Οι βάσεις δεδομένων αποτελούν πλέον επιτακτική ανάγκη στην οργάνωση, αποθήκευση, γρήγορη ανάκτηση δεδομένων, αλλά και στην εξαγωγή συμπερασμάτων μέσα από διαδικασίες στατιστικής επεξεργασίας, στα πλαίσια της αξιοποίησης και επεξεργασίας του τεράστιου όγκου πληροφορίας που ήδη υπάρχει αλλά και εξακολουθεί να παράγεται με εξαιρετικά γρήγορους ρυθμούς, μεταξύ άλλων στην ιατροβιολογική έρευνα και εν προκειμένω στο πεδίο των λήψεων και των μεταμοσχεύσεων αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων. Στη βάση δεδομένων που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε σύμφωνα με το σχεσιακό μοντέλο βάσεων, χρησιμοποιήθηκε λειτουργικό σύστημα Ubuntu 8.04 LTS Server Edition, ο MySQL server 5.0.51b ως το Σύστημα Διαχείρισης της Βάσης (RDBMS), Apache HTTP server edition 2.2.9 ως εξυπηρετητής φιλοξενίας της βάσης για τις ανάγκες πρόσβασης της από το δίκτυο και η εφαρμογή phpMyAdmin και συγκεκριμένα η έκδοση 2.11.7.1, ως το τελικό εργαλείο διαχείρισης της βάσης. Η γλώσσα προγραμματισμού Python επίσης αποτέλεσε σημαντικό εργαλείο για την κατασκευή scripts που χρειάστηκαν, προκειμένου να καταστούν συμβατά και να εισαχθούν στη βάση, τα αρχεία που υπήρχαν καταγεγραμμένα από τις μονάδες λήψεων και μεταμοσχεύσεων αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου του Ρίου Πατρών, αρχεία που αποτέλεσαν το πρωτογενές υλικό δοκιμών της σωστής λειτουργίας της βάσης αλλά και τα δεδομένα για την εξαγωγή στατιστικών συμπερασμάτων με απώτερο σκοπό την βελτιστοποίηση των διαδικασιών φαρμακευτικής κινητοποίησης για την συλλογή των κυττάρων, συλλογής, επεξεργασίας του προϊόντος και μεταμόσχευσης. / The databases constitute nowadays imperative tool for the organization, storage, rapid data recovery and statistical analysis in the field of the modern managing and exploitation of the huge volume of information that already exists and continues to be produced extremely fast. The databases are extremely useful in the management of bioinformation of medicine and biology both in daily diagnostics as well as research. The present study is concentrated in the application of databases in the blood stem cells collections and transplantations. The database was designed and developed according to the relational model databases, the Ubuntu 8.04 LTS Server Edition used as operating system, the MySQL server 5.0.51b as the DataBase Management System (RDBMS), Apache HTTP server edition 2.2.9 as server, hosting the basic access needs through the network and phpMyAdmin version 2.11.7.1, as the final windowed environment, database management tool. The Python programming language was also an important tool for the construction of scripts needed to convert, optimize and import in the database the files that were recorded by blood stem cells collection and transplantation units of the University Hospital of Patras in Rio, records that firstly constituted the raw material for testing the proper functioning of the database and on the other hand, the data for statistical conclusions with a view to the optimization of donor’s pharmaceutical mobilization, the cell collection procedure and the process of the transplantation.

Οι βάσεις δεδομένων αποτελούν, πλέον, επιτακτική ανάγκη για την οργάνωση, αποθήκευση και γρήγορη ανάκτηση δεδομένων, αλλά και την εξαγωγή συμπερασμάτων μέσα από διαδικασίες στατιστικής επεξεργασίας, στα πλαίσια της αξιοποίησης του τεράστιου όγκου πληροφορίας που ήδη υπάρχει αλλά και εξακολουθεί να παράγεται με εξαιρετικά γρήγορους ρυθμούς στην ιατροβιολογική έρευνα και εν προκειμένω στο πεδίο των λήψεων και των μεταμοσχεύσεων αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων. Ωστόσο, για την εύκολη πρόσβαση στις πληροφορίες αυτές, απαιτούνται εξειδικευμένες εφαρμογές οι οποίες κρατούν μακρυά την πολυπλοκότητα των βάσεων δεδομένων από τον τελικό χρήστη, προσφέροντας ένα απλό και φιλικό περιβάλλον διαχείρισης. Το θέμα της εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη μιας τέτοιας εφαρμογής, με το όνομα “AutoStem”. Η εφαρμογή αναπτύχθηκε με τη γλώσσα προγραμματισμού Python, με τη βοήθεια των βιβλιοθηκών wxPython για την δημιουργία του διαδραστικού γραφικού περιβάλλοντος, storm για την επικοινωνία με τη βάση δεδομένων και matplotlib για τη δημιουργία υψηλής ποιότητας γραφημάτων. / Databases constitute nowadays imperative tool for the organization, storage, rapid data recovery and statistical analysis in the field of the modern managing and exploitation of the huge volume of information that already exists and continues to be produced extremely fast. The databases are extremely useful in the management of bioinformation of medicine and biology both in daily diagnostics as well as research. The present study is concentrated in the application of databases in the blood stem cells collections and transplantations. However, sophisticated and specialized applications are required in order to for them be easily accessed. Applications that hide their native complexity, offering an easy to use, intuitive and friendly management environment. The subject of the present thesis is the development of such an application, named “AutoStem”. The application was developed using the Python programming language, using the wxPython GUI library, the storm library for communicating with the database and the matplotlib for creating high quality graphs.

