Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Dissertação de mestrado integrado conduzida na Universidade de Maryland / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Submitted by Alessandra Portugal (alessandradf@ioc.fiocruz.br) on 2013-10-02T15:19:11Z No. of bitstreams: 1 Michelle Casal Fernandes.pdf: 12707205 bytes, checksum: 040075e6235acdaf47b50c64d61e086a (MD5) / Made available in DSpace on 2013-10-02T15:19:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Michelle Casal Fernandes.pdf: 12707205 bytes, checksum: 040075e6235acdaf47b50c64d61e086a (MD5) Previous issue date: 2012 / Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro, RJ, Brasil / A doença de Chagas, causada pelo protozoário Trypanosoma cruzi, representa um sério problema de Saúde Pública na América Latina, cujo tratamento clínico é insatisfatório. Nesse contexto, muitos esforços têm sido dirigidos para o desenvolvimento de novas drogas visando o tratamento desta doença negligenciada. Na medicina popular, produtos naturais ricos em naftoquinonas têm sido utilizados no combate de diferentes doenças parasitárias. Nosso grupo vem investigando a atividade de naftoquinonas e derivados sobre formas tripomastigotas de T. cruzi. No presente estudo, dentre 32 hidroxinaftoquinonas que tiveram sua atividade tripanocida avaliada, o composto 1C foi o mais ativo (IC50/24h=77,3 ±6,8 μM). Estudos prévios do nosso grupo com outra classe de derivados de naftoquinonas apontaram para a naftoquinona triazólica (NT) como um composto promissor, sendo esta mais ativa que a droga padrão benznidazol. Nesta dissertação, o mecanismo de ação de NT foi estudado, sendo observados danos ultraestruturais em epimastigotas como a ruptura dos reservosomos, blebbing da membrana flagelar, desorganização do Golgi, aparecimento de estruturas membranares concêntricas no citosol e parasitos anormais com múltiplos flagelos. Diferentemente do tratamento com outras naftoquinonas, NT não induziu alterações na mitocôndria, dado este confirmado pela análise do potencial de membrana mitocondrial (Δm) por citometria de fluxo. Pela mesma técnica, ainda foram demonstrados o efeito de NT no bloqueio da mitose e no aumento da produção de espécies reativas de oxigênio (EROs). O principal fenótipo induzido pelo tratamento com essa naftoquinona foi o aparecimento de perfis de retículo endoplasmático envolvendo organelas, que juntamente com o aumento da marcação com monodansilcadaverina (MDC) observado, sugere a autofagia como parte do mecanismo de ação tripanocida da NT. O T. cruzi apresenta-se em três diferentes formas evolutivas e durante seu ciclo de vida é exposto a condições físico-químicas adversas como variações no pH e escassez de nutrientes. A avaliação do efeito de tais condições se constituiu em um dos objetivos deste estudo. Análises por citometria de fluxo demonstraram que epimastigotas submetidos a estresse de pH e escassez nutricional apresentaram um aumento na produção de EROs, sendo também observada uma queda do Δm apenas após estresse de pH. A microscopia eletrônica de transmissão revelou um inchaço mitocondrial com desorganização das cristas, presença de estruturas membranares concêntricas citosólicas e no interior de organelas, perfis de retículo endoplasmático envolvendo estruturas subcelulares, perda de eletrondensidade dos reservosomos com invaginação da sua membrana e intensa vacuolização citoplasmática. Estes fenômenos característicos de autofagia, reforçados pela ausência de ruptura de membrana plasmática, de fragmentação do DNA e pelo aumento na marcação de MDC, indicam que esta via participa da resposta do protozoário aos diferentes tipos de estresses induzidos. / Chagas’ disease, caused by the protozoa Trypanosoma cruzi, represents a severe Public Health problem in Latin America, being its clinical treatment unsatisfactory. In this framework, several efforts have been directed for the development of novel drugs for the treatment of this negllected disease. In the folk medicine, natural products containing naphthoquinones have been employed for the treatment of different parasitic illnesses. Our research group has been investigating the activity of naphthoquinones and derivatives against T. cruzi bloodstream trypomastigotes. In the present study, among 32 hydroxinaphthoquinones, evaluated for their trypanocidal activity, compound 1C was the most effective (IC50/24h=77,3 ± 6,8 μM). Previous studies by our group with another naphthoquinones class of derivatives, pointed to the triazolic naphthoquinone (NT) as a promising compound, being more active than the reference drug benznidazol (IC50/24h=103,6 ± 0,6 μM). In this work, the mechanism of action of NT was also studied, being many ultrastructural damage described in epimastigotes such as the rupture of the reservosomes membrane, blebbing in the flagellar membrane, Golgi disruption, the formation of concentric membranous structures in the cytosol and the appearance of abnormal parasites with multiple flagella. Differently from the treatment with other naphthoquinones, NT did not induce mitochondrial alterations, data confirmed by mitochondrial membrane potential (Δm) by flow cytometry. By the same technique, it was also demonstrated the effect of NT on mitosis blockage and in the increase in reactive oxygen species (ROS) production. The main phenotype induced by the treatment with this naphthoquinone was the appearance of endoplasmic reticulum profiles surrounding organelles associated with the increase in monodansylcadaverine (MDC) labeling observed, suggests that autophagy is involved in the trypanocidal effect of NT. T. cruzi presents three different evolutive forms, and during its life cycle is exposed to adverse physico-chemical conditions such as pH variation and the shortage of nutrients, being the evaluation of the effect of these conditions one of the goals of this study. Flow cytometric analysis demonstrated that epimastigotes submitted to pH stress and nutritional scarcity presented an increase in ROS generation, being also observed a decrease in Δm detected only after the pH stress. The transmission electron microscopy revealed the mitochondrial swelling with crists disorganization, the formation of membranous concentric structures in the cytosol or inside organelles, the appearance of endoplasmic reticulum profiles surrounding subcellular structures, loss of reservosome electrondensity with the invagination of its membrane, and the intense citoplasmic vacuolization. Such characteristic phenomena of autophagy, reinforced by the absence of the plasma membrane rupture, DNA fragmentation and increase in MDC labeling, indicate that this pathway participates in the protozoa response to different types of induced stresses.

