Tesis para optar al Grado de Magíster en Ciencias Animales y Veterinarias mención Ciencias Animales. / Las células madre mesenquimales (CMM) son células progenitoras multipotentes que poseen potenciales de auto-renovación y diferenciación multilinaje (osteogénico, condrogénico y adipogénico). La capacidad de diferenciación de las CMM se extiende principalmente hacia linajes mesodérmicos como osteogénico, condrogénico y adipogénico; sin embargo, estudios recientes in vitro han demostrado que las CMM poseen capacidad para diferenciarse hacia tejidos ectodérmicos como el neuronal. El objetivo del presente estudio fue determinar la capacidad de diferenciación neurogénica in vitro de CMM bovinas aislada desde medula ósea (MO) fetal. La detección de marcadores mesenquimales CD90, CD105 y CD73, hematopoyéticos CD34 y CD45 y de pluripotencia OCT4 y NANOG fue realizada por medio de PCR-cuantitativo (Q-PCR) y citometría de flujo. El protocolo 1 de diferenciación neurogénica consistió en una pre-inducción neuronal por 24 horas con medio DMEM suplementado con 20% de suero fetal bovino (SFB) y una posterior inducción neuronal con Betamercaptoetanol (BME) durante 6 días. El protocolo 2 de diferenciación neurogénica consistió en medio DMEM suplementado con Fibroblast Growth Factor-basic (bFGF), Epidermal Growth Factor (EGF) durante 24 horas y posteriormente durante 120 horas con medio de cultivo suplementado con hidroxianisol butilado (BHA), cloruro de potasio, ácido valproico, forskolina y suplemento neuronal. Muestras celulares fueron obtenidas a las 0, 24, 96 y 144 horas de cultivo. La expresión de genes fue evaluada por Q-PCR e inmunofluorescencia. Los análisis de Q-PCR en CMM indiferenciadas, detectaron mayores (P<0,05) niveles de mRNA de marcadores mesenquimaticos CD73, CD90 y CD105 en relación a los niveles de CD34 (151.2, 245.1 y 238.1 veces, respectivamente). Mediante citometría de flujo se determinó una alta proporción de CMM positivas para marcadores mesenquimáticos CD29 (76,3%), CD73 (96,8%) y marcadores de pluripotencia Oct4 (94,6%) y Nanog (88,4%). En contraste, una alta proporción de CMM fue negativa para marcadores hematopoyéticos CD34 y CD45 (93,4% y 95,6%, respectivamente). Durante el el protocolo 1 de diferenciación neuronal se detectó una disminución (P<0,05) de los niveles de mRNA de NESTIN a las 24, 96 y 144 horas (3,7; 2 y 1 veces expresión de la hora 0). En comparación, los niveles de mRNA de MAP2 aumentaron (P<0,05) a las 24, 96 y 144 horas (2,4; 18,9 y 16 veces expresión de la hora 0). Los niveles de mRNA de TRKA aumentaron (P<0,05) a las 96 y 144 horas (6,6 y 8 veces expresión de la hora 0). En tanto los niveles de mRNA de NGF y de NANOG no fueron distintos entre el grupo control y diferenciación. Durante el protocolo 2 se detectó una disminución (P<0,05) de los niveles de mRNA de NESTIN a las 24, 96 y 144 horas (3,74; 0,3; 0,1 veces expresión de la hora 0). En comparación, la expresión de MAP2 aumentó (P<0,05) a las 96 y 144 horas (4,1; 22,8 veces expresión de la hora 0). Asimismo, los niveles de TRKA aumentaron (P<0,05) luego de 96 y 144 horas (51,3; 111,7 veces expresión de la hora 0) de diferenciación. Además, NGF presento un menor nivel de expresión en las CMM diferenciadas a las 0, 24, 96 y 144 horas de cultivo (1; 0,8; 16,2 y 17,4 veces la expresión de la hora 0), en comparación con el control (1; 5,8; 47,8 y 25,7 veces la expresión de la hora 0), respectivamente. El perfil de expresión relativa de genes obtenido en el protocolo 2 es concordante con el obtenido en el ensayo de inmunoflorescencia asociada a NESTIN, MAP2, TRKA y PrPC. A pesar de que las CMM expuestas a BME presentan cambios morfológicos similares a un perfil neuronal, los valores de expresión génica no indican la adopción de un fenotipo neurogénico. Como ha sido reportado previamente, estos cambios pueden deberse a efectos