O objetivo deste trabalho foi determinar o perfil de atividade enzimática da proteína tirosina fosfatase de baixa massa molecular relativa (PTPBMr) e da fosfatase ácida resistente ao tartarato (TRAP) em osteoblastos humanos durante o ciclo e a diferenciação celular, correlacionando com os níveis de estresse oxidativo intracelulares. A atividade enzimática das fosfatases foi determinada nos períodos de 6, 18, 24, 48 e 72 horas (ciclo celular) e 7, 14, 21, 28 e 35 dias (diferenciação) utilizando o p-nitrofenilfosfato e na presença do inibidor específico phidroximercuribenzoato (pHMB) para a PTP-BMr, e na presença de tartarato e pHMB para a TRAP. A caracterização da diferenciação celular foi determinada medindo o nível de atividade da fosfatase alcalina e a coloração de Von Kossa. O estresse oxidativo foi determinado através da quantificação da glutationa reduzida e oxidada através dos ensaios de cromatografia líquida de alta performance eletroquímica e DTNB. Durante o ciclo celular a atividade específica (AE) da fosfatases foi fortemente diminuída, especificamente da TRAP e PTP-BMr, sendo praticamente zero após 18 horas da adição de soro, sugerindo que a diminuição na atividade destas enzimas seja necessária para a entrada na fase S. Durante a diferenciação celular observou-se um aumento progressivo da expressão de FALC, TRAP e PTP-BMr nos períodos de 7 e 14 dias, sendo máxima no 21o dia, declinando a seguir. Durante a proliferação, os estados mais reduzidos foram observados nos períodos de 18 e 48 horas e durante a diferenciação o estado mais reduzido foi observado no 21o dia. Desta forma, o presente trabalho mostra que as células da linhagem hFOB 1.19 representam um adequado modelo de estudo para análise da participação de fosfatase no ciclo e diferenciação celular, bem como que as atividades da PTP-BMr e TRAP são claramente moduladas durante o ciclo celular e a diferenciação de osteoblastos humanos, esta última dependente de adequado nível de glutationa reduzida. / Low molecular weight protein tyrosine phosphatase (LMW-PTP) and tartrate resistant acid phosphatase (TRAP) activity were determined in hFOB 1.19 human osteoblasts cell line during cell proliferation and differentiation. LMW-PTP and TRAP enzymatic activity were determined at 6, 18, 24, 36, 48 and 72 hours after fetal calf serum stimulation of subconfluent cultures and 7, 14, 21, 28 and 35 days after cell confluence and differentiation. The LMW-PTP and TRAP activity were measured using p-nitrophenylphosphate as substrate. The osteogenic potential of hFOB 1.19 cells was studied by measuring alkaline phosphatase activity, and mineralized nodule formation by Von Kossa staining. The oxitative stress was determined by HPLC and DNTB assays. During cell cycle progression, LMW-PTP and TRAP activities were strongly reduced, being almost undetectable after 18h of serum stimulation, while H3-thymidine incorporation progressively increased, suggesting that the decrease in the LMW-PTP and TRAP activities were necessary for entry into the S phase. During osteoblastic differentiation, the activity of LMW-PTP and alkaline phosphatase progressively increased until the 21th day, decreasing thereafter. In conclusion, this work demonstrates that hFOB 1.19 cells constitute a suitable model system for the study of the role played by LMW-PTP and TRAP in cell cycle progression and cell differentiation, and that LMW-PTP and TRAP activities are clearly modulated during osteoblastic proliferation and differentiation in vitro. The activities of these phosphatases during cell differentiation depended on the correct levels of reduced glutathione.

O objetivo deste trabalho foi determinar o perfil de atividade enzimática da proteína tirosina fosfatase de baixa massa molecular relativa (PTPBMr) e da fosfatase ácida resistente ao tartarato (TRAP) em osteoblastos humanos durante o ciclo e a diferenciação celular, correlacionando com os níveis de estresse oxidativo intracelulares. A atividade enzimática das fosfatases foi determinada nos períodos de 6, 18, 24, 48 e 72 horas (ciclo celular) e 7, 14, 21, 28 e 35 dias (diferenciação) utilizando o p-nitrofenilfosfato e na presença do inibidor específico phidroximercuribenzoato (pHMB) para a PTP-BMr, e na presença de tartarato e pHMB para a TRAP. A caracterização da diferenciação celular foi determinada medindo o nível de atividade da fosfatase alcalina e a coloração de Von Kossa. O estresse oxidativo foi determinado através da quantificação da glutationa reduzida e oxidada através dos ensaios de cromatografia líquida de alta performance eletroquímica e DTNB. Durante o ciclo celular a atividade específica (AE) da fosfatases foi fortemente diminuída, especificamente da TRAP e PTP-BMr, sendo praticamente zero após 18 horas da adição de soro, sugerindo que a diminuição na atividade destas enzimas seja necessária para a entrada na fase S. Durante a diferenciação celular observou-se um aumento progressivo da expressão de FALC, TRAP e PTP-BMr nos períodos de 7 e 14 dias, sendo máxima no 21o dia, declinando a seguir. Durante a proliferação, os estados mais reduzidos foram observados nos períodos de 18 e 48 horas e durante a diferenciação o estado mais reduzido foi observado no 21o dia. Desta forma, o presente trabalho mostra que as células da linhagem hFOB 1.19 representam um adequado modelo de estudo para análise da participação de fosfatase no ciclo e diferenciação celular, bem como que as atividades da PTP-BMr e TRAP são claramente moduladas durante o ciclo celular e a diferenciação de osteoblastos humanos, esta última dependente de adequado nível de glutationa reduzida. / Low molecular weight protein tyrosine phosphatase (LMW-PTP) and tartrate resistant acid phosphatase (TRAP) activity were determined in hFOB 1.19 human osteoblasts cell line during cell proliferation and differentiation. LMW-PTP and TRAP enzymatic activity were determined at 6, 18, 24, 36, 48 and 72 hours after fetal calf serum stimulation of subconfluent cultures and 7, 14, 21, 28 and 35 days after cell confluence and differentiation. The LMW-PTP and TRAP activity were measured using p-nitrophenylphosphate as substrate. The osteogenic potential of hFOB 1.19 cells was studied by measuring alkaline phosphatase activity, and mineralized nodule formation by Von Kossa staining. The oxitative stress was determined by HPLC and DNTB assays. During cell cycle progression, LMW-PTP and TRAP activities were strongly reduced, being almost undetectable after 18h of serum stimulation, while H3-thymidine incorporation progressively increased, suggesting that the decrease in the LMW-PTP and TRAP activities were necessary for entry into the S phase. During osteoblastic differentiation, the activity of LMW-PTP and alkaline phosphatase progressively increased until the 21th day, decreasing thereafter. In conclusion, this work demonstrates that hFOB 1.19 cells constitute a suitable model system for the study of the role played by LMW-PTP and TRAP in cell cycle progression and cell differentiation, and that LMW-PTP and TRAP activities are clearly modulated during osteoblastic proliferation and differentiation in vitro. The activities of these phosphatases during cell differentiation depended on the correct levels of reduced glutathione.