Στη γονιδιακή θεραπεία, οι κλινικές μελέτες μέχρι τώρα χρησιμοποιούν ιϊκούς φορείς για την μεταφορά του διαγονιδίου στα κύτταρα στόχους. Το DNA των ιϊκών φορέων ενσωματώνεται στο γενετικό υλικό των κυττάρων, και αυτό εμπεριέχει τον μεγάλο κίνδυνο της παρεμβολής στο ενδογενές πρόγραμμα γονιδιακής έκφρασης (μεταλλαξιγένεση λόγω ένθεσης). Μια λύση σε αυτή την ανεπιθύμητη κατάσταση είναι η χρήση επισωματικών φορέων και ιδιαίτερα όσων φέρουν χρωμοσωμικά στοιχεία. Παλαιότερα είχε αναφερθεί ότι ο πρότυπος επισωματικός φορέας pEPI που βασίζεται στο Scaffold /Matrix Attachment Region (S/MAR), παραμένει ως σταθερό επίσωμα για πολλές γενεές σε κυτταρικές σειρές ανθρώπου και ποντικού, αλλά δεν παραμένει για πολλές γενεές σε ανθρώπινα CD34+ κύτταρα. Για να ενισχυθεί η ικανότητα του φορέα να υποστηρίξει την γονιδιακή μεταφορά και συγκράτηση του σε πρωτογενή αρχέγονα/προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα, πρώτον ενισχύθηκε η μεταγραφή του S/MAR χρησιμοποιώντας τους ισχυρούς υποκινητές EF1/HTLV ή SFFV για το διαγονιδίο της eGFP και δεύτερον προστέθηκε μια αλληλουχία έναρξης της αντιγραφής (IR) από το γενετικό τόπο των β σφαιρινικών γονιδίων. Στην εργασία αυτή έγινε μεταφορά των νέων αυτών φορέων με την μέθοδο της πυρινικής ηλεκτροδιάτρησης σε κύτταρα CD34+ που απομονώθηκαν από κινητοποιημένο περιφερικό αίμα δοτών μυελού των οστών τα οποία διαμόλυναν επιτυχώς. Στην συνέχεια τα διαμολυσμένα κύτταρα CD34+ επιλέχθηκαν με FACS και καλλιεργήθηκαν σε θρεπτικό υλικό μεθυλοκυτταρίνης. Μετά την πάροδο 14 ημερών, ανιχνεύτηκε, με μικροσκοπία φθορισμού, έκφραση της eGFP στις τελικά διαφοροποιημένες αιμοποιητικές αποικίες που προέκυψαν. / Gene therapy clinical trials are currently based on integrating viral vectors; this approach presents the major risk of insertional mutagenesis. A solution to this side effect could be the use of episomal vectors and particularly the ones carrying chromosomal elements.We previously reported that the prototype episomal vector pEPI, based on a Scaffold /Matrix Attachment Region (S/MAR), functions as a stable episome for many generations in human and murine hematopoietic cell lines, but mediates very low long term retention in human CD34+ cells. To enhance the vector’s potential for gene transfer into primary hematopoietic stem/progenitor cells, (a) was enforced transcription through the S/MAR by using the strong hybrid EF1/HTLV or SFFV promoters to drive expression of the upstream transgene (eGFP) and (b) was included the replication initiation region (IR) from the β-globin gene locus. In this thesis the new vectors where delivered by nucleofection in CD34+ cells isolated from mobilized peripheral blood of healthy donors; th cells were efficiently transfected. Moreover the the transfected CD34+ cells were separated with FACS and cultured in methylocyttarine containing medium. After 14 days, eGFP expression was readily detected by fluorescence microscopy in the differentiated hematopoietic colonies.

Η αιμοποιητική φωλαιά (hematopoietic stem cell niche) περιέχει οστεοβλάστες, οι οποίοι ρυθμίζουν τη φυσιολογική αιμοποίηση. Ωστόσο, λίγα στοιχεία είναι γνωστά, έως τώρα, για το ρόλο των οστεοβλαστών στη διαδικασία της αιμοποίησης σε ασθενείς με Μυελοδυσπλαστικό Σύνδρομο (ΜΔΣ). Το ΜΔΣ, αποτελεί μια ετερογενή ομάδα κλωνικών αιματολογικών διαταραχών, με αυξημένο κίνδυνο εκτροπής προς Οξεία Μυελογενή Λευχαιμία (ΟΜΛ). Μελέτες σε ex-vivo συστήματα καλλιεργειών (co-cultures) περιγράφουν την επίδραση των μεσεγχυματικών κυττάρων (“feeder cells”) στο δυναμικό πολλαπλασιασμού, στη μεταναστευτική ικανότητα, καθώς και στη διατήρηση (stemness) των αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων (HSCs) φυσιολογικών δοτών. Η μελέτη αυτή στοχεύει στη διερεύνηση των βιολογικών χαρακτηριστικών των οστεοβλαστών από ασθενείς με ΜΔΣ καθώς και τις αλληλεπιδράσεις φυσιολογικών HSCs και οστεοβλαστών ασθενών με ΜΔΣ. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκε ένα σύστημα δισδιάστατης καλλιέργειας (2-D culture system) χρησιμοποιώντας οστεοβλάστες που παρήχθησαν από μεσεγχυματικά κύτταρα μυελού των οστών (human marrow mesenchymal stem cells-MSCs). Τα MSCs απομονώθηκαν από το μυελό των οστών ασθενών με ΜΔΣ και υγιών δοτών και καλλιεργήθηκαν σε κατάλληλο θρεπτικό μέσο. Ακολούθησε επαγωγή της διαφοροποίησης των MSCs, μετά από συνεχόμενες καλλιέργειες σε οστεοβλάστες. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν 13 δείγματα μυελού των οστών από ασθενείς με ΜΔΣ (6 RA, 3 RAEBI, 2 RAEBII, 1 5q- και 1 υποπλαστικό MDS) και 8 δείγματα μυελού φυσιολογικών μαρτύρων όμοιας ηλικίας. Για τη μελέτη της επίδρασης των οστεοβλαστών από ασθενείς με ΜΔΣ στην αιμοποίηση χρησιμοποιήθηκαν φυσιολογικά HSCs από κινητοποιημένο περιφερικό αίμα υγιών δοτών (mPB, n=4), τα οποία τοποθετήθηκαν πάνω στους ήδη εγκατεστημένους οστεοβλάστες (osteoblast confluent monolayer cultures). Τα MSCs και οι οστεοβλάστες που αναπτύχθηκαν ελέγχθηκαν μορφολογικά και ανοσοφαινοτυπικά, με τη χρήση μικροσκοπίας και κυτταρομετρίας ροής αντίστοιχα. Μονοπύρηνα κύτταρα από δείγματα κινητοποιημένου περιφερικού αίματος υγιών δοτών τοποθετήθηκαν στο δισδιάστατο καλλιεργητικό σύστημα, σε