citotóxicos del BME más que a inducción neurogénica. Sin embargo, el protocolo 2 utilizado en este estudio indujo cambios morfológicos y un perfil de expresión génica asociado a diferenciación neurogénica. En conclusión, las CMM de origen fetal bovino indiferenciadas poseen mayoritariamente un perfil mesenquimático y bajo condiciones de cultivo in vitro adecuadas poseen un potencial de diferenciación neurogénica. / Mesenchymal stem cells (MSC) are multipotent progenitor cells that possess the potential for self-renewal and multilineage differentiation (osteogenic, chondrogenic and adipogenic). Despite MSC have been isolated from several tissues, the most common source of isolation is the bone marrow (BM), both for clinical and research purposes. The differentiation capacity of MSC extends primarily to mesodermal lineages; however, recent studies have shown that MSC have also the potential to differentiate into ectodermal cell types such as neuronal. The aim of this study was to determine the potential for in vitro neurogenic differentiation of MSC isolated from fetal bovine BM. Detection of mesenchymal markers CD90, CD105 and CD73, hematopoietic markers CD34 and CD45 was performed by Quantitative-PCR (Q-PCR) and flow cytometry. Protocol 1 of neurogenic differentiation consisted in pre-induction for 24 hours with DMEM supplemented with 20% fetal bovine serum (FBS), and induction with beta-mercaptoethanol (BME) for 6 days. Protocol 2 of neurogenic differentiation consisted in culture of MSC in DMEM supplemented with Fibroblast Growth Factor-basic (FGFb) and Epidermal Growth Factor (EGF) for 24 hours, followed by culture in DMEM supplemented with butylated hydroxyanisole, KCl, valproic acid, forskolin, neural supplement for 120 hours. Cell samples were taken at 0, 24, 96 and 144 hours of culture. Analyses indicated that mRNA levels of mesenchymal markers CD73, CD90 and CD105 were higher (151.2, 245.1 and 238.1 fold, respectively; P <0.05) relative to CD34. Moreover, flow cytometry detected a high proportion of MSC positive for mesenchymal markers CD29 (76.3%), CD73 (96.8%), pluripotent markers Oct4 (94.6%) and Nanog (88.4%). In contrast, high proportion of MSC were negative to hematopoietic markers CD34 and CD45 (93.4% and 95.6%, respectively). During protocol 1 of neuronal differentiation, NESTIN mRNA levels decreased (P <0.05) at 24, 96 and 144 hours (3,7; 2 and 1 fold 0 hours). In contrast, levels of mRNA of MAP2 increased (P <0.05) at 24, 96 and 144 hours (2,4; 18,9 and 16 fold 0 hours). Similarly, levels of TRKA mRNA increased (P<0.05) at 96 and 144 hours (6,6 and 8 fold 0 hours). NGF and NANOG mRNA levels were not significantly different between treatments. During protocol 2, NESTIN mRNA levels decreased (P <0.05) at 24, 96 and 144 hours (3.74, 0.3, 0.1 fold 0 hours). In comparison, MAP2 mRNA levels increased (P <0.05) at 96 and 144 hours (4,1; 22,8 fold 0 hours). In addition, NGF mRNA levels were lower (P<0,05) in differentiated MSC at 0, 24, 96 and 144 hours of culture (1; 0.8; 16.2 and 17.4 fold the expression at 0 hours) compared to control (1; 5.8; 47.8 and 25.7 fold 0 hours). The gene relative expression values in differentiated MSC were consistent with immunofluorescence patterns. Although BME induced neuron-like changes in MSC morphology, gene expression profiles showed no indication of the adoption of a neurogenic phenotype. As reported before, BME-induced morphological changes may be due to cytotoxic effects rather than neurogenic induction. However, the second protocol induced morphologic changes and a gene expression pattern associated to neurogenic differentiation. In conclusion, undifferentiated MSC isolated from fetal bovine BM possess a mesenchymal profile and under adequate in vitro culture conditions may be induced into neurogenic differentiation. / Financiamiento: Proyecto Fondecyt 11100205.