Introducción: Los cultivos de osteoblastos humanos obtenidos de explantes óseos son un buen modelo de estudio de la funcionalidad osteoblástica. Existe una elevada correlación entre la actividad celular que presentan los osteoblastos in vitro e in vivo (biopsias óseas). El cultivo primario de osteoblastos derivados de hueso trabecular es el mejor modelo para el estudio de anomalías intrínsecas de las células de pacientes con enfermedades metabólicas óseas.Las estatinas o inhibidores específicos del enzima HMG-CoA reductasa actúan inhibiendo la síntesis hepática de colesterol. Las estatinas son utilizadas para disminuir los niveles de colesterol y proporcionar una importante vía de abordaje en el tratamiento de la hiperlipidemia y arteriosclerosis. En los últimos años se ha visto que pueden tener efectos pleiotrópicos en el hueso.El objetivo del trabajo fue analizar la implicación de la funcionalidad osteoblástica en el metabolismo del hueso mediante cultivo primario de osteoblastos humanos. De esta manera el trabajo se ha separado en cuatro subestudios diferentes que tienen como columna vertebral el cultivo primario para el estudio de la función osteoblástica.Objetivos: Subestudio I: Análisis del cultivo primario de osteoblastos humanos y la línea tumoral MG-63 como modelo para el estudio de patologías metabólicas óseas y el efecto de factores reguladores y de fármacos en el hueso. Subestudio II: Estudio de la proliferación celular y de la expresión génica del sistema OPG/RANKL, los factores Cbfa1 y BMP-2, y el colágeno tipo 1 y la osteocalcina, en cultivo primario de osteoblastos de pacientes con osteoporosis posmenopáusica. Subestudio III: Análisis del efecto de la simvastatina y la atorvastatina sobre la proliferación celular y la expresión génica del BMP-2, el colágeno tipo 1 y la osteocalcina en osteoblastos humanos primarios normales y la línea celular MG-63. Subestudio IV: Estudio de la proliferación celular y de la expresión génica del colágeno tipo 1 y la osteocalcina en cultivo primario de osteoblastos de varones con osteoporosis idiopática.Metodología: Para el cultivo primario de osteoblastos humanos se utilizaron muestras de rodilla, de cabeza de fémur y de cresta ilíaca. Se extrajo el hueso trabecular y se troceó en explantes de 1mm3. Los explantes fueron lavados mediante agitación mecánica con una solución salina y depositados sobre una placa de Petri con medio completo suplementado con suero. Pasadas aproximadamente cuatro semanas el cultivo llegaba a la confluencia y en este momento, previamente a realizar experimentos se procedía a la caracterización de los osteoblastos mediante la detección de la actividad fosfatasa alcalina y la expresión génica de la osteocalcina, usando en ambos casos fibroblastos humanos primarios como control negativo. Para la cuantificación de la expresión de los genes analizados en cada subestudio se utilizó la técnica de la PCR a tiempo real. A partir de las células tratadas de forma específica en cada uno de los subestudios se realizó la extracción de RNA total utilizando el método del Trizol. Cada una de las muestras de RNA aislado se evaluó su integridad mediante un gel de agarosa y se cuantificó para la posterior reacción de retrotranscripción a partir de 1mg de RNA. Finalmente se cuantificaron los niveles de expresión génica mediante la PCR a tiempo real. Esta técnica consiste en monitorizar la reacción de PCR a medida que ésta tiene lugar. Se realizó mediante la tecnología TacMan que utiliza unas sondas fluorogénicas que permiten la detección de los productos de PCR específicos a medida que se van sintetizando. En esta técnica se marca un umbral de fluorescencia en un punto donde la reacción se encuentra en fase exponencial. El ciclo en el cual la reacción de amplificación atraviesa el umbral de fluorescencia se denomina Ct (Treshold Cycle) y depende de la cantidad de cDNApresente en la muestra.Resultados: Subestudio I: Todas las líneas de osteoblastos primarios utilizadas mostraron fenotipo osteoblástico ya que todas ellas presentaron actividad fosfatasa alcalina y expresaron el gen de la osteocalcina. Subestudio II: Se obtuvieron un total de 21 muestras procedentes de mujeres menopáusicas sometidas a intervención quirúrgica por prótesis de rodilla. Se separaron en dos grupos en función de patología osteoporótica siguiendo los criterios densitométricos de la OMS de -2.5DS. Resultó un total de 9 muestras en el grupo de pacientes osteoporóticas y 12 muestras en el grupo de pacientes no osteoporóticas. No se observaron diferencias estadísticamente significativas en la proliferación celular entre los dos grupos. Se observó una disminución estadísticamente significativa en los niveles de expresión génica y COL1A1 en el grupo de pacientes osteoporóticas. Se observó una diferencia estadísticamente significativa en los niveles de expresión génica de OPG bajo el estímulo de vitamina D y 17?-estradiol. Subestudio III: Se observó una disminución estadísticamente significativa de la proliferación celular en los cultivos tratados con distintas concentraciones de simbastatina y atorvastatina en los osteoblastos primarios y en la línea celular MG-63. Se observó un aumento de la expresión génica de COL1A1, osteocalcina y BMP-2 en los osteoblastos primarios y en la línea celular MG-63. Subestudio IV: Se obtuvieron un total de 30 muestras procedentes de biopsia de cresta ilíaca de pacientes varones. Se separaron en dos grupos en función de patología osteoporótica siguiendo los criterios densitométricos de la OMS de -2.5DS. Resultó un total de 14 muestras en el grupo de pacientes osteoporóticas y 16 muestras en el grupo de pacientes no osteoporóticas. Se observó una disminución estadísticamente significativa de la proliferación celular en las muestras del grupo de pacientes osteoporóticos. Se observó una tendencia a la disminución de la expresión génica de COL1A1 en condiciones basales y con vitamina D en el medio. Se observó una disminución estadísticamente significativa de