patient with mutation in MYH7 gene. Having characterized the cells, they were differentiated into cardiomyocytes using an adapted protocol from direct differentiation protocols. Cardiomyocytes generated showed molecular and functional characteristics similar to human primary cardiomyocytes and were visualized by means of transmission electron microscopy. The patient's cardiomyocytes had a large proportion of disorganized sarcomeres compared to cardiomyocytes from healthy individuals. In conclusion, the cell model developed suggests that it is possible to study the effect of genetic mutation in Hypertrophic Cardiomyopathy using induced pluripotent stem cells derived cardiomyocytes.

What do we know about the neurogenic potential of different stem cell types? / O que sabemos sobre o potencial neurogênico de diferentes tipos de células-tronco?

Cell therapies, based on transplantation of immature cells, are being considered as a promising tool in the treatment of neurological disorders. Many efforts are being concentrated on the development of safe and effective stem cell lines. Nevertheless, the neurogenic potential of some cell lines, i.e., the ability to generate mature neurons either in vitro or in vivo, is largely unknown. Recent evidence indicate that this potential might be distinct among different cell lines, therefore limiting their broad use as replacement cells in the central nervous system. Here, we have reviewed the latest advancements regarding the electrophysiological maturation of stem cells, focusing our attention on fetal-derived-, embryonic-, and induced pluripotent stem cells. In summary, a large body of evidence supports the biological safety, high neurogenic potential, and in some diseases probable clinical efficiency related to fetal-derived cells. By contrast, reliable data regarding embryonic and induced pluripotent stem cells are still missing.

Terapias celulares, baseadas no transplante de células imaturas, têm sido consideradas ferramentas promissoras no tratamento de doenças neurológicas. Muitos esforços têm sido concentrados no desenvolvimento de linhas de células-tronco seguras e eficazes. No entanto, o potencial neurogênico de algumas linhagens celulares, ou seja, a habilidade de gerar neurônios maduros, in vitro ou in vivo, ainda é altamente desconhecida. Dados recentes sugerem que esse potencial é distinto entre diversos tipos celulares, o que limitaria o largo emprego como células restauradoras no sistema nervoso central. Neste relato, revisaram-se os avanços recentes relacionados à maturação eletrofisiológica de células-tronco, com foco em células derivadas de tecido fetal, células embrionárias e células pluripotentes induzidas. Em resumo, há evidências que apontam para segurança biológica de células fetais, com alto potencial neurogênico e, em se tratando de algumas doenças, provável eficiência clínica. Ao contrário, ainda não há dados confiáveis acerca de células embrionárias e pluripotentes induzidas.

Reprogramação de células mesenquimais de tecido adiposo em células-tronco pluripotentes por meio de proteína de fusão TAT / Nuclear reprogramming of adipose-tissue mesenchymal stem cells into pluripotent stem cells using TAT fusion protein

Os vírus são eficazes na transferência de genes em células devido aos seus mecanismos especializados. No entanto, vírus como veículos de entrega de genes podem acarretar em problemas, particularmente quando proposto para reprogramar células somáticas em células-tronco pluripotentes induzidas (iPS) visando utilização terapêutica. No presente estudo, procurou-se desenvolver um sistema alternativo para entregar diretamente proteínas nucleares (Oct4, Sox2, KLF4, e c-Myc) fusionadas com o domínio de transdução de proteína TAT, para promover a reprogramação de fibroblastos embrionários de camundongos (MEF) ou células mesenquimais derivadas de tecido adiposo humano (hASC) em células iPS. Primeiramente o PTD TAT ou TAT- foi fundido a proteína verde fluorescente (GFP) como modelo para prova de princípio e padronização detalhada. Inesperadamente, TAT-GFP produzido e secretado pelas células NIH-3T3 produtora não foi capaz de ser detectado no meio de cultura por verificação quantitativa fluorimétrica, nem foi capaz de ser detectada em células-alvo, por citometria de fluxo, depois de co-cultura em transwells. Essa observação pode ser explicada por: (1) ineficiência desse tipo de célula em secretar proteínas e (2) falta de resistência à clivagem por endoproteases furinas. Para contornar esses fatores limitantes usou-se citometria de fluxo para avaliar as melhores condições para a transfecção por seis diferentes tipos de células (CHO, NIH-3T3, HT1080, HEK-293A, HEK-293t e COS-7) com TAT (modificada para ser resistente à furinas) fundido a GFP. Células 293t-TAT-GFP exibiram a maior eficiência de transfecção e também de secreção. O mesmo pôde ser observado para as seis linhagens celulares expressando fatores de transcrição nucleares TAT, determinados por ELISA. Em seguida, diferentes estratégias de entrega foram testadas. A primeira foi baseada na co-cultura de uma mistura de células produtoras com MEF ou hASC. No entanto, não foi possível observar a reprogramação...

Viruses are effective at transferring genes into cells by its specialized mechanisms. However, viruses as gene delivery vehicles entail problems, particularly when proposed to reprogram somatic cells into induced pluripotent stem cells (iPS) for therapeutic uses. In the present study, we aimed to develop an alternative system for directly delivering nuclear proteins (Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc) fused with TAT protein transduction domain to promote reprogramming of mouse embryonic fibroblasts (MEF) or human adipose tissue derived mesenchymal cells (hASC) into iPS cells. First TAT- or TAT- PTD was fused to green fluorescent protein (GFP) as a proof of principle model and for detailed standardization. Unexpectedly, TAT-GFP produced and secreted by NIH-3T3 producer cells was not detected in the culture medium by quantitative fluorimetric verification, nor detected on target cells, by flow cytometry, after being co-cultured using transwells. This observation maybe explained by: (1) inefficiency of this cell type to be transfected and to secrete proteins and (2) lack of resistance to furin endoproteases cleavage on Golgi of TAT sequence. To circumvent these limiting factors we used flow cytometer to assess the best conditions for transfection in six different cell types (CHO, NIH-3T3, HT1080, HEK-293A, HEK-293t and COS-7) with TAT- (a modified PTD to be resistant to furin endoproteases) fused to GFP. 293t-TAT-GFP cells displayed the highest transfection efficiency and secretion levels. The same could be observed for the six cell lineages expressing TAT- nuclear transcription factors, determined by ELISA.Next, different delivery strategies were tested for TAT- nuclear transcription factor system. Co-culturing a mix of producer cells with MEF or hASC resulted in not reprogramming and this was associated with cell death. The second was based on the use of microconcentrated conditioned cell culture medium, changed every 24h, in four cycles. However, despite the...