καλλιεργητικό υλικό αιμοποιητικών κυττάρων, χωρίς την εξωγενή προσθήκη κυτταροκινών. Με τη χρήση κυτταρομετρίας ροής ελέγχθηκε η έκφραση των μορίων που σχετίζονται με την προσκόλληση των αιμοποιητικών κυττάρων στην αιμοποιητική φωλαιά καθώς και την εγκατάσταση και διατήρησή τους σε αυτή. Ο έλεγχος έγινε στις 36 ώρες και τις 7 ημέρες συγκαλλιέργειας και αφορούσε τα μόρια CXCR4, το οποίο ρυθμίζει την άμεση πρόσδεση των HSCs στην φωλαιά κατά τη διαδικασία του “homing”, CD49d (Very Late Antigen-4- VLA4) και CD49e (Very Late Antigen-5- VLA5), τα οποία παρέχουν σήματα επιβίωσης ή προάγουν την ενεργοποίηση μιας φάσης ηρεμίας (quiescence) στα HSCs μετά την είσοδο τους στη φωλαιά (localization). Η έκφραση των μορίων αυτών μελετήθηκε στους υποπληθυσμούς των CD34+, CD34+/CD38+ και CD34+/CD38- κυττάρων. Παράλληλα εκτιμήθηκε το ποσοστό (συχνότητα) των CD34+ αιμοποιητικών κυττάρων καθώς επίσης και η προσκόλλησή τους στους οστεοβλάστες. Μετά τη συγκαλλιέργεια, οι οστεοβλάστες που προήλθαν από υγιείς δότες προκάλεσαν τον πολλαπλασιασμό των CD34+ κυττάρων των φυσιολογικών αιμοποιητικών κυττάρων που τοποθετήθηκαν πάνω στο εγκατεστημένο στρώμα των οστεοβλαστών (3-fold και 9-fold αύξηση στις 36ώρες και τις 7ημ., αντίστοιχα). Αύξηση επίσης, παρατηρήθηκε (2 fold αύξηση) στα CD34+ κύτταρα στις συγκαλλιέργειες των 36h, φυσιολογικών HSCs με οστεοβλάστες που παρήχθησαν από ασθενείς με ΜΔΣ, ενώ καμία διαφορά δεν παρατηρήθηκε μεταξύ των διαφορετικών υποτύπων ΜΔΣ. Στις 7 ημέρες συγκαλλιέργειας από την άλλη, δεν 12 παρατηρήθηκε καμία διαφορά στη συχνότητα εμφάνισης ενός πιο άωρου φαινοτύπου των φυσιολογικών HSCs που αναπτύχθηκαν σε οστεοβλάστες από ασθενείς με χαμηλού κινδύνου ΜΔΣ (low risk MDS). Αντιθέτως, τα CD34+ κύτταρα αυξήθηκαν κατά πολύ (16- fold αύξηση), όταν φυσιολογικά HSCs, τοποθετήθηκαν σε οστεοβλάστες ασθενών με υψηλού κινδύνου ΜΔΣ (high risk MDS). Επιπλέον, παρατηρήθηκε αύξηση της έκφρασης των μορίων CXCR4, CD49d και CD49e στα CD34+ κύτταρα μετά από συγκαλλιέργεια φυσιολογικών HSCs και οστεοβλαστών από υγιείς δότες, συγκριτικά με τα επίπεδα έκφρασης των μορίων αυτών πριν την τοποθέτηση τους στο σύστημα συγκαλλιέργειας. Η αύξηση της έκφρασης του μορίου CXCR4 ήταν λιγότερο εμφανής στην περίπτωση συγκαλλιέργειας των φυσιολογικών HSCs με οστεοβλάστες από ασθενείς με ΜΔΣ, όπου η μεγαλύτερη διαφορά παρατηρήθηκε στο σύστημα που περιείχε τους οστεοβλάστες από ασθενείς χαμηλού κινδύνου ΜΔΣ (3- και 1,7- fold αύξηση στις 7ημέρες καλλιέργειας με οστεοβλάστες από υγιείς δότες και χαμηλού κινδύνου ΜΔΣ ασθενείς, αντίστοιχα). Το πρότυπο έκφρασης των μορίων CD49d και CD49e ήταν όμοιο στα κύτταρα που τοποθετήθηκαν τόσο σε οστεοβλάστες προερχόμενους από υγιείς δότες, όσο και οστεοβλάστες από ΜΔΣ ασθενείς. Ο φαινότυπος, τόσο όσον αφορά τα μορφολογικά όσο και τα ανοσοφαινοτυπικά χαρακτηριστικά, των MSCs ήταν ίδιος και στις δυο ομάδες μελέτης, ενώ η διαφοροποίηση των MSCs προς οστεοβλάστες ήταν όμοια τόσο στα MSCs που προήλθαν από φυσιολογικούς δότες όσο και σε αυτά που προήλθαν από ασθενείς με ΜΔΣ, δείχνοντας παρόμοια έκφραση των ειδικών οστεοβλαστικών πρωτεϊνών αλλά και της διαδικασίας της ενασβεστοποίησης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που λάβαμε, οι οστεοβλάστες από υγιείς δότες προώθησαν την αύξηση του ποσοστού των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων και οδήγησαν στην επαγωγή της έκφρασης του μορίου CXCR4, ενός πολύ σημαντικού μορίου για τη μετανάστευση, την εγκατάσταση αλλά και την ανάπτυξη. Ωστόσο, η διαφορετική δραστηριότητα, τόσο όσον αφορά το ποσοστό των CD34+ όσο και την έκφραση του μορίου CXCR4, όταν τα φυσιολογικά αιμοποιητικά κύτταρα συγκαλλιεργήθαν με οστεοβλάστες που προήλθαν από ασθενείς με ΜΔΣ, οδηγεί στην υπόθεση ότι υπάρχει μεταβολή στη λειτουργία των οστεοβλαστών, οπότε προβλέπεται και μια επακόλουθη αλλαγή στη ρύθμιση της εγκατάστασης των HSC στην αιμοποιητική φωλαιά, στους ασθενείς με ΜΔΣ. / The hematopoietic stem cell niche contains osteoblasts that regulate normal hematopoiesis. However, little is known about the role of osteoblasts in MDS hematopoiesis so far. Myelodysplastic syndrome comprises a heterogeneous group of clonal stem cell disorders with dismal prognosis and difficulty in their therapeutic approach, which is characterized by ineffective hematopoiesis. It appears with dysplastic hematopoietic cells, peripheral blood cytopenias and high risk of evolution to acute myeloid leukemia (AML). Data derived from ex vivo co-culture systems using mesenchymal stromal cells as a feeder cell layer suggest that cell-cell contact has a significant impact on the expansion, migratory potential and “stemness” of hematopoietic stem cells. In this study, we investigated the biological characteristics of osteoblasts from MDS patients and the interactions between these cells and normal hematopoietic stem cells (HSCs). Osteoblasts were differentiated from marrow MSCs from 13 MDS patients (6 RA, 3 RAEBI, 2 RAEBII, 1 5q- and 1 hypoplastic MDS) and 8 age-matched healthy individuals. To study the effect of MDS osteoblasts on hematopoiesis, normal HSCs from mobilized peripheral blood from healthy individuals (n=4) were seeded onto osteoblast