los niveles de expresión génica de osteocalcina en presencia de vitamina D en las muestras del grupo de pacientes con osteoporosis.Conclusiones: Subestudio I: El cultivo primario de osteoblastos es un buen modelo para el estudio de patologías metabólicas óseas (como la osteoporosis) y del efecto de factores y fármacos en el hueso. Subestudio II: Los osteoblastos procedentes de pacientes con osteoporosis posmenopáusica tienen un defecto que afecta a la expresión de genes característicos de la función osteoblástica. Subestudio III: Las estatinas (simvastatina y atorvastatina) afectan a la función osteoblástica favoreciendo la diferenciación a través de la inhibición de la proliferación celular y el incremento de la expresión de genes característicos del osteoblasto diferenciado con elevada actividad secretora. Subestudio IV: Los osteoblastos procedentes de pacientes con osteoporosis masculina idiopática tienen un defecto que afecta a la proliferación celular y a la expresión de genes característicos de la función osteoblástica. / Introduction: Human osteoblast cultures obtained from bone explants are a good model for studying the osteoblastic function. A strong correlation exists between the osteoblast activity in vitro and in vivo (bone biopsies). The osteoblasts primary culture derived from trabecular bone is the best model for the study of cell intrinsic anomalies from patients with metabolic bone illnesses.Statins or specific HMG-CoA reductase inhibitors operate inhibiting the hepatic synthesis of cholesterol. Statins are used to reduce cholesterol levels and are an important way of approaching the treatment of hyperlipidemia and arteriosclerosis. In the last years, it has been demonstrated that they can have pleiotropic effects in the bone.The objectives of this work were to analyze the implications of the osteoblastic function in bone metabolism using human osteoblast primary cultures. The work has been separated in to four substudies that although combine different strategies all share the common backbone of using primary cultures to study the osteoblastic function.Objectives: Substudy I: Analysis of primary human osteoblasts and the tumoral cell line MG-63 culture as a model for the study of bone metabolic pathologies and the effect of regulatory factors and drugs in the bone. Substudy II: Study of the cell proliferation and gene expression of OPG/RANKL, the factors Cbfa1 and BMP-2, collagen type 1 and osteocalcin in osteoblasts primary cultures in patients with postmenopausal osteoporosis. Substudy III: Analysis of the effect of simvastin and atorvastin in cell proliferation and the gene expression of BMP-2, collagen type 1 and osteocalcin in normal primary human osteoblasts and in the cell line MG-63. Substudy IV: Study of the cell proliferation and the gene expression of collagen type 1 and osteocalcin in primary cultures of osteoblasts of men with idiopathic osteoporosis.Patients and methods: For the primary culture of human osteoblasts, knee, femur and iliac crest samples were used. The trabecular bone was extracted, and cut into explants of 1mm3.The explants were washed with a saline solution by mechanic agitation and then placed on a Petri dish with complete medium complemented with serum. After approximately four weeks the culture reached confluence, and before any experiments, the osteoblasts were characterized measuring alkaline phosphatase activity and the gene expression of osteocalcin, using, in both cases, primary human fibroblasts as a negative control. For the quantification of the expression of the analyzed genes in every substudy, real time PCR was used. The different cells evaluated in every substudy were treated by the Trizol method to extract the total RNA. The integrity and the quantity of every one of the RNA samples isolated were evaluated by agarose gel electrophoresis. 1?g of RNA was used for every retrotranscription. Finally, gene expression levels were quantified by real time PCR. This technique consists in monitorizing the PCR reaction at the same time as it takes place. It was carried out using the TacMan technology that use fluorescent probes that permit the detection of the specific PCR products the moment they have been synthesized. In this technique, a fluorescent threshold is determined at a point where the reaction is in its exponential phase. The cycle in which the amplification reaction reaches the fluorescent threshold is called Ct (Threshold cycle) and depends on the quantity of cDNA in the sample.Results: Substudy I: All the osteoblast primary cell lines used displayed osteoblastic phenotypes as all of them presented alkaline phosphatase activity and expressed the osteocalcin gene. Substudy II: 21 samples were obtained from menopausal women submitted to chirurgic intervention for knee prosthesis. They were separated into two groups depending on the osteoporotic pathology following densitrometric criteria. As a result, 9 samples of osteoporotic women and 12 samples of non osteoporotic women were obtained. No statistically relevant differences were observed between the cell proliferation of the two groups. Statistically significant decreases were observed in gene expression levels and COL1A1 in the osteoporotic group. Furthermore, a statistically significant difference was observed in the OPG gene expression post-stimulation with vitamin D and 17?estradiol. Substudy III: A statistically significant decrease was also observed in cell proliferation in the cultures treated with different concentrations of simbastatin and atorvastatin in primary osteoblasts and in the MG-63 cell line. An increase in COL1A1, osteocalcin and BMP-2 gene expression was observed in primary osteoblasts and in the MG-63 cell line before the addition of statins. Substudy IV: A total of 30 samples from iliac crest biopsies of male patients were obtained. They were separated in to two groups depending on the osteoporotic pathology following densitrometric criteria. As a result, a total of