Glioblastoma multiforme é o tipo mais frequente de tumor cerebral primário, sendo caracterizado por uma alta agressividade e um prognóstico bastante limitado. O ácido hidroxâmico suberoilanilida (SAHA) é um inibidor específico de histonas desacetilases aprovado para o tratamento de linfoma cutâneo de células T, e em fase de crescente investigação clínica e pré-clínica em tumores sólidos. Neste estudo, avaliamos a eficácia do ácido hidroxâmico suberoilanilida em tratamento combinado com temozolomida, o agente alquilante já utilizado em glioblastomas. Através de testes de viabilidade e analises por citometria de fluxo em células tumorais das linhagens U251MG e C6, observamos que não houve sinergismo de potenciação entre temozolomida e ácido hidroxâmico suberoilanilida, apenas efeito sinergismo de adição O tratamento combinado inicialmente promoveu parada do ciclo celular em fase G2/M (≥48 h) ao passo que a apoptose foi detectada apenas em exposição prolongada (≥96 h) aos fármacos em estudo. Ainda, as células tratadas com TMZ/SAHA apresentaram fenótipo autofágico, como determinado por citometria de fluxo e imunodetecção de proteínas marcadoras de autofagia como LC3 e o p62/SQSTM1. A autofagia temporalmente precedeu a apoptose e exerceu função citoprotetora, uma vez que o bloqueio da terminação autofágica com cloroquina promoveu uma significante redução na viabilidade celular, a qual foi associada a um aumento de apoptose em células de glioma tratadas com TMZ/SAHA. Portanto, os dados apresentados neste trabalho demonstram que a autofagia é um processo que diminui a eficácia antiglioma do temozolomida e do ácido hidroxâmico suberoilanilida, e a inibição deste fenômeno pode ser uma estratégia para aperfeiçoar a terapia com esses fármacos. / Glioblastoma multiforme (GBM) is the most frequent and aggressive type of primary brain tumor which has been associated with a dismal prognosis. In this study, we tested the efficacy of combining temozolomide (TMZ) with suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) - an inhibitor of HDACs 1, 2, 3, and 6 approved for the treatment of cutaneous T-cell lymphoma - in the viability of tumor cells. The data showed that potentiation synergism between TMZ e SAHA was not achieved due to activation of protective autophagy in vitro. The SAHA/TMZ treatment promoted arrest in the G2/M phase of the cell cycle as soon as 48 h after drug exposure whereas apoptosis was only detected after long-lasting exposure (≥96 h). In addition, SAHA and TMZ induced autophagy as detected by flow cytometry of acridine orange stained cells and immunodetection of the lipidated form of LC3 as well as decreases in p62/SQSTM1. Autophagy preceded apoptosis, and by blocking the termination step of autophagy with chloroquine promoted a significant reduction in the viability of glioma cells which was accompanied by increased apoptosis in SAHA/TMZ treatment. Overall, the herein presented data demonstrate that autophagy impairs the efficacy of combined TMZ/SAHA, and inhibiting this phenomenon could provide novel opportunities to improve the therapeutic potential of these compounds.