confluent monolayer cultures using a culture medium appropriate for the culture of HSCs, without the exogenous addition of cytokines. We studied the morphology and immunophenotype of MSCs and osteoblasts by microscopy and flow cytometric analysis, respectively. Cytometric analyses of homing associated molecules were performed 36h and 7d later. These molecules are CXCR4, which regulates the direct adhesion of HSCs to the bone marrow niche during “homing”, CD49d (Very Late Antigen-4- VLA4) and CD49e (Very Late Antigen-5- VLA5), which produce survival signals or promote the maintenance of a quiescent state for HSCs after entering the stem cell niche (localization). We investigated the expression of these molecules in CD34+, CD34+/CD38+ and CD34+/CD38- cell populations. Furthermore we studied the frequency of CD34+ hematopoietic cells and also their ability to adhere osteoblasts.Osteoblasts from healthy individuals increased the frequency of CD34+ cells by 3- and 9-fold increase in normal hematopoietic cells after 36h and 7d co-cultures respectively. A 2-fold increase was also seen in CD34+ cells when normal HSCs grown on MDS-osteoblasts for 36h and no difference was seen between the MDS subtypes. When the culture period was extended to 7d, there was no change in the frequency of immature phenotype of normal HSCs in osteoblast cultures from low-risk MDS patients. In contrast, CD34+ cells increased several fold (16-fold increase) when normal HSCs were cultured on high-risk MDS 14 osteoblasts, twice the values obtained in osteoblast co-cultures from healthy individuals and low risk patients. The expression of adhesion molecules CXCR4, CD49d and CD49e on CD34+ cells from normal HSCs was increased in co-cultures with osteoblasts from healthy individuals compared to the values obtained before culture (3-fold increase at 7d). The increase in CXCR4 expression was less pronounced in the presence of osteoblasts from MDS patients with the largest difference being found in low-risk MDS patients (1,7-fold increase at 7d). The expression pattern of CD49d and CD49e was identical between cells grown on MDS- and normal- osteoblast co-cultures.The morphological and immunophenotypical analysis of MSCs show the same results for the two study groups, while the differentiation of MSCs to osteoblasts was similar for both healthy individuals and MDS patients, after having similar expression of bone specific proteins and mineralization activity. According to our data, osteoblasts from healthy individuals promoted the expansion of immature hematopoietic progenitors and induced the cell surface expression of CXCR4, an important molecule in HSCs homing, retention and development. However, the different expression of CXCR4 and the change in frequency of CD34+ cells that were detected when normal HSCs co-operated with MDS-osteoblasts, suggests alteration in osteoblast function and the subsequent regulation of the HSC residency in the niche in MDS patients compared with healthy individuals.

Τα επισωματικά αυτο-αναπαραγώμενα συστήματα αποτελούν υποσχόμενα εναλλακτικά οχήματα γονιδιακής μεταφοράς για εφαρμογές της γονιδιακής θεραπείας. Η πρόσφατη κατανόηση της ικανότητας των αλληλουχιών S/MAR να διαμεσολαβούν την επισωματική διατήρηση γενετικών στοιχείων επέτρεψε την ανάπτυξη ενός πρότυπου κυκλικού επισωματικού φορέα που λειτουργεί χωρίς να κωδικοποιεί πρωτεΐνες ιϊκής προέλευσης. Σε αυτή τη μελέτη, διερευνήθηκε για πρώτη φορά η δυνατότητα αυτού του φορέα, pEPI-eGFP, να μεσολαβεί γονιδιακή μεταφορά σε κυτταρικές σειρές προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων καθώς και σε πρωτογενή ανθρώπινα κύτταρα και, κυρίως, σε ανθρώπινα προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα. Δείχνουμε ότι ο φορέας pEPI-eGFP διατηρείται επισωματικά και υποστηρίζει παρατεταμένη έκφραση του γονιδίου αναφοράς eGFP, ακόμα και χωρίς πίεση επιλογής, στην ανθρώπινη κυτταρική σειρά K562, καθώς και σε πρωτογενείς ανθρώπινους ινοβλάστες. Αντίθετα, στην κυτταρική σειρά ερυθρολευχαιμίας ποντικού MEL, η έκφραση της eGFP αποσιωπάται μέσω αποακετυλίωσης ιστονών, παρά την επισωματική διατήρηση του φορέα. Προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα με κλωνογόνο ικανότητα, προερχόμενα από αίμα ομφάλιου λώρου, διαμολύνονται αποτελεσματικά με το φορέα μέσω ηλεκτροδιάτρησης. Ημιστερεές αποικίες προερχόμενες από διαμολυσμένα CD34+ κύτταρα διατηρούν το φορέα και εκφράζουν eGFP. Μετά από 4 εβδομάδες ο φορέας διατηρείται επισωματικά σε περίπου 1% των θυγατρικών κυττάρων. Τα αποτελέσματά μας αποδεικνύουν για πρώτη φορά ότι ένα πλασμίδιο βασιζόμενο σε μια αλληλουχία S/MAR μπορεί να λειτουργεί ως σταθερό επιίσωμα σε πρωτογενή ανθρώπινα κύτταρα και, ιδιαίτερα, σε προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα, υποστηρίζοντας παρατεταμένη έκφραση του διαγονιδίου. Η μελέτη αυτή αναδεικνύει τη χρησιμότητα του συστήματος αυτού για τους σκοπούς της γονιδιακής θεραπείας. Παράλληλα, καταδεικνύει τους στόχους στους οποίους πρέπει να επικεντρωθεί η μελλοντική έρευνα προς την κατεύθυνση της βελτίωσής του. / Episomally maintained self-replicating systems present attractive alternative