fourteen samples in the osteoporotic patient group and sixteen in the non osteoporotic group were obtained. A statistically significant decrease in cell proliferation in the samples of the ostheoporotic group was observed. A tendency to decrease was observed in COL1A1 gene expression in basal conditions and with vitamin D in the medium. A statistically significant decrease in the osteocalcin gene expression levels in the presence of vitamin D was observed in the samples of the group of osteoporotic patients.Conclusions: Substudy I: The primary culture of osteoclasts is a good model for the study of bone metabolic illnesses (like osteoporosis) and the effect of factors and drugs in the bone. SubstudyII: The osteoblasts coming from patients with postmenopausal osteoporosis have a defect that affects the expression of characteristic genes of the osteoblastic function. Substudy III: Statins (simvastin and atorvastin) affect the osteoblastic function favouring differentiation through the inhibition of cellular proliferation and the increase of the expression of genes characteristic of the differentiated osteoblast with elevated secretive activity. Substudy IV: Osteoblasts coming from patients with masculine idiopathic osteoporosis have a defect that affects cell proliferation and characteristic genes of the osteoblastic function.

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No. of bitstreams: 1 AnaCarolinaPereiraRocha_DISSERT.pdf: 5861142 bytes, checksum: 39f089afa48682089f4ef1bb8949e060 (MD5) Previous issue date: 2017-09-01 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior (CAPES) / A diferencia??o das c?lulas-tronco mesenquimais humanas (CTMh) em osteoblasto segue um programa espec?fico de express?o g?nica, comprometendo-se inicalmente sob a influ?ncia das vias Wnt (Wingless pathway) e das BMPs (bone morphogenetic protein) que direcionam a c?lula a sua transforma??o em osteoblasto. Entretanto, as vias ativadas especificamente durante a fase inicial da diferencia??o s?o ainda pouco exploradas. Assim, o objetivo deste trabalho foi caracterizar o perfil transcricional do in?cio do processo de diferencia??o de CTMh, obtidas da veia do cord?o umbilical, em osteoblasto, a partir da t?cnica de RNA-Seq. A partir dos dados de transcriptoma, foi produzida uma lista ordenada de genes funcionalmente associados, obtida pela me?dia da expressa?o ge?nica tomada sobre genes vizinhos nesta lista, facilitando, assim, a sua interpretac?a?o biolo?gica. Para o estudo de ontologia g?nica e delineamento do perfil de express?o durante a osteog?nese, os processos metab?licos e fun??es moleculares significativamente alterados durante o decorrer do processo de diferencia??o foram analisados em diversas ferramentas (REVIGO, GOrila, PANTHER, LNCipedia e NONCODE) e descritos. Durante a indu??o ? diferencia??o das CTMh em osteoblasto, foi observado o aumento da express?o de genes caracter?sticos do fen?tipo osteobl?stico j? a partir do primeiro dia de diferencia??o. Foram identificados RNAs n?o codificantes, consoante a evolu??o da diferencia??o, bem como genes envolvidos na forma??o de rafts de membrana, j? a partir do terceiro dia de diferencia??o. Durante o terceiro dia de indu??o, genes envolvidos na regula??o da diferencia??o celular e em outros processos biol?gicos que precedem a diferencia??o, como ades?o celular, sinaliza??o e resposta ? fatores qu?micos externos j? apresentaram aumento em sua express?o. O estudo da express?o g?nica durante estes tr?s primeiros dias revelou ainda a diminui??o na express?o de genes envolvidos em processos biol?gicos de manuten??o de metabolismo basal, degrada??o de RNA e organiza??o do citoesqueleto, indicando assim que as mudan?as celulares que levam a c?lula a entrar em diferencia??o podem ter origem durante os tr?s primeiros dias de tratamento osteog?nico. / Human mesenchymal stem cells (hMSC) differentiation into osteoblast follows a specific gene expression program, committing itself initially under Wnt and BMPs pathways influence then differentiating into osteoblasts. However, specifically activated pathways during the first three days of differentiation are still poorly understood. Considering next generation sequencing technologies efficiency, and the lack of characterization in early hMSC differentiation process, in this work we used Illumina RNA-Seq to investigate the changes in these cells transcriptome. We used ex-vivo cultures of two human umbilical cord veins. Data from the complete transcriptome were analyzed in Transcriptogramer for the production of an ordered list of functionally associated genes, obtained by the mean of the gene expression taken on neighboring genes in this list, thus facilitating their biological interpretation. To study gene ontology and gene expression profile during osteogenesis, the metabolic processes and molecular functions significantly altered during the course of the differentiation process were analyzed in several tools (REVIGO, GOrila, PANTHER, LNCipedia and NONCODE) and properly described. During hMSC differentiation, an increase in expression of osteoblastic phenotype genes was observed as soon as the first day of differentiation started. Noncoding RNAs were also identified, depending on the evolution of the differentiation process, as well as genes involved in the formation of membrane rafts, on the third day of differentiation. During the third day of induction, cell differentiation regulation genes and other important genes on biological processes that precede differentiation, such as cell adhesion, signaling and external chemical factors response, have already increased expression. The study of gene expression during these first three days also revealed the decrease in the expression of groups of genes crucial to basal metabolism maintenance, RNA degradation and cytoskeleton organization, thus indicating that the cellular changes that lead the cell into differentiation may originate during the first three days of osteogenic treatment.