GUIMARÃES, Larissa Alves. Potencial anticâncer de actinomicetos recuperados do sedimento da praia da Pedra Rachada, Paracuru, Ceará. 2013. 70 f. Dissertação (Mestrado em Farmacologia) - Universidade Federal do Ceará. Faculdade de Medicina, Fortaleza, 2013. / Submitted by denise santos (denise.santos@ufc.br) on 2014-06-03T12:54:32Z No. of bitstreams: 1 2013_dis_laguimarães.pdf: 1916575 bytes, checksum: 246be3ea6464010f766e0f2d14c7e46e (MD5) / Approved for entry into archive by denise santos(denise.santos@ufc.br) on 2014-06-03T12:55:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_dis_laguimarães.pdf: 1916575 bytes, checksum: 246be3ea6464010f766e0f2d14c7e46e (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-03T12:55:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_dis_laguimarães.pdf: 1916575 bytes, checksum: 246be3ea6464010f766e0f2d14c7e46e (MD5) Previous issue date: 2013 / The sea sediment is an important source of microorganisms that synthesize secondary metabolites with biomedical proprieties. During the past 10 years, the coast of Ceará has been prospected for the pharmacological potential housed in sponges, tunicates and corals, but little data are available regarding that of the microorganisms. In the present study, crude extracts from actinomycetes recovered from sediment collected at Pedra Rachada Beach, Paracuru, Ceará State, were evaluated for their cytotoxicity against tumor cells in culture. Among the 26 extracts, 16 inhibited more than 65% of growth of HCT-116 cells. The extract derived from the strain BRA-090, which exhibited the highest percentage of cell growth inhibition (98.38%), showed IC50 of 0.19 µg/mL and was grown in large scale in order to isolate active principles. Chemical fractionation techniques, such as flash chromatography and HPLC, were applied to this extract, which led to identification of three known chromomycins (chromomycins A2, A3 and desmetilchromomycin A2) and also two molecular masses regarding probable new molecules of the same class. Chromomycin A2 (C-A2) was isolated and the cytotoxic activity was evaluated across a panel of cell lines, with IC50 ranging from 7.8 to 49.5 nM for exposures of 48 and 72h. For 24h exposure period, none of the IC50 values were found to be below 50 nM. C-A2 was also tested against the non-tumor line MRC-5 with IC50 of 109 nM. The MALME-3M cells, which showed the best activity after 48h incubation, was chosen to investigate the potent cytotoxic effect of C-A2 at concentrations of 10, 20, 30 and 40 nM. C- A2 reduced viability of MALME-3M cells in concentration dependent manner and increased the number of non-viable cells in the two highest concentrations tested. As for changes in the cell cycle, C-A2 induced, particularly for treatment with 40 nM, reduction of S phase and increase in G0/G1 phase. Morphological analysis of MALME-3M cells treated with C-A2, mainly at 30 and 40 nM, presented membrane blebs, cellular volume reduction and DNA fragmentation, which are features suggestive of apoptosis. Treatment with 30 nM also induced the appearance of several cell fragments resembling autophagosomes, may suggest the occurrence of autophagy. / O sedimento marinho é uma importante fonte de microrganismos produtores de metabólitos secundários com propriedades biomédicas. Os actinomicetos são bactérias Gram-positivas e filamentosas bem conhecidas como profícuos produtores de produtos naturais com diversas atividades biológicas. A costa do Ceará vem sendo investigada, há pouco mais de 10 anos, quanto ao potencial farmacológico abrigado em esponjas, tunicados e corais, porém há ainda poucos registros de microrganismos como foco da prospecção de produtos naturais bioativos. No presente trabalho, os extratos brutos produzidos a partir dos 26 actinomicetos recuperados do sedimento coletado na Praia da Pedra Rachada, no município do Paracuru, Ceará, foram testados quanto a sua citotoxicidade em células tumorais em cultura. Dos 26 estratos brutos testados, 16 inibiram mais que 65% do crescimento de células HCT-116. A cepa denominada BRA-090, cujo extrato teve o maior porcentual de inibição do crescimento celular (98,38%), apresentou CI50 de 0,19 µg/mL e foi selecionada para crescer em larga escala a fim de isolar o(s) princípio(s) ativo(s). O fracionamento químico utilizando técnicas como cromatografia flash e CLAE levaram a identificação de três cromomicinas conhecidas (cromomicinas A2, A3 e desmetilcromomicina A2) além de duas massas referentes a prováveis novas moléculas da mesma classe. A cromomicina A2 (C-A2) foi isolada e teve a sua atividade citotóxica avaliada para outras seis linhagens tumorais, com CI50 variando de 7,8 a 49,5 nM para exposições durante 48 e 72h de duração. Com 24h, não foi encontrado valor CI50 abaixo de 50 nM. A C-A2 também foi testada contra a linhagem não tumoral MRC-5, com CI50 de 109nM. As células MALME-3M, para qual se obteve a melhor atividade no tempo de 48h de incubação, foi a escolhida para investigar o potente efeito citotóxico de C-A2 nas concentrações de 10, 20, 30 e 40 nM de C-A2. A C-A2 mostrou reduzir a viabilidade de células MALME-3M de forma concentração-dependente, e aumentou o número de células não viáveis nas duas maiores concentrações testadas. Quanto as alterações no ciclo celular, C-A2 apresentou, em particular para o tratamento com 40 nM, redução da fase S e aumento da fase G0/G1. Na análise morfológica das células MALME-3M, sobremaneira aquelas expostas a concentrações de 30 e 40 nM, foram observadas diversas alterações, tais como blebs de membrana plasmática, redução do volume celular e fragmentação de DNA, características sugestivas de apoptose. No tratamento com 30 nM, diversos fragmentos celulares similares a autofagossomos estavam presentes, sugerindo, ainda, a ocorrência de autofagia.