Tesi realitzada a l'Institut d'Investigacions Biomèdiques de Barcelona (IIBB-CSIC IDIBAPS) / Les patologies renals s’han convertit en una problemàtica a nivell mundial, en l’actualitat poden afectar a una de cada 9 persones al llarg de la seva vida i porten associats elevats costos econòmics. Malgrat els últims avenços científics i millores en el tractament d’aquestes patologies, el transplantament renal i la diàlisi continuen sent les dues úniques opcions terapèutiques efectives en el tractament de la insuficiencia renal. La regeneració de l’epiteli renal és determinant en la recuperació del pacient ja que determina que es pugui restablir la funcionalitat d’aquest òrgan. L’obtenció de precursors renals a partir de cèl•lules mare que puguin integrar-se i regenerar el ronyó lesionat s’ha convertit en una àrea de recerca biomèdica molt important. L’objecte d’estudi d’aquesta tesi va ser conèixer els mecanismes involucrats en la diferenciació de les cèl•lules mare embrionàries (ESCs) i les cèl•lules mare adiposes (ASCS) cap al llinatge epitelial renal ja que aquestes cèl•lules poden ser una potencial font d’aquests precursors renals amb capacitat regenerativa. Recentment s’ha descobert que els miRNAs, que tenen la funció de regular l’expressió gènica en l’etapa post-transcripcional, són essencials en la diferenciació de les cèl•lules mare i s’han trobat miRNAs específics que regulen la diferenciació a un llinatge cel•lular en concret. En aquest sentit, el nostre objectiu general en aquest treball va ser estudiar el paper dels miRNAs en la diferenciació de cèl•lules mare a progenitors epitelials renals. Per això, primer de tot es van realitzar experiments de diferenciació en que els cossos embrionaris (EBs) induïts a partir de les cèl•lules mare embrionàries (ESCs) es van cultivar amb un medi de cultiu suplementat amb all-trans-retinoic acid (ATRA) i activina A, i les cèl•lules mare adiposes (ASCs) amb un medi amb una concentració fisiológica de glucosa suplementat amb ATRA. Amb aquests protocols de diferenciació, es van obtenir cèl•lules amb característiques de progenitors renals. Els EBs cultivats amb el protocol de diferenciació expressaven els marcadors de l’organogènesi renal inicial (Pax2, WT1, Wnt4, Notch2 i Wnt9b). Les ASCs cultivades amb ATRA varen canviar la seva morfologia a una morfologia epitelial i van expressar marcadors tant de l’organogènesi renal inicial (Pax2, WT1, Wnt4, Six2 i Megalina) com els marcadors epitelials (Citoqueratina 18, E-caderina). Un anàlisis de miRNAs va demostrar que la família de miRNAs let-7 es sobreexpressava durant la diferenciació dels EBs i que el miRNA let-7e més concretament era essencial en l’expressió dels marcadors Pax2, Wt1i Wnt4 ja que la seva silenciació disminuïa l’expressió d’aquests gens. En les ASCs, en canvi, es va demostrar que el miRNA let-7e també augmentava en la diferenciació i que a més tenia característiques d’inductor de la diferenciació, essent essencial en l’expressió tant dels marcadors de l’organogènesi renal (Pax2, Wt1, Wnt4, Megalina) com del marcador epitelial CK18. Profunditzant en el paper del miRNA let-7e en la diferenciació, es va demostrar amb experiments de Western blot, que el miRNA let-7e modula els nivells de β-catenina a través d’un mecanisme que implica la inhibició de la PKCβ i la conseqüent disminució en la fosforilació de la GSK3β (Ser-9) i que això és imprescindible per la correcta diferenciació de les ESCs. Per altra banda, en les ASCs es va demostrar utilitzant l’assaig del gen reporter de la luciderasa, que el miRNA let-7e inhibeix directament l’expressió de la metal•loproteinasa 9 i que d’aquesta manera modula la diferenciació de les ASCs al llinatge epitelial renal. / Role of miRNA in stem cell differentiation Renal diseases have become a worldwide problem that can affect one in nine people throughout their life. Despite recent scientific advances, kidney transplantation and dialysis are still the only two effective therapeutic options in renal failure. The regeneration of the epithelium is critical for patient recovery as it determines the restoration of the kidney functionality. Cell precursors obtained from renal stem cells that can regenerate and integrate the injured kidney have become an important research area. The aim of our study was to determine the mechanisms involved in the differentiation of embryonic stem cells (ESCs) and adipose stem cells (ASCs) to renal epithelial lineage as these cells can be a source of these renal precursors with regenerative potential. It was recently discovered that miRNAs, which have the function of regulating gene expression in the post-transcriptional level, are essential in the differentiation of stem cells. In this sense, our main objective was to study the role of miRNAs in stem cells differentiation to renal epithelial progenitors. For this purpose, We have carried out experiments of stem cells differentiation. Embryoid bodies (EBs) from ESCs were cultured with activin A and ATRA and ASCs where cultured in a medium with physiological concentration of glucose supplemented with ATRA, obtaining progenitor cells with renal epithelial characteristics. EBs expressed the early kidney organogenesis markers (Pax2, WT1, Wnt4, Notch2 Wnt9b) and ASCs changed their morphology to a more epithelial one and expressed both markers of kidney organogenesis (Pax2, WT1, Wnt4, SIX2 i Megalin) and epithelial markers (cytokeratin-18 and E-cadherin). Furthermore, miRNA analysis and the subsequent overexpression and silencing of the miRNA let-7e in stem cells, demonstrates that this miRNA has characteristics of differentiation inductor and that is essential in the expression of both kidney organogenesis markers and epithelial markers. Furthermore, the ESCs, let-7e miRNA modulates β-catenin levels through a mechanism involving inhibition of PKCβ and the consequent decrease in the phosphorylation of GSK3 (Ser-9). Moreover, it was demonstrated using the luciferase assay, that the miRNA let-7e directly inhibits expression of gelatinase B (MMP9) in ASCs and thereby modulates its renal epithelial differentiation.