As integrinas constituem uma família de receptores de membrana que tem como função primária a adesão de células a proteínas da matriz extracelular e alguns de seus membros estão envolvidos nos processos de diferenciação osteoblástica e formação óssea, eventos diretamente relacionados à osseointegração de implantes de titânio (Ti). Sabe-se que superfícies de Ti com nano e microtopografia podem favorecer a diferenciação osteoblástica e a mineralização da matriz extracelular. No entanto, os mecanismos celulares envolvidos nesses processos não são completamente entendidos. Neste contexto, os objetivos deste estudo foram: (1) caracterizar as superfícies de Ti com nano (Ti-Nano) e microtopografia (Ti-Micro), (2) investigar a participação da integrina V na diferenciação osteoblástica induzida pelo Ti-Nano e (3) investigar a participação da integrina β3 na diferenciação osteoblástica induzida por Ti-Nano e Ti-Micro. Para isso, discos de Ti-Nano e Ti-Micro foram preparados por ataque ácido com H2SO4/H2O2 ou com HNO3/H2SO4 / HCl, respectivamente, e caracterizados quanto à topografia, rugosidade e composição química de superfície. Discos de Ti usinados foram usados com controle (Ti-Controle) em alguns experimentos. Células-tronco mesenquimais derivadas de medula óssea de ratos foram cultivadas sobre as três superfícies de Ti e foi avaliada a expressão gênica de componentes envolvidos na via de sinalização das integrinas por PCR array. Com base nos resultados do PCR array, as integrinas αV e β3 foram selecionadas e silenciadas por RNA de interferência (shRNA) ou CRISPR/Cas9, respectivamente, em células pré-osteoblásticas da linhagem MC3T3-E1 para investigarmos a participação dessas integrinas na diferenciação osteoblástica induzida por superfícies de Ti com diferentes topografias. Os resultados deste estudo mostraram que os tratamentos empregados foram eficientes para a produção de superfícies de Ti com topografias nas escalas nano e micrométrica. Além disso, foi demonstrado que o maior potencial osteogênico do Ti-Nano se deve, ao menos em parte, à integrina αV, uma vez que seu silenciamento reduziu a diferenciação osteoblástica induzida pela nanotopografia. Por fim, também demonstramos que a via de sinalização ativada pela integrina β3 exerce um papel fundamental no potencial osteogênico do Ti-Nano, mas não do Ti-Micro. O silenciamento da integrina β3 reduziu a diferenciação osteoblástica, concomitantemente com a regulação negativa da expressão de vários componentes das vias de sinalização de Wnt e de BMP, apenas nas células crescidas sobre a nanotopografia. Em conjunto, nossos resultados revelam um novo mecanismo para explicar a maior diferenciação osteoblástica induzida pelo Ti-Nano, que envolve uma complexa rede regulatória ativada pela maior expressão das integrinas αV e β3, esta última gerando ativação da transdução de sinal das vias de Wnt e de BMP / Integrins are a family of membrane receptors that primarily mediate cell adhesion to extracellular matrix proteins and some members are involved in the process of osteoblast differentiation and bone formation, key events of titanium (Ti) implant osseointegration. It is well known that Ti surfaces with nano and microtopography may favor osteoblast differentiation and matrix mineralization. However, the cellular mechanisms involved in this process are not entirely understood. In this context, the aims of this study were: (1) to characterize the Ti surfaces with nano (Ti-Nano) and microtopography (Ti-Micro), (2) to investigate the participation of integrin V on osteoblast differentiation induced by Ti-Nano and (3) to investigate the participation of integrin β3 on osteoblast differentiation induced by Ti-Nano and Ti-Micro. Discs of Ti-Nano and Ti-Micro were prepared with acid etching with H2SO4/H2O2 or with HNO3/H2SO4 / HCl, respectively, and characterized in terms of surface topography, roughness and chemical composition. Machined Ti discs (untreated) were used as control (Ti-Control) in some experiments. Mesenchymal stem cells from rat bone marrow were cultured on Ti discs with the three different surfaces and the gene expression of members of the integrin signaling pathway was evaluated by PCR array. Based on PCR array results, the integrins αV and β3 were selected and silenced using RNA interference (shRNA) or CRISPR-Cas9, respectively, in pre-osteoblastic cell line MC3T3-E1 to investigate the participation of these integrins in osteoblast differentiation induced by Ti with different surface topographies. The results showed that the treatments used were efficient to generate Ti surfaces with topographies at the nano and micrometric scales. We showed that the higher osteogenic potential of Ti-Nano may be, at least in part, due to the integrin &alphaV, since its silencing reduced the osteoblast differentiation induced by nanotopography. We also demonstrated that the signaling pathway triggered by integrin β3 plays a key role in the osteogenic potential of Ti-Nano, but not of Ti-Micro. The silencing of integrin β3 reduced the osteoblast differentiation concomitantly with the negative regulation of the gene expression of several Wnt and BMP signaling components only in cells grown on Ti-Nano. Taken together, our results uncover a novel mechanism to explain the higher osteoblast differentiation induced by Ti-Nano that involves a complex regulatory network triggered by integrins αV and β3 upregulation, with the integrin β3 activating the Wnt and BMP signal transductions