Glioblastoma multiforme é o tipo mais frequente de tumor cerebral primário, sendo caracterizado por uma alta agressividade e um prognóstico bastante limitado. O ácido hidroxâmico suberoilanilida (SAHA) é um inibidor específico de histonas desacetilases aprovado para o tratamento de linfoma cutâneo de células T, e em fase de crescente investigação clínica e pré-clínica em tumores sólidos. Neste estudo, avaliamos a eficácia do ácido hidroxâmico suberoilanilida em tratamento combinado com temozolomida, o agente alquilante já utilizado em glioblastomas. Através de testes de viabilidade e analises por citometria de fluxo em células tumorais das linhagens U251MG e C6, observamos que não houve sinergismo de potenciação entre temozolomida e ácido hidroxâmico suberoilanilida, apenas efeito sinergismo de adição O tratamento combinado inicialmente promoveu parada do ciclo celular em fase G2/M (≥48 h) ao passo que a apoptose foi detectada apenas em exposição prolongada (≥96 h) aos fármacos em estudo. Ainda, as células tratadas com TMZ/SAHA apresentaram fenótipo autofágico, como determinado por citometria de fluxo e imunodetecção de proteínas marcadoras de autofagia como LC3 e o p62/SQSTM1. A autofagia temporalmente precedeu a apoptose e exerceu função citoprotetora, uma vez que o bloqueio da terminação autofágica com cloroquina promoveu uma significante redução na viabilidade celular, a qual foi associada a um aumento de apoptose em células de glioma tratadas com TMZ/SAHA. Portanto, os dados apresentados neste trabalho demonstram que a autofagia é um processo que diminui a eficácia antiglioma do temozolomida e do ácido hidroxâmico suberoilanilida, e a inibição deste fenômeno pode ser uma estratégia para aperfeiçoar a terapia com esses fármacos. / Glioblastoma multiforme (GBM) is the most frequent and aggressive type of primary brain tumor which has been associated with a dismal prognosis. In this study, we tested the efficacy of combining temozolomide (TMZ) with suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) - an inhibitor of HDACs 1, 2, 3, and 6 approved for the treatment of cutaneous T-cell lymphoma - in the viability of tumor cells. The data showed that potentiation synergism between TMZ e SAHA was not achieved due to activation of protective autophagy in vitro. The SAHA/TMZ treatment promoted arrest in the G2/M phase of the cell cycle as soon as 48 h after drug exposure whereas apoptosis was only detected after long-lasting exposure (≥96 h). In addition, SAHA and TMZ induced autophagy as detected by flow cytometry of acridine orange stained cells and immunodetection of the lipidated form of LC3 as well as decreases in p62/SQSTM1. Autophagy preceded apoptosis, and by blocking the termination step of autophagy with chloroquine promoted a significant reduction in the viability of glioma cells which was accompanied by increased apoptosis in SAHA/TMZ treatment. Overall, the herein presented data demonstrate that autophagy impairs the efficacy of combined TMZ/SAHA, and inhibiting this phenomenon could provide novel opportunities to improve the therapeutic potential of these compounds.