vehicles for gene therapy applications. Recent insights into the ability of chromosomal scaffold/matrix attachment regions (S/MARs) to mediate episomal maintenance of genetic elements cloned in cis allowed the development of a small circular episomal vector that functions independently of virally encoded proteins. In this study, we investigated the potential of this vector, pEPI-eGFP, to mediate gene transfer in hematopoietic progenitor cell lines as well as in primary human cells and, importantly, in human hematopoietic progenitor cells. pEPI-eGFP was episomally maintained and conferred sustained eGFP expression even in nonselective conditions in the human cell line, K562, as well as in primary human fibroblast-like cells. In contrast, in the murine erythroleukemia cell line, MEL, transgene expression was silenced through histone deacetylation, despite the vector’s episomal persistence. Hematopoietic semisolid cell colonies derived from transfected human cord blood retained the vector and expressed eGFP. After 4 weeks, the vector was maintained in approximately 1% of progeny cells. Our results provide the first evidence that a S/MAR-based plasmid can function as a stable episome in primary human cells, supporting long-term transgene expression. The present study constitutes a proof of principle for the utility of this system in gene therapy applications and points at targets for future improvements.

Στην επίκτητη απλαστική αναιμία (ΑΑ) ο υποκυτταρικός μυελός και η πανκυτταροπενία στο περιφερικό αίμα είναι αποτέλεσμα βλάβης των αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα της νόσου είναι η ποσοτική αλλά και ποιοτική διαταραχή της stem cell δεξαμενής. Κλινικά και εργαστηριακά ευρήματα προτείνουν το σημαντικό ρόλο του ανοσοποιητικού συστήματος και ειδικά των Τ λεμφοκυττάρων στην ανάπτυξη της απλαστικής αναιμίας. Σήμερα, πλέον, είναι ευρύτερα αποδεκτό ότι η καταστολή του μυελού, που παρατηρείται στην ιδιοπαθή απλαστική αναιμία, είναι αποτέλεσμα της υπερπαραγωγής των μυελοκατασταλτικών κυτταροκινών IFN-γ και TNF-α από διεγερμένα CD8+ κυτταροτοξικά λεμφοκύτταρα, τα οποία συναντούμε τόσο στο περιφερικό αίμα όσο και στο μυελό ασθενών με απλαστική αναιμία. Οι κυτοκίνες αυτές παρουσιάζουν μάλλον προσθετική αντί συνεργική δράση, η οποία σχετίζεται με την IFN-γ-εξαρτώμενη αύξηση της έκφρασης του Fas στα CD34+ κύτταρα και από την IFN-γ-επαγώμενη έκκριση του TNF-α από τα μακροφάγα. Μελέτες έχουν δείξει ότι τόσο τα CD34+ όσο και τα BMMNC κύτταρα του μυελού των ασθενών με ΑΑ είναι περισσότερα αποπτωτικά σε σχέση με φυσιολογικούς μυελούς. Στόχος της διατριβής ήταν η περαιτέρω μελέτη των μοριακών μηχανισμών που εμπλέκονται στην ανοσολογικής προέλευσης απλαστική αναιμία. Λόγω, όμως, του ότι η απλαστική αναιμία είναι μια σπάνια νόσος, η παρουσία ενός εύκολα αναπαραγώγιμου in vitro μοντέλου μυελικής απλασίας θα βοηθούσε περισσότερο στη μοριακή μελέτη αυτής. Στη μελέτη μας, η αναπαραγωγή του καταλληλότερου μοντέλου μυελικής απλασίας επιτεύχθηκε με την προσθήκη των μυελοκατασταλτικών κυτταροκινών IFN-γ και TNF-α σε φυσιολογικό σύστημα μακράς διάρκειας καλλιέργειας μυελού των οστών. Στο μοντέλο αυτό έγινε διερεύνηση των μοριακών μονοπατιών των σχετιζομένων με την Fas και TRAIL επαγόμενη απόπτωση. Παράλληλα, έγινε σύγκριση των δεδομένων από το in vitro μοντέλο με τα αποτελέσματα της παράλληλης μελέτης των αντίστοιχων μοριακών παραμέτρων σε κύτταρα μυελού ασθενών με απλαστική αναιμία. Στο IFN-γ/ΤNF-α μοντέλο παρατηρήθηκε σημαντική μείωση τόσο των πιο άωρων LTC-IC όσο και των πιο δεσμευμένων προγονικών κυττάρων, σε σχέση με τις καλλιέργειες-μάρτυρες. Επιπλέον, τα αποτελέσματα των πρωτογενών και δευτερογενών καλλιεργειών βραχείας διάρκειας σε μυελικά κύτταρα ασθενών με ενεργό νόσο, επιβεβαίωσαν το χαρακτηριστικό γνώρισμα της απλαστικής αναιμίας, δηλαδή, το μειωμένο αριθμό προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων. Η επώαση φρέσκων φυσιολογικών μυελικών κυττάρων, σε 5-6 εβδομάδων LTBMC σύστημα, με συνδυασμό των TNF-α/IFN-γ παραγόντων οδηγεί σε αύξηση της Fas mRNA έκφρασης στα CD34+ κύτταρα, κάτι που δεν παρατηρείται στα, αντίστοιχα, φρέσκα και στα 5-6 εβδομάδων κύτταρα-μάρτυρες. Το εύρημα αυτό σε συνδυασμό με τη χαμηλή mRNA έκφραση της caspase 3 καθώς και την απουσία έκφρασης των Bcl-2, Bax και της caspase 8 στον ίδιο πληθυσμό, προτείνουν το σημαντικό ρόλο του external μονοπατιού επαγωγής της απόπτωσης, όπως αυτό ρυθμίζεται από την δράση των μυελοκατασταλτικών κυτοκινών TNF-α/IFN-γ. Παράλληλα, η παρουσία χαμηλής Bcl-2 mRNA έκφρασης, στα CD34+ κύτταρα, τονίζει τη σημασία της αναλογίας προ-αποπτωτικών/αντι-αποπτωτικών σημάτων στη κυτταρική έκβαση. To σημαντικότερο, πάντως, εύρημα του TNF-α/IFN-γ μοντέλου είναι η συνεχής TRAIL mRNA έκφραση, στα CD34+ κύτταρα αυτού, κάτι το οποίο δεν έχει αναφερθεί, ως τώρα, στη βιβλιογραφία. Η μοριακή ανάλυση των μυελικών κυττάρων των ΑΑ ασθενών απεκάλυψε, εκτός της Fas mRNA έκφρασης στα BMMNC και/ή στα CD34+ κύτταρα, την αυξημένη TRAIL mRNA έκφραση στο CD34+ κυτταρικό πληθυσμό των ασθενών με ενεργό νόσο. Αντίθετα, στους ασθενείς σε ύφεση, απουσιάζει η έκφραση και των δύο γονιδίων στον ίδιο πληθυσμό. Ενώ, στα BMMNC η