Na ossificação endocondral, osteoclastos (Oc) reabsorvem os remanescentes de cartilagem, e osteoblastos (Ob) depositam matriz óssea. Bisfosfonatos (Bps) inibem a ação dos Oc. Foi avaliado o efeito dos Bps alendronato (Aln) e etidronato (Etn) em joelhos de ratos jovens (in vivo) e na cultura primária de Oc (in vitro). O material in vivo foi analisado por MEV, MET e ML (morfologia e histoquímica para TRAP). RNA foi extraído para análise por RT-PRC e proteínas para análise por WB, que também foram extraídos após o tratamento da cultura com Bps. O tratamento com Etn revelou lâmina epifiseal desorganizada com extensa área de cartilagem; a MEV mostrou pouco osso trabecular com lacunas de reabsorção, que não foram observadas com Aln. O Aln revelou numerosos Oc TRAP-positivos latentes, confirmados por MET. In vivo os Bps diminuem a expressão dos genes analisados; In vitro o Aln diminui somente a expressão de Runx2, menos expresso com Etn, assim como Spp1. A expressão proteica variou entre os grupos. Aln é o mais potente em inibir os Oc enquanto o Etn atua sobre os Ob. / In endochondral ossification, clastic cells (Oc) resorb the calcified cartilage, while osteoblasts (Ob) form new bone. Bisphosphonates (Bps) inhibit the action of Oc. The effect of the Bps alendronate (Aln) and etidronate (Etn) on the knees of young rats (in vivo) and in primary cultures of Oc (in vitro) was evaluated. The specimens were analyzed by SEM, TEM, and LM or TRAP histochemistry. RNA was extracted to analysis by RT-PRC and protein to analysis by WB. RNA and protein were also extracted after the treatment of cultures with Bps. Rats treated with Etn exhibited a disorganized epiphyseal plate containing large area of cartilage; SEM showed few bone trabeculae with resorption lacunae, which were not observed in Aln specimens. Aln showed numerous latent Oc by TRAP histochemistry and TEM. In vivo, the Bps decreased the expression of all analyzed genes; in vitro, Aln decreased only the expression of Runx2 as well as SPP1, which expression was less with Etn. Protein expression varied among the groups. Aln is more potent for inhibiting the Oc, while Etn acts on Ob.

O objetivo desse estudo foi investigar a participação de integrina &alpha;1&beta;1 e microRNAs (miRs) no potencial osteogênico de superfícies de titânio (Ti) com nanotopografia. Discos de Ti previamente polidos foram tratados quimicamente com H2SO4/H2O2 para obtenção de nanotopografia, que foi observada por microscopia eletrônica de varredura. Para o estudo da participação da integrina &alpha;1&beta;1, células-tronco mesenquimais (CTMs) de ratos foram cultivadas em condições osteogênicas e não osteogênicas sobre superfícies de Ti com nanotopografia e sem tratamento químico (controle). O resultados mostraram que a nanotopografia de Ti aumentou a proliferação celular, a atividade de fosfatase alcalina (Alp) e regulou positivamente a expressão gênica de marcadores da diferenciação osteoblástica em CTMs cultivadas tanto em condições osteogênicas quanto em condições não osteogênicas. Além disso, uma maior expressão gênica para as integrinas &alpha;1 e &beta;1 foi observada em culturas crescidas sobre nanotopografia em condições não osteogênicas em relação ao Ti controle. O uso de obtustatina, um inibidor de integrina &alpha;1&beta;1, reduziu os efeitos da nanotopografia sobre os marcadores osteoblásticos, indicando a participação da via de sinalização dessa integrina nos efeitos da nanotopografia sobre CTMs. Para investigar a participação de miRs no efeito osseoindutor da nanotopografia de Ti, foram utilizadas CTMs humanas e células préosteoblásticas de camundongos da linhagem MC3T3-E1. A análise em larga escala da expressão de miRs revelou que 60 miRs foram regulados positivamente (no mínimo, 2x maior), enquanto 58 miRs foram regulados negativamente (no mínimo, 2x menor) em CTMs crescidas sobre a nanotopografia. Três desses miRs, miR-4448, -4708 e -4773, cuja expressão foi significativamente reduzida pela nanotopografia de Ti (no mínimo, 5x menor), afetaram a diferenciação osteoblástica de CTMs. Esses miRs atuam diretamente sobre SMAD1 e SMAD4, proteínas transdutoras da sinalização da proteína óssea morfogenética 2 (Bmp-2), conhecida por sua capacidade osseoindutora. Além disso, verificou-se que a sobreexpressão de miR-4448, -4708 e -4773 em células pré-osteoblásticas MC3T3-E1 inibiu a expressão gênica e proteica de SMAD1 e SMAD4 e, consequentemente, a expressão gênica de marcadores ósseos. Esses dados sugerem a influência do circuito miR-SMAD-Bmp-2 sobre o efeito osseoindutor da nanotopografia. Conjuntamente, os achados do presente estudo mostraram que o efeito da nanotopografia de Ti sobre a diferenciação osteoblástica resulta de um mecanismo regulatório complexo, do qual fazem parte as vias de sinalização da integrina &alpha;1&beta;1 e da Bmp-2, com a participação de miRs. Esses resultados podem representar um avanço para o desenvolvimento de novas modificações de superfície, com o objetivo de acelerar e/ou melhorar o processo de osseointegração. / The aim of this study was to investigate the role of the &alpha;1&beta;1 integrin and microRNAs (miRs) on the osteogenic potential of titanium (Ti) with nanotopography. Polished Ti discs were chemically treated with H2SO4/H2O2 to generate nanotopography, which was observed under scanning electron microscopy. For the study related to the &alpha;1&beta;1 integrin, rat mesenchymal stem cells (MSCs) were cultured under osteogenic and non-osteogenic conditions on Ti with nanotopography and non-treated Ti discs (control). Nanotopography increased cell proliferation and alkaline