Doctor en Farmacología / Diversos estudios clínicos han revelado que las tiazolidinedionas, fármacos para el tratamiento de la diabetes de tipo 2 y resistencia a insulina, podrían reducir la morbimortalidad cardiovascular. Su mecanismo de acción es a través de la activación de los Receptores Activados por Proliferadores Peroxisomales (PPARs), los cuales son factores transcripcionales activados por ligandos. En el sistema cardiovascular, los PPARs se expresan de forma variable y juegan un importante papel en la regulación del metabolismo energético y en la respuesta inflamatoria. Durante diversos estados patológicos como por ejemplo en el infarto al miocardio, el tratamiento con tiazolidinedionas ha mostrado efectos cardioprotectores ya que reducen la hipertrofia y el área infartada y atenúan la respuesta inflamatoria cardiaca. Estos antecedentes sugieren un importante papel de PPARγ durante el remodelado cardiaco, proceso fisiopatológico que consiste en un cambio estructural y funcional del tejido, caracterizado por fibrosis, hipertrofia y pérdida progresiva de los cardiomiocitos. Se ha sugerido que la apoptosis es el principal mecanismo de muerte celular en el corazón pero últimamente se ha avanzado en los estudios de la participación de la autofagia o “muerte programada de tipo II”. Sin embargo, la autofagia se describió inicialmente como un proceso fisiológico clave para la sobrevida celular durante la privación de aminoácidos, diferenciación celular y desarrollo. Consiste en un proceso dinámico y programado que procede con el secuestro de proteínas citoplasmáticas y organelos enteros dentro de vacuolas de doble membrana, que posteriormente se fusionan con los lisosomas formando los autolisosomas. Todos estos elementos capturados en las vacuolas son degradados por proteasas lisosomales y removidos de la célula por exocitosis. Evidencias recientes han mostrado que los agonistas de PPARγ podrían inducir la autofagia en algunas líneas celulares. Sin embargo, aún no queda claro si la autofagia es realmente un proceso de muerte o un mecanismo de sobrevida celular. Dado que prácticamente se desconoce si la activación de PPARγ regula la autofagia cardiaca, en esta tesis se postuló como hipótesis que “El agonista farmacológico de PPARγ rosiglitazona induce la autofagia del cardiomiocito, protegiéndolo de la muerte”. Los objetivos específicos propuestos fueron: • Estudiar in vitro el efecto de agonistas farmacológicos de PPARα y/o PPARγ en la viabilidad del cardiomiocito de rata. • Determinar si rosiglitazona induce autofagia en el cardiomiocito y si ésta se relaciona con sobrevida celular. • Investigar si la estimulación con rosiglitazona afecta la viabilidad de cardiomiocitos expuestos a estrés nutricional, estrés hiperosmótico o a isquemia/reperfusión simulada. El modelo experimental utilizado fue cultivo primario de cardiomiocitos de ratas neonatas tratados con rosigllitazona en un rango creciente de concentraciones y de tiempo. La autofagia se evaluó mediante procesamiento de la proteína LC3 endógena, cambio en la distribución y degradación de la proteína GFP-LC3 en cardiomiocitos transducidos con el adenovirus GFP-LC3. Los resultados mostraron que PPARγ está presente en cardiomiocitos de ratas y que es transcripcionalmente activo, lo cual se demostró mediante un plasmidio reportero que contiene el elemento de respuesta para este factor transcripcional. Además, rosiglitazona estimuló temprana y progresivamente la autofagia en los cultivos primarios de cardiomiocitos, determinada por el procesamiento de la proteína endógena LC3-I, efecto similar al observado en repuesta al tratamiento con rapamicina. Rosiglitazona también incrementó la distribución punteada de LC3-GFP, sin embargo no disminuyó la fluorescencia de la proteína LC3-GFP en los cardiomiocitos transducidos con el adenovirus LC3-GFP. Por otra parte, rosiglitazona no modificó de forma significativa los niveles intracelulares de ATP y ni afectó la viabilidad basal del cardiomiocito. El tratamiento con gemfibrozilo, tampoco modificó su viabilidad. Para determinar si la inducción de autofagia tiene un efecto en la viabilidad del cardiomiocito, los cultivos celulares se expusieron a estrés mecánico por hiperosmolaridad y se midió la viabilidad. El estrés hiperosmótico indujo de manera rápida y potente la muerte de las células cardiacas. Sin embargo, rosiglitazona y gemfibrozilo no previnieron este efecto. La muerte de las células cardiacas inducida por el estrés hiperosmótico es mediante apoptosis, lo que se demostró la evaluación por citometría de flujo de la subpoblación G1 en células permeabilizadas y tratadas con yoduro de propidio y determinación de potencial mitocondrial. Rosiglitazona y gemfibrozilo no previnieron la apoptosis del cardiomiocito inducida por estrés hiperosmótico. Rosiglitazona tampoco bloqueó la muerte celular inducida por isquemia y reperfusión simulada. Finalmente, los resultados obtenidos con el desarrollo de esta tesis permiten concluir que rosiglitazona induce la autofagia del cardiomiocito pero que ésta es insuficiente para modificar la viabilidad celular / Clinical studies showed that thiazolidinediones, drugs used for type 2 diabetes and insulin resistance treatment, can reduce cardiovascular morbid and mortality. These compounds are highly specific ligands of peroxisome proliferator-activator receptor gamma (PPARγ), a nuclear hormone receptor superfamily member. PPARs are variably expressed in the cardiovascular system and play an important role in