έκφραση του TRAIL mRNA παραμένει, ένα συνεχές εύρημα, ακόμη και στους ασθενείς σε ύφεση. Επιπρόσθετα, η μειωμένη έκφραση των αντι-αποπτωτικών γονιδίων Bcl-xl και/ή Bcl-2 στα BMMNC όλων των ασθενών και του Bcl-xl στα CD34+ κύτταρα των ασθενών με ενεργό νόσο, δείχνει «ανίκανη» να αναστείλλει το μηχανισμό της απόπτωσης στους AA ασθενείς. Το γεγονός ότι η έκφραση του TRAIL mRNA είναι συνεχής στο CD34+ κυτταρικό πληθυσμό του TNF-α/IFN-γ μοντέλου και μόνο στα CD34+κύτταρα ΑΑ ασθενών με ενεργό νόσο, δείχνει τη σημαντικότητα του συγκεκριμένου μορίου στην απόπτωση των προγονικών κυττάρων στη μυελική απλασία. Συμπερασματικά, το μοντέλο μυελικής απλασίας που τελικά επιλέξαμε επιβεβαιώνει προηγούμενη γνώση της συμμετοχής των TNF-α και IFN-γ στη παθοφυσιολογία της απλαστικής αναιμίας. Παράλληλα, τα μοριακά δεδομένα, τόσο του μοντέλου όσο και των ασθενών με απλαστική αναιμία, ενισχύουν την εμπλοκή του Fas/FasL στη παθογένεση της νόσου και προτείνουν την πιθανή συμμετοχή του TRAIL/Apo2L στην όλη διαδικασία. / In aplastic anemia (AA) the hypocellular bone marrow and blood pancytopenia occur as a result of damage to hematopoietic stem cells . Previous studies have shown that a profound quantitative and qualitative defect in the stem cell compartment is a common feature in most patients with AA. Clinical and laboratory data suggest that the immune system, especially T lymphocytes, have an important role in the development of AA. It is well established that IFN-γ and TNF-α mediate hematopoietic stem cell suppression in aplastic anemia. These proinflammatory cytokines exhibit additive rather than synergistic effect, which may be mediated by the IFN-γ-dependent increase in Fas expression on CD34+ progenitor cells and by the IFN-γ-inducible secretion of TNF-α by macrophages. Bone marrow total mononuclear and progenitor cells from aplastic anemia patients are more apoptotic than cells from normal donors, indicating that apoptosis may be a major mechanism of stem cell loss in aplastic anemia. The aim of our study was to investigate the molecular mechanisms involved in the immune-mediated pathology of aplastic anemia. Since aplastic anemia is a rare disease the existence of an easily reproducible model of in vitro hematopoietic cell suppression can facilitate studies concerning the molecular pathways of this disease. In our study, we reproduced such a model with the addition of the myelosuppressive cytokines IFN-γ and TNF-α in a normal long term bone marrow culture system. In this model, we examined the Fas mediated pathway of apoptosis and especially the correlation between TRAIL expression and myelosuppression. We, also, studied these parameters in marrow cells from aplastic anemia patients. The IFN-γ and TNF-α inhibitory cytokines appeared to affect both immature LTC-ICs and more commited progenitor cells capable of lineage-specific colony formation (CFCs). In addition our progenitor cell assays results in patients, supported this unifying feature of reduced haematopoietic progenitor cells in aplastic anemia. TNF-α and IFN-γ treatment up-modulated Fas expression and induced apoptosis of 5-6 weeks cultured normal CD34+ cells, while normal freshly isolated and 5-6 weeks untreated cultured CD34+ cells showed no Fas mRNA expression. This finding, along with the low mRNA expression of caspase 3 and the absence of Bcl-2, Bax and caspase 8 expression, proposes the major role for activation of the extrinsic apoptosis pathway due to treatment of BMMNC with TNF-α and IFN-γ. In parallel, the existence of the low Bcl-xl mRNA expression in the same cell compartment points to the importance of the ratio of pro-apoptotic to anti-apoptotic signals, in cell fate. The most interesting finding is the constant TRAIL mRNA expression on CD34+ cells in TNF-α/IFN-γ treated LTBMC, something not mentioned before. Molecular analysis of patients’ marrow cells revealed, apart from Fas mRNA expression in BMMNC and/or CD34+ cells, TRAIL mRNA expression in CD34+ cell population in active disease. Ιn contrast, in patients in remission, both Fas and TRAIL mRNA expression does not exist. Instead, in BMMNC’s cell compartment TRAIL mRNA expression remains a constant finding even in patients in remission. Additionally, the decreased expression of anti-apoptotic bcl-xl and/or bcl-2 in all patients’ BMMNCs and bcl-xl expression in CD34+ cells from patients with active disease, seems unable to inhibit the mechanism of apoptosis in aplastic anemia patients. In our study, the fact that the expression of TRAIL was constant on CD34+ cells in TNF-α/IFN-γ treated LTBMC and only in CD34+ cells of patients with active disease, points out its significance in apoptosis of progenitor cells. In conclusion, our in vitro model of hematopoietic suppression confirmed previous knowledge for participation of TNF-α and IFN-γ in the pathophysiology of marrow failure in aplastic anemia. In parallel, the molecular data both from the in vitro model, as well as from patients with aplastic anemia, reinforce the implication of Fas/FasL pathway in the pathogenesis of this disease and propose a probable role for TRAIL/Apo2L in the process.