phosphatase (Alp) activity and upregulated the gene expression of bone markers in cells cultured under osteogenic and non-osteogenic conditions. Furthermore, the gene expression of &alpha;1 and &beta;1 integrins was higher in cells cultured on nanotopography under non-osteogenic conditions compared with control. Obtustatin, an inhibitor of &alpha;1&beta;1 integrin, reduced the higher gene expression of the bone markers induced by nanotopography. These results indicate that &alpha;1&beta;1 integrin signaling pathway determines the osteoinductive effect of nanotopography on MSCs. The role of miRs in the osteogenic potential of Ti with nanotopography was evaluated using human MSCs and MC3T3-E1 mouse pre-osteoblastic cells. The miR sequencing analysis revealed that 60 miRs were upregulated (> 2 fold), while 58 miRs were downregulated (< 2 fold) in MSCs grown on nanotopography. Three miRs, miR-4448, -4708 and -4773, which were significantly downregulated (< 5 fold) by nanotopography, affected the osteoblast differentiation of MSCs. These miRs directly target SMAD1 and SMAD4, both key transducers of the bone morphogenetic protein 2 (Bmp-2) osteogenic signal, which were upregulated by nanotopography. Overexpression of miR-4448 - 4708 and 4773 in MC3T3-E1 cells noticeably inhibited gene and protein expression of SMAD1 and SMAD4 and by targeting them, these miRs repressed gene expression of key bone markers. These results suggest that a miR-SMAD-Bmp-2 circuit acts in the Ti nanotopography-mediated osteoblast differentiation. Taken together, our data showed that the osteoblast differentiation induced by Ti with nanotopography is governed by a complex regulatory network involving a crosstalk between &alpha;1&beta;1 integrin and Bmp-2 signaling pathways with participation of miRs.

A osteoporose, uma doença óssea progressiva, é considerada um grave problema de saúde pública, sendo uma das condições mais importantes associadas ao envelhecimento e que afeta milhões de pessoas no mundo. Esta doença multifatorial é caracterizada pela densidade óssea reduzida e deterioração da microarquitetura óssea. O objetivo deste trabalho foi investigar as mudanças comportamentais em células mesenquimais da medula óssea e células osteoblásticas da calvária de ratas induzidas à osteoporose. Após aprovação da Comissão de Ética no Uso de Animais, 18 ratas Wistar foram utilizadas e divididas em grupos controle e ovariectomizadas. Após 150 dias, as ratas de ambos os grupos foram sacrificadas para coleta dos fêmures e fragmentos da calvária. As células recolhidas a partir da medula óssea e calvária foram cultivadas em placas de 24 poços (n = 5) para avaliação da proliferação e viabilidade celular, atividade de fosfatase alcalina (ALP), detecção e quantificação de nódulos mineralizados e análise da expressão gênica por meio de PCR em tempo real. Os dados foram submetidos ao testes de Kruskal-Wallis e Mann-Whitney, com nível de significância de 5%. As células da medula óssea do grupo controle (MC) mostraram uma diminuição significativa na proliferação quando comparado com as células do grupo controle da calvária (CC) em todos os períodos (p < 0,05). Por outro lado, as células da medula óssea de ratas com osteoporose (MO) revelaram um aumento significativo na taxa de proliferação após 7 e 10 dias (p < 0,01) em comparação às células da calvária de ratas ovariectomizadas (CO). A viabilidade celular foi maior em todos os períodos estudados dos grupos CC e CO em relação aos grupos MC e MO (p < 0,05). A atividade de fosfatase alcalina não foi significativamente diferente após 7 dias de cultura entre os grupos estudados; por outro lado, após 10 e 14 dias, observou-se uma diminuição da sua atividade no grupo MC quando comparado ao grupo CC (p < 0,01). Nas ratas com osteoporose, as células da medula óssea mostraram um aumento desta atividade quando comparada às células de calvária (p < 0,01). A análise dos nódulos mineralizados após 14 e 21 dias revelou que os grupos controle CC e MC não apresentaram diferenças significativas, ao passo que no grupo MO observou-se um aumento da mineralização quando comparado ao grupo CO nos mesmos períodos experimentais. Os resultados obtidos na análise de expressão gênica mostraram que para os genes Runx2, Oc, Alpl, Rank-l e Er&alpha; a expressão no grupo MO foi maior que no grupo MC (p < 0,05), enquanto que para as células da calvária, CC teve maior expressão gênica que CO (p < 0,05). Os genes Opg e Er&beta; apresentaram variações de acordo com o grupo avaliado. Frente aos resultados obtidos, sugere-se que existam alterações no metabolismo das células progenitoras e células diferenciadas após a indução da osteoporose e que as células da medula óssea apresentam um aumento da sua função como uma resposta compensatória neste modelo animal ovariectomizado. / Osteoporosis, a progressive bone disease, is considered a serious public health problem, being one of the most important conditions associated with aging, affecting millions of people worldwide. This multifactorial disease is characterized by reduced bone density and deterioration of bone microarchitecture. The objective of this work was to investigate the behavioral changes in mesenchymal cells from bone marrow and osteoblastic cells from calvaria bone of female rats induced to osteoporosis. After institutional review board approval, 18 Wistar female rats were used and divided into control and ovariectomized groups. After 150 days, the rats of both groups were sacrificed for collection of femurs and calvariae fragments. The cells collected