both energetic metabolism regulation and inflammation response. In myocardial infarct, treatment with thiazolidinediones has cardioprotective effects reducing cardiac hypertrophy, infarcted area and inflammatory response. These data suggest an important role of PPARγ during cardiac remodeling. Remodeling is a physiopathological alteration in heart structure and function characterized by cardiomyocytes fibrosis, hypertrophy and death. Apoptosis has been described as the main cardiac cell death mechanism. However, recent studies have also described the participation of autophagy, also known as type II programmed cell death. Autophagy was first described as an adaptative physiological process during amino acids starvation. It has also been described its participation in cellular differentiation and development. Autophagy consists in the sequestration of cytoplasm portions and organelles within double membrane vesicles, named autophagosomes. These vesicles were subsequently fused with lysosomes forming the autofagosomes. All elements captured in these vesicles are degraded by lysosomal proteases and removed by exocytosis. Recent evidence has shown that PPARγ agonists could induce autophagy in some cells lines. However, is not clear whether autophagy is a mechanism for cell survival or death. Based on these antecedents we postulated the following hypothesis: “The pharmacological PPARγ agonist, rosiglitazone, induces cardiomyocyte autophagy protecting them from cell death”. The specific aims were: • To study in vitro the effects of PPARα and PPARγ pharmacological agonists on neonatal rat cardiomyocytes. • To determine whether rosiglitazone induces autophagy in cardiomyocyte and whether this process is related with cell viability. • To investigate if the stimulation with rosiglitazone affects cardiomyocyte viability when exposed to nutritional stress, hyperosmotic stress and simulated ischemia/reperfusion. The experimental models were primary cultures of neonatal rat cardiomyocytes treated with rosiglitazone at different concentrations and times. Autophagy was evaluated by endogenous LC3-I processing, and by change in adenoviral expressing GFP-LC3 distribution and degradation. Results showed that PPARγ is expressed and is transcriptionally active in neonatal rat cardiomyocytes as determined by western blot and activity of PPAR reporter plasmid. Furthermore, rosiglitazone stimulated early and progressively cardiac autophagy as determined by endogenous LC3-I processing. This effect was similar to that induced by rapamycin. Rosiglitazone also increased the GFP-LC3 punctuated pattern, but without decreasing GFP-LC3 fluorescence. On the other hand, rosiglitazone neither affects ATP levels nor viability of cardiomyocytes. Gemfibrozil treatment, also did not affect cardiomyocyte viability. To determine whether autophagy affects cardiomyocyte viability, cultured cells were exposed to hyperosmotic stress in the presence or absence of rosiglitazone or gemfobrozil, and viability was measured. Hyperosmotic stress induced a rapid decrease in cardiomyocyte viability. Cardiomyocyte death was also achieved by simulated ischemia/reperfusiom. Neither rosiglitazone nor gemfibrozil prevented cardiomyocyte death induced by both procedures. Hyperosmotic stress-induced cell death was characterized as apoptosis, as determined by mitochondrial potential decay and DNA fragmentation visualized by sub G1 population in propidium iodide-treated cells followed flow cytometry. Both rosiglitazone and gemfibrozil did not prevent the hyperosmotic stress-induced apoptosis. Finally, these results allow us to conclude that rosiglitazone induces cardiomyocyte autophagy but this process does not affect cardiomyocyte viability

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2014. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2014-05-23T15:39:42Z No. of bitstreams: 1 2014_JoseAntonioFagundesAssumpcao.pdf: 3622544 bytes, checksum: 69187fd02b717af559572e04f4554526 (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2014-05-26T13:43:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_JoseAntonioFagundesAssumpcao.pdf: 3622544 bytes, checksum: 69187fd02b717af559572e04f4554526 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-26T13:43:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_JoseAntonioFagundesAssumpcao.pdf: 3622544 bytes, checksum: 69187fd02b717af559572e04f4554526 (MD5) / O processo autofágico possui um papel dinâmico e dualístico na progressão do câncer, dependendo do seu estágio de desenvolvimento. Nos estágios iniciais, a autofagia tem um papel supressor de tumores pela remoção de organelas e proteínas defeituosas que tenham capacidade de alterar o metabolismo celular. Já em tumores bem estabelecidos, a autofagia se relaciona fortemente com a sobrevivência das células tumorais no microambiente adverso no qual se encontram, bem como com a manutenção de um estado metabólico acelerado. No câncer de mama o processo autofágico pode ser modulado através de receptores nucleares chamados PPAR, fator de transcrição que regula a expressão de diversos genes essenciais para diferenciação, proliferação e sobrevivência celular, além de influenciar o metabolismo lipídico e não lipídico. O papel conjunto e a relação entre autofagia e PPARɣ no estabelecimento e progressão do câncer colorretal, todavia, ainda precisa ser determinado. Células de linhagem de câncer colorretal (Caco-2) foram tratadas com o indutores e inibidores de autofagia e do PPARɣ durante 24 horas. Após