Η ακτινοθεραπεία αποτελεί μέρος της θεραπείας πολλών αιματολογικών κακοηθών νοσημάτων επηρεάζοντας τον αριθμό και την λειτουργικότητα των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων CD34+ Το DNA των κυττάρων αποτελεί το βασικότερο και ίσως καλύτερα μελετημένο μόριο-στόχο της ακτινοβολίας. Ο μηχανισμός που προκαλεί βλάβη στο DNA είναι άμεσος αλλά και έμμεσος. Η άμεση επίδραση και βλάβη της ακτινοβολίας στο DNA αφορά στην απευθείας δράση της στο μόριο του DNA που είναι δυνατόν να οδηγήσει σε αντικατάσταση ή απώλειας μιας βάσης, αλλαγές στην τεταρτοταγή δομή του DNA και κατά συνέπεια στις αλληλεπιδράσεις του με άλλα μόρια του κυττάρου (cross links), σπασίματα της διπλής έλικας DSB (Double Strand Breaks) ή της μίας μόνο εκ των δύο αλυσίδων SSB (Single Strand Breaks), σημειακές μεταλλάξεις ή απώλεια τμήματος των χρωμοσωμάτων. Ο έμμεσος μηχανισμός δράσης της ακτινοβολίας στο DNA αφορά την δημιουργία ελευθέρων ριζών από την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα μόρια του νερού, ενδοκυττάρια και εξωκυττάρια από τη μία αλλά και από την απευθείας βλάβη του μιτοχονδρίου που αποτελεί κύρια ενδοκυττάρια πηγή ελευθέρων ριζών. Οι παραγόμενες ελεύθερες ρίζες με τη σειρά τους προκαλούν απευθείας βλάβη στο μόριο του DNA, με αποτέλεσμα την πυροδότηση ενός φαυλού κύκλου ενδοκυττάριας παραγωγής ελευθέρων ριζών και πρόκλησης βλαβών στο μόριο του DNA. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της δράσης χαμηλών και υψηλότερων δόσεων ακτινοβολίας (1, 2 και 5Gy) σε προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα CD34+ προερχόμενα από αίμα ομφαλίου λώρου φυσιολογικών νεογνών, και ο πιθανός προστατευτικός μηχανισμός που ενεργοποιείται από την παρουσία του ινσουλινικού αυξητικού παράγοντα IGF-1. Η προκαλούμενη από την ακτινοβολία ενδοκυττάρια παραγωγή ενεργών μορφών οξυγόνου μελετήθηκε παρουσία ή απουσία του IGF-1, 30 λεπτά και 24 ώρες μετά την ακτινοβόληση με χρήση κυτταρομετρίας ροής. Η έκφραση του αντιοξειδωτικού ενζύμου MnSOD εκτιμήθηκε ποσοτικά με την τεχνική της ανοσοαποτύπωσης και ποιοτικά μέσω ανοσοφθορισμού. Η προκαλούμενη από την ακτινοβολία απόπτωση και η δράση του υπό μελέτη αυξητικού παράγοντα εκτιμήθηκε με τις ακόλουθες τεχνικές: • Διπλή χρώση των κυττάρων με Αννεξίνη και Ιωδιούχο προπίδιο και ανάλυση με κυτταρομετρία ροής • Ανάλυση DNA σε γέλη αγαρόζης • Εκτίμηση σε επίπεδο mRNA και πρωτεΐνης του λόγου των μορίων BCL-2 και BAX • Εκτίμηση της έκφρασης του μορίου κασπάση -9, με τη μέθοδο του ανοσοφθορισμού Εκτιμήθηκε επίσης ο πολλαπλασιασμός και η κλωνογόνος ικανότητα των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων. Η ενδοκυττάρια παραγωγή της ρίζας του υπεροξειδίου παρουσίασε αύξηση 30 λεπτά και 24 ώρες μετά την ακτινοβόληση, και η παρουσία του IGF-1 ανέτρεψε το φαινόμενο αυτό, μειώνοντας και επιστρέφοντας τα ενδοκυττάρια επίπεδα του ανιόντος του υπεροξειδίου στα επίπεδα του δείγματος ελέγχου. Αμέσως μετά την ακτινοβόληση των κυττάρων τα ενδοκυττάρια επίπεδα του υπεροξειδίου του υδρογόνου ανευρέθηκαν υψηλά σε σύγκριση με τα αυθόρμητα ενδογενή επίπεδα μη ακτινοβολημένων κυττάρων για όλες τις δόσεις ακτινοβολίας, όμως στον όψιμο χρόνο μελέτης, των 24 ωρών, παρέμειναν σχεδόν σταθερά, παρουσιάζοντας τάση μείωσης, χωρίς όμως να σημειώνονται στατιστικά σημαντικές διαφορές. Είκοσι τέσσερεις ώρες μετά την ακτινοβόληση τα επίπεδα του αντιοξειδωτικού ενζύμου MnSOD αυξήθηκαν, και η παρουσία του IGF-1 οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση της έκφρασης του. Ο IGF-1 ανέστειλε την ενεργοποίηση του μιτοχονδριακού μηχανισμού απόπτωσης ρυθμίζοντας σε μοριακό και κυτταρικό επίπεδο την έκφραση των BCL-2, ΒΑΧ και του λόγου BCL-2/BAX, και μειώνοντας την έκφραση του προαποπτωτικού μορίου κασπάση-9. Θετική ήταν και η δράση του IGF-1 στον πολλαπλασιασμό και στην ικανότητα αποδοτικής αιμοποίησης των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων, ενισχύοντας την ικανότητα πολλαπλασιασμού των ακτινοβολημένων κυττάρων αλλά και την κλωνογόνο ικανότητα τους ως προς τον σχηματισμό BFU-e και CFU-GM αποικιών. Συνοψίζοντας, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι ο IGF-1 συμμετέχει στη διατήρηση της οξειδοαναγωγικής ομοιόστασης του ενδοκυττάριου περιβάλλοντος των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων μειώνοντας τα ενδοκυττάρια επίπεδα των παραγόμενων ενεργών μορφών οξυγόνου. Μέσω θετικής ρύθμισης του αντιοξειδωτικού μηχανισμού MNSOD και συμμετέχοντας προστατευτικά στο μιτοχονδριακό καταρράκτη της απόπτωσης οδηγεί σε προστασία των ακτινοβολημένων αιμοποιητικών κυττάρων επιτρέποντας τους να διατηρήσουν την λειτουργικότητα τους και την ικανότητα