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.

Induced pluripotent stem cells reprogramming: Epigenetics and applications in the regenerative medicine / Células-tronco de pluripotência induzida: papel da epigenética na reprogramação e sua aplicabilidade clínica

Summary Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are somatic cells reprogrammed into an embryonic-like pluripotent state by the expression of specific transcription factors. iPSC technology is expected to revolutionize regenerative medicine in the near future. Despite the fact that these cells have the capacity to self-renew, they present low efficiency of reprogramming. Recent studies have demonstrated that the previous somatic epigenetic signature is a limiting factor in iPSC performance. Indeed, the process of effective reprogramming involves a complete remodeling of the existing somatic epigenetic memory, followed by the establishment of a "new epigenetic signature" that complies with the new type of cell to be differentiated. Therefore, further investigations of epigenetic modifications associated with iPSC reprogramming are required in an attempt to improve their self-renew capacity and potency, as well as their application in regenerative medicine, with a new strategy to reduce the damage in degenerative diseases. Our review aimed to summarize the most recent findings on epigenetics and iPSC, focusing on DNA methylation, histone modifications and microRNAs, highlighting their potential in translating cell therapy into clinics.

Resumo As células-tronco de pluripotência induzida (CTPI) ou do inglês induced pluripotent stem cells (iPSCs) são células somáticas reprogramadas para o estado embrionário por meio da expressão de fatores ectópicos de transcrição específicos, tornando-as um alvo promissor para a medicina regenerativa. Apesar das CTPI compartilharem características embrionárias, como pluripotência e capacidade de autorrenovação, elas possuem uma baixa eficiência de reprogramação, sendo a memória epigenética uma das principais barreiras nesse processo. A epigenética é caracterizada por alterações reversíveis e herdáveis no genoma funcional que não alteram a sequência de nucleotídeos do DNA. Dentre as diferentes modificações epigenéticas, destacam-se metilação de DNA, alterações em histonas e microRNA. Atualmente, sabe-se que o processo de reprogramação efetivo das CTPI envolve um completo remodelamento da memória epigenética somática existente, seguido pelo estabelecimento de uma "assinatura epigenética" que esteja de acordo com o novo tipo de célula a ser diferenciada. Modificações epigenéticas personalizadas são capazes de melhorar o rendimento e a efetividade das CTPI geradas, abrindo uma nova perspectiva para a terapia celular. Nesta revisão reunimos as principais informações sobre os fatores epigenéticos que afetam a reprogramação das CTPI, bem como seus benefícios na aplicação da terapia celular.

Aplicaciones méiicas de las células pluripotentes inducidas paciente-específicas / Medical applicaiions of induced pluripotent cells specific-patient / Aplicações méicaas das células pluripotentes induzidas paciente-específicas

Los recientes avances en la implementación de estrategias de reprogramación genética en células somáticas para la producción de células pluripotentes inducidas (iPS), abren la posibilidad de generar células pluripotentes para estudios del desarrollo embrionario y la diferenciación celular, herramientas para detección in vitro de nuevos medicamentos y evaluación de su eficacia y toxicidad, desarrollo de modelos in vitro de enfermedades humanas y uso en terapia celular. Las iPS, son células que muestran características fenotípicas y funcionales similares a las observadas en células madre embrionarias, sin los cuestionamientos éticos y legales de la manipulación de embriones. En particular, la generación de las células pluripotentes inducidas paciente-específicas ha permitido dilucidar los procesos fisiopatológicos de diversas enfermedades genéticas de etiología conocida y desconocida, así como plantean la posibilidad de realizar terapia celular autóloga y terapia génica basada en células para la regeneración tisular dependiendo de las necesidades individuales.

Recent advances in the implementation of strategies of genetic reprogramming somatic cells to produce induced pluripotent cells (iPS), open the possibility of generating pluripotent cells for studies of embryonic development and cell differentiation, tools for in vitro detection of new drugs and evaluation of their efficacy and toxicity, in order to develop in vitro models of human disease and use in cell therapy. iPS cells are showing phenotypic and functional characteristics similar to those seen in embryonic stem cells, without the ethical and legal questionings of the experimental manipulation of embryos. In particular, generation of patient-specific pluripotent stem cells elucidate the pathophysiological processes of various genetic diseases of known and unknown aetiology, and raises the possibility of autologous cell therapy and cell-based gene therapy for tissue regeneration depending individual needs.

Os recentes avanços na implementação de estratégias de reprogramação genética em células somáticas para a produção de células pluripotentes induzidas (iPS), abrem a possibilidade de gerar células pluripotentes para estudos do desenvolvimento embrionário e a diferenciação celular, ferramentas para detecção in vitro de novos medicamentos e avaliação da sua eficácia e toxicidade, desenvolvimento de modelos in vitro de doenças humanas e uso em terapia celular. As iPS, são células que mostram características fenotípicas e funcionais similares às observadas em células tronco embrionárias, sem os questionamentos éticos e legais da manipulação de embriões. Em particular, a geração das células pluripotentes induzidas paciente-específicas tem permitido elucidar os processos fisiopatológicos de diversas doenças genéticas de etiologia conhecida e desconhecida, assim como estabelecem a possibilidade de realizar terapia celular autóloga e terapia gênica baseada em células para a regeneração tecidual dependendo das necessidades individuais.