The present thesis entitled “Construction of versatile biomolecule nano-platforms via Dip-pen Nanolithography and their application in bio-sensing and cell differentiation” aims at contributing to the field of Nanobiotechnology, best defined as miniaturized biotechnology where nanofabrication technology is used for biological purposes. To this end, this research work employs the relatively novel nanofabrication technique called Dip-pen Nanolithography (DPN) for direct patterning of biologically relevant molecules at the micro- and nanoscale, both for biosensor applications and cell differentiation studies. - The first chapter deals with the challenges encountered when working with Dip-pen Nanolithography and so called multi-pens. In order to facilitate the levelling of the tips with respect to the substrate and also to obtain a constant feedback of the force exerted from the tips to the substrate, a device was developed and fabricated together with a collaboration. The resulting piezoresistive device could be implemented successfully and was used to pattern two different molecules on gold substrates. An improved sensitivity at detecting the touching point could be shown when compared to conventional tips. - The second chapter deals with the miniaturization of an already in-house developed biosensor platform. Therefore, several different approaches were evaluated for the DPN patterning of oligonucleotides on gold or chemically modified glass in order to ensure a covalent attachment. The most successful strategy was the click chemistry route, where an azide bearing oligonucleotide was coupled to an alkyne bearing glass substrate, using a copper catalyst (1,3-dipolar cycloaddition) yielding an triazole. This way, a sensor platform could be established and the sensitivity could be assessed. - The third chapter deals with the development and fabrication of DPN patterned substrates for cell differentiation experiments. A biotin-thiol was chosen for patterning because it allows derivatization with streptavidin and any type of biotinylated molecule. The patterning was accomplished, using a lipid as a carrier molecule. This way, the feature size of the pattern was around 5 µm and the overall pattern area was bigger than 1 mm². The substrates were applied successfully in cell differentiation experiments, having a biotinylated BMP-2 immobilized on the substrates. / La presente tesis titulada "Construcción de nanoplataformas biomoleculares versátiles vía Nanolitografía Dip-pen y su aplicación en bio-sensing y diferenciación celular" pretende contribuir al campo de la nanobiotecnología, definida como la biotecnología en miniatura donde se utiliza la tecnología de nanofabricación con fines biológicos. Con este objectivo, este trabajo de investigación emplea la relativamente novedosa técnica de nanofabricación llamada Dip-Pen Nanolitografía (DPN) para obtener un patrón de moléculas biológicamente relevantes a micro y nanoescala, tanto para aplicaciones de biosensores como para los estudios de diferenciación celular. - El primer capítulo trata de los desafíos encontrados al trabajar con Dip-Pen Nanolitografía y los llamados multi-pens. Con el fin de facilitar la nivelación de la punta con respecto al sustrato y obtener un control constante de la fuerza ejercida desde las puntas al sustrato, se desarrolló y fabricó un dispositivo. El dispositivo piezo-resistivo resultante se pudo aplicar con éxito y se utilizó para la fabricación de patrones de dos moléculas diferentes en sustratos de oro. Se obtuvo una mejora de la sensiblidad en la detección del punto de contacto en comparación con puntas convencionales - El segundo capítulo trata de la miniaturización de una plataforma biosensora que ya se había desarollado previamente en el laboratorio. Se evaluaron varios métodos diferentes para la fabricación de un patrón de oligonucleótidos mediante DPN sobre oro o sobre vidrio modificado químicamente con el fin de asegurar una unión covalente. La estrategia más exitosa resultó ser la ruta de química click, donde un oligonucleótido con un grupo azida se acopla a un sustrato de vidrio que presenta un grupo alquino, utilizando un catalizador de cobre (cicloadición 1,3-dipolar) y produciendo un triazol. De esta manera, se pudo establecer una plataforma sensora y se pudo evaluar su sensibilidad - El tercer capítulo trata del desarrollo y la fabricación sustratos con patrón mediante DPN para experimentos de diferenciación celular. Una molécula de biotina-tiol fue elegida como patrón, ya que permite la derivatización con estreptavidina y, en un segundo paso, cualquier tipo de molécula de biotina. El patrón se llevó a cabo usando un lípido como molécula para facilitar el transporte de la tinta. De esta manera, el tamaño de la característica del patrón fue de alrededor de 5 micras y el área de patrón general más grande que 1 mm ². Los sustratos se aplicaron con éxito en experimentos de diferenciación celular, usando la proteína BMP-2 biotinilada inmovilizada sobre los sustratos.