tratamento, diversas propriedades tumorais, como morte celular, proliferação, ciclo celular, produção de espécies reativas de oxigênio e o perfil de células tronco tumorais foram aferidos através de citometria de fluxo. A expressão de PPARɣ e LC3 (principal marcador autofágico) foram analisadas por Immunoblotting. Nossos resultados mostraram que na linhagem de câncer colorretal Caco-2, a ativação PPARɣ leva a indução de autofagia e que a inibição autofágica resulta em aumento da expressão de PPARɣ, como visto na expressão de PPARɣ e LC3 e na regulação de corpúsculos lipídicos e vesículas acídicas. Além disso, as propriedades tumorais analisadas (morte, proliferação, ciclo celular, produção de espécies reativas de oxigênio e perfil de células-tronco) foram alteradas tanto pela indução ou inibição da via autofágica, quanto pela modulação de PPARɣ. A inibição da autofagia teve como consequência um aumento da proliferação celular, da produção de espécies reativas de oxigênio e dos fenótipos CD44+, bem como do índice de morte celular. Portanto, nossos dados sugerem que autofagia e metabolismo lipídico são processos inter-relacionados, mas que afetam as propriedades tumorais do câncer colorretal de maneira diferencial e de forma independente. Neste modelo, a via autofágica parece desempenhar papel crucial na sobrevivência, estabelecimento e progressão tumoral do câncer colorretal. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / The autophagic pathway shows a dynamic and dualistic role in cancer progression, depending on its developmental stage. In early stages, autophagy acts as a tumor suppressor, removing defective organelles and proteins with potential to alter the cellular metabolism. In the other hand, well-established tumors show the autophagy process to be related with cancer cell survival in the harsh microenviroment in which they are found, and this cellular process also contributes to maintain an accelerated metabolic state. In breast cancer, the autophagic process is modulated by nuclear receptors called PPAR, transcription factors that regulate the expression of many genes essential for differentiation, proliferation and cell survival, as well as influencing lipid and non-lipid metabolism. The cooperative action and the relationship between autophagy and PPARɣ role in the establishment and progression of colorectal cancer, however, remains to be determined. To clarify this relationship, lineage cells from colorectal cancer (Caco-2) were treated with inducers and inhibitors of autophagy and PPARɣ for 24 hours. After treatment, several tumor properties, such as cell death, proliferation, cell cycle, production of reactive oxygen species and the profile of cancer stem cells were measured by flow cytometry. The expression of PPARɣ and LC3 (main autophagic marker) also was analyzed by Immunoblotting. Our results showed that the in Caco-2 colorectal cancer cell line, activation of PPARɣ leads to induction of autophagy and that autophagic inhibition leads to a higher PPARɣ expression, as seen by the expression of LC3 and PPARɣ, lipid bodies regulation and also by formation of acidic vesicles. Moreover, the analyzed tumor properties were modified either by induction or inhibition of autophagy route, as well as by PPARɣ modulation. The autophagic inhibition resulted in increased cell proliferation process, production of reactive oxygen species and CD44 + phenotypes, as well as cell death. Therefore, our data suggest that autophagy and lipid metabolism are interrelated processes that affect the tumoral properties of colorectal cancer differential and independently. In this model, the autophagic pathway seems to play a crucial role in colorectal cancer’s survival, establishment and progression.

Memoria para optar el título de Bioquímico / Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta diciembre de 2015 / La proteína co-chaperona Bag3 es un factor clave en el control de la autofagia selectiva, un proceso de degradación de proteínas y organelos activado en respuesta a distintos estresores, en tejidos altamente diferenciados, como el músculo esquelético. Este último tejido transforma la energía química del ATP en energía mecánica para la contracción, por lo que el control del metabolismo de la glucosa resulta fundamental para mantener su función fisiológica. En este sentido, insulina, a través de sus efectores intracelulares Akt y mTORC1, promueve el ingreso y metabolismo de la glucosa. No obstante, en condiciones de estrés nutricional la proteína AMPK activa la autofagia para aumentar el metabolismo celular por degradación de diversas macromoléculas. Prueba de esta relación funcional entre metabolismo y autofagia es que la inhibición de la autofagia lleva a resistencia a la insulina en células musculares esqueléticas. Por otro lado, existe evidencia que los ratones knock-out para Bag3 presentan una disminución en los niveles de glucosa e insulina circulantes, y mueren a las 3 semanas de nacimiento con deterioro muscular progresivo. Sin embargo, hasta hoy se desconoce si Bag3 regula el metabolismo energético de la célula, y si las vías que controlan ese metabolismo se relacionan con la autofagia. En vista de estos antecedentes, se investigó si Bag3 altera la señalización de la vía Akt-AMPK-mTORC1, produciendo efectos metabólicos y de autofagia en miotubos L6 (línea celular: músculo esquelético de rata). A través de ensayos de captura de 3H-2-desoxiglucosa, consumo de oxígeno y detección densitométrica de GLUT4-myc en superficie, se