from bone marrow and calvaria were cultured in 24-well plates (n=5) for the assessment of cell proliferation and viability, alkaline phosphatase (ALP) activity and detection and quantification of mineralized nodules. The data were submitted to Kruskal-Wallis and Mann-Whitney tests, with significance level set at 5%. The cells from bone marrow control group (MC) showed a significantly decrease in proliferation when compared to the cells from calvaria bone control group (CC) in all periods evaluated (p < 0,05). On the other hand, bone marrow cells from osteoporotic rats (MO) revealed a significant increase in their proliferation rate after 7 and 10 days (p < 0,01) compared to calvaria cells from ovariectomized rats (CO). Cell viability was higher in all investigated periods of CC and CO groups compared to MC and MO groups (p < 0,05). Alkaline phosphatase activity was not significantly different after 7 days of culture among the studied groups; in spite of that, after 10 and 14 days, there was a decrease in its activity in MC group when compared to CC (p < 0,01). In the osteoporotic rats, bone marrow cells showed an increase in this activity when compared to calvaria cells (p < 0,01). The analysis of mineralized nodules after 14 and 21 days revealed that control groups (CC and MC) did not have significant differences, whereas it was observed in MO group an increase in the mineralization when compared to CO in the same experimental periods. The data obtained in the analysis of gene expression showed that for Runx2, Oc, Alpl, Rank-l and Er&alpha; genes, the expression in MO group was higher than in MC (p < 0,05), whereas for the calvaria cells, CC group had higher gene expression than CO group (p < 0,05). The Opg and Er&beta; genes showed variations according to the evaluated group. Thus, it is suggested that there are changes in the metabolism of progenitor and differentiated cells after osteoporosis induction and that bone marrow cells present an enhancement of their function as a compensatory response in this ovariectomized rat model.

Orientador: Célia Regina Nogueira / Resumo: O tecido ósseo é extremamente complexo e regulado por fatores sistêmicos e locais, apresentando considerável atividade metabólica que envolve a remoção do osso mineralizado pelos osteoclastos, seguida pela formação da matriz óssea pelos osteoblastos. A associação de triiodotironina (T3) e estrógeno (E2) pode levar a uma resposta complexa à atividade do tecido ósseo sendo que o T3 possui efeito tanto sobre a reabsorção como na formação óssea e o E2, em baixo nível, pode levar a osteoporose e no estado normal garante a supressão de citocinas, a partir do sistema RANKL, OPG e c-Fos, que participam ativamente no remodelamento ósseo. Dessa forma, muitos estudos têm sido realizados com o objetivo de verificar a ação hormonal sobre o metabolismo ósseo. Entre essas pesquisas, têm sido isoladas células-tronco mesenquimais (CTMs) a partir do tecido adiposo humano e diferenciadas em osteoblastos. Baseado nisso, o objetivo do nosso trabalho foi avaliar o efeito do T3 e E2 nas concentrações infrafisiológica (T3I/ 10-10M e E2I/ 10-9M); fisiológicas (T3F/10-9M e E2F/10-8M) e suprafisiológicas (T3S/10-8M) separadamente e em diferentes associações de T3I (T3I+E2I e T3I+E2F); T3F (T3F+E2I e T3F+E2F) e T3S (T3S+E2I e T3S + E2F) e diferentes associações de E2I (E2I+T3I e E2I+T3F e E2I+T3S); E2F (E2F+T3I e E2F+T3F e E2F+T3S) sobre a expressão gênica e proteica de RANKL, OPG e c-FOS. Quando associados, a maioria desses hormônios aumentou os níveis gênicos da célula estudada. Em c... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Bone tissue is extremely complex and is regulated by systemic and local factors, presenting a considerable metabolic activity involving the removal of mineralized bone by osteoclasts in balance with the formation of bone matrix by osteoblasts. The association of triiodothyronine (T3) and estrogen (E2) may lead the activity of bone tissue to complex responses, due to T3 effects on both bone formation and reabsorption, and E2 being able to lead to osteoporosis when at low levels, or, at normal levels, maintain the suppression of the cytokines RANKL, OPG, and c-FOS, which take part actively on bone remodeling. To date, many studies have been done to verify hormone actions on bone metabolism. Among them, mesenchymal stem cells (MSC) have been isolated from human adipose tissue and differentiated into osteoblasts. The aim of our study was to evaluate the effect of both T3 and E2 on RANKL, OPG, and c-FOS gene and protein expression, at infra- (T3I, 10-10M; E2I, 10-9M), physiological (T3F, 10-9M; E2F, 10-8M) supra- (T3S, 10-8M) and doses. Cells were treated with hormones separately or in all possible combinations of T3 and E2 doses. The majority of associated treatments increased gene expression levels of all genes. We can state that the doses included in this study, of both hormones, efficiently increase the expression of the analyzed genes, especially when associated. / Doutor

A osteoporose, uma doença óssea progressiva, é considerada um grave problema de saúde pública, sendo uma das condições mais importantes associadas ao envelhecimento e que afeta milhões de pessoas no mundo. Esta doença multifatorial é caracterizada pela densidade óssea reduzida e deterioração da microarquitetura óssea. O objetivo deste trabalho foi investigar as mudanças comportamentais em células mesenquimais da medula óssea e células osteoblásticas da calvária de ratas induzidas à osteoporose. Após aprovação da Comissão de