αιμοποίησης. / Radiation exerts direct as well as indirect effects on DNA through the generation of reactive oxygen species (ROS). Irradiated hematopoietic progenitor cells (HPCs) experience DNA strand breaks, favoring genetic instability, due to ROS generation. Our aim was to study the effect of a range of radiation doses in HPCs and the possible protective mechanisms activated by insulin-like growth factor-1 (IGF-1). ROS generation was evaluated, in the presence or absence of IGF-1 in liquid cultures of human HPCs-CD34+ irradiated with 1-, 2- and 5-Gy X-rays, using a flow cytometry assay. Manganese superoxide dismutase (MnSOD) expression was studied by western blot analysis and visualized by an immunofluorescence assay. Apoptosis was estimated using the following assays: Annexin-V assay, DNA degradation assay, BCL-2/BAX mRNA and protein levels and caspase-9 protein immunofluorescence visualization. Viability and clonogenic potential were studied in irradiated HPCs. The generation of superoxide anion radicals at an early and a late time point was increased. This linear increase was reversed by the IGF-1 presence, restoring O.- generation at the levels of the innate production as manifested in control non irradiated samples. The hydrogen peroxide generation was increased at early time point but at late time point was stable. IGF-1 presence further enhanced the radiation-induced increase of MnSOD at 24 h post irradiation. IGF 1 inhibited the mitochondria- mediated pathway of apoptosis by regulating the m-RNA and protein expression of BAX, BCL-2 and the BCL-2/BAX ratio and by decreasing caspase-9 protein expression. IGF-1 presence in culture media of irradiated cells restored the clonogenic capacity and the viability of HPCs as well. In conclusion, our data support that IGF-1 anticipates oxidative microenvironment of HPCs by reducing the oxidative stress in intracellular environment due to a range of doses of radiation. IGF-1 succeeds to eliminate free radicals by favoring scavenger’s mechanisms and by regulating elements responsible for the mitochondrial pathway of apoptosis, allowing the sustained clonogenic capacity of hematopoietic progenitor cells.

Tο πρώτο μέρος της εργασίας αφορούσε την παρακολούθηση της ερυθρολευχαιμική σειρά ποντικού (MEL) διαμολυσμένη με το επισωματικό αυτό-αναπαραγώμενο όχημα pEPI-EGFP, τα κύτταρα της οποίας δεν παρουσίαζαν φθορισμό ενώ παρέμεναν ανθεκτικά στο αντιβιοτικό (G418). Αποδείχθηκε η επισωματική κατακράτηση του οχήματος για δύο μήνες μετά τη δημιουργία της διαμολυσμένης σειράς. Η διαπίστωση επίσης ότι το μεταφερόμενο γονίδιο μπορεί να μην εκφράζεται αλλά το όχημα να παραμένει για τουλάχιστον 60 ημέρες επισωματικό και χωρίς ενσωμάτωση μας ώθησε σε νέες προοπτικές αναζήτησης. Το δεύτερο μέρος της εργασίας έγινε παρασκευή δύο οχημάτων τα οποία διαφέρουν ως προς τον υποκινητή του γονιδίου αναφοράς ΕGFP τόσο μεταξύ τους όσο και από το όχημα pEPI-EGFP, το βασικό όχημα μελέτης έως τώρα. Η παρασκευή αυτή βασίστηκε στην αντικατάσταση του υποκινητή pCMV από: 1 τον υποκινητή pSFFV για την παρασκευή του οχήματος pEPI-pSFFV και 2 τον υποκινητή της β-σφαιρίνης (pβ-globin) για την παρασκευή του αντίστοιχου οχήματος pEPI-pβ-globin. Η παρασκευή των δύο αυτόν οχημάτων, του pEPI-pSFFV και pEPI-pβ-globin αποτελεί ένα σημαντικό βήμα στη ανάπτυξη νέων οχημάτων που αποτελέσουν οχήματα μεταφοράς γονιδίων σε αρχέγονα αιμοποιητικά κύτταρα. / The first part of this work concerned the observation of the mouse erithroid cell line (MEL) transected with the Replicating Episomal Vector pEPI-EGFP. The cells even thought that they had lost their florescence a few days after the transfection with the Vector pEPI-EGFP, they still endure to the antibiotic (G418). In the fist place we have shown that the Replicating Episomal Vector pEPI-EGFP remains in episomatic condition at list two months after the transfect ion of the cell line with out any insertion eventhought the transferred gene is not translated. The second part of this work concerned the construction of two new vectors. The new vectors have the same reference gene with the pEPI-EGFP vector the EGFP gene but they have tow totally deferent new promoters for the EGFP gene. This contract was based on the replacement of the promoter pCMV 1. with the promoter pSFFV for the contraction of the pEPI-pSFFV new vector 2. with the promoter pβ-globin for the contraction of the pEPI-pβ-globin new vector These two new vectors the pEPI-pSFFV and the pEPI-pβ-globin were tested for their ability of being used as Replicating Episomal Vectors to Hematopoietic Stem Cells, HSC sach as CD34+ cells.