determinó que las células con niveles reducidos de Bag3 (RNA interferente) y sin insulina en el sistema, incorporaron mayor cantidad de glucosa por un incremento de transportadores Glut-4 en la membrana celular junto con una mayor capacidad oxidativa mitocondrial. Lo anterior es debido a un aumento de la activación basal de Akt, evidenciado por Western blot contra Fosfo-Ser-473. Además, estas células presentaron una menor capacidad de activar la autofagia debido a un procesamiento disminuido de LC3, además de una menor activación de AMPK (Fosfo-Thr-172) y una sobre-activación de mTORC1 (Fosfo-Ser-2448). Finalmente, en presencia de insulina (100 nM, 20 min), las células con niveles reducidos de Bag3 presentaron una incorporación deficiente de glucosa para la cantidad de transportador Glut-4 exportado a la membrana, y una menor capacidad oxidativa mitocondrial. En estas condiciones, Akt se activó de forma normal ante insulina, observándose sin embargo que AMPK y mTORC1 se activó e inactivó, respectivamente; comportamiento inverso respecto a lo normal. Con estos datos, se propone a Bag3 como un novedoso regulador del metabolismo y la autofagia muscular esquelética / The co-chaperone protein Bag3 is a key factor for the control of selective autophagy, a degradation process of proteins and organelles activated in response to stress, in highly differentiated tissues, as the skeletal muscle. The role of the latter is to transform the chemical energy from ATP into mechanical energy for contraction, thus the metabolism control of glucose is important to keep its biological function. In that way, the hormone insulin, by its intracellular effectors Akt and mTORC1, promotes the uptake and metabolism of glucose. However, in nutritional stress conditions the AMPK protein activate autophagy in order to increase cellular metabolism by macromolecular degradation. Proof of this functional relationship between metabolism and autophagy is that autophagy abrogation leads to insulin resistance in muscle cells. On the other hand, there is evidence that shows that Bag3 Knock-out mice present diminished glucose and insulin in blood, and die after 3 weeks from birth with progressive muscle wasting. However, it is not known yet whether Bag3 regulates energy metabolism in the cell, nor whether the pathways that control that metabolism are related with Bag3 mediated autophagy. With this in mind, we decided to determine if Bag3 was able to alter the Akt-AMPK-mTORC1 signaling pathway, leading to metabolic and autophagy effects, in L6 myotubes (cell line: skeletal muscle from rat). By 3H-2-desoxyglucose uptake, oxygen consumption and GLUT4-myc surface detection assays, we were able to determine that cells with reduced levels of Bag3 (interference RNA), and without insulin in the system, had increased glucose uptake because of an augmented Glut-4 translocation to the cell membrane, along with an enhanced mitochondrial oxidative capacity. This is explained by an increased Akt basal activation, evidenced by Phospho-Ser-473 western blot. Furthermore, these cells showed a diminished capacity to produce autophagy, because of a decreased LC3 processing, along with a diminished activation of AMPK (Phospho-Thr-172) and an over activation of mTORC1 (Phospho-Ser-2448). Finally, in the presence of insulin (100 nM, 20 minutes), cells with diminished levels of Bag3 showed a deficient glucose uptake for the amount of Glut-4 transporter exported to cell membrane, and a decreased mitochondrial oxidative capacity. Under these conditions, Akt protein increased its activation, as normal, but AMPK was activated and mTORC1 was inactivated, an inverted behavior with respect to normal metabolism. With these data, we propose Bag3 as a novel regulator of metabolism and autophagy in muscle

Ingeniero Civil en Biotecnología / El cultivo de células animales ha crecido continuamente en los últimos años, debido al avance en las técnicas de cultivo y al entendimiento de los procesos celulares. La venta de productos obtenidos a partir de estas técnicas deja importantes utilidades y la obtención de nuevos medicamentos deja grandes ganancias sociales. Dentro de los factores que ayudan a mejorar la productividad, se ha estudiado la posibilidad de intervenir los procesos de apoptosis y degradación de proteínas. En este contexto es donde cobra relevancia la obtención de modelos que estudien estas vías. En este documento se busca estudiar y modelar la degradación de proteínas via lisosomal. Para ello se realiza una investigación bibliográfica, se eligen los componentes del modelo, se plantean reacciones para poder deducir ecuaciones y simularlas. Se obtienen gráficos que describen diferentes procesos del sistema. Uno de los proncipales resultados fue la ratificación de que la degradación via lisosoma es más lenta que el replegamiento de proteínas. Las proteínas son degradadas entre 16 y 30 minutos luego de comenzada la simulación. Se logra describir tanto la generación de autolisosoma como la degradación de este. Se propone y realiza una simplificación de la formación del complejo Atg12Atg5Atg16, la que no altera visiblemente la degradación de autolisosoma. Por otra parte, se propone en un futuro modificar las condiciones gatillantes del estrés celular, con el fin de robustecer el modelo Finalmente se destaca la utilidad que puede tener un modelo de degradación de proteínas agregadas vía lisosomal. La aplicación de este podría generar utilidades y posicionar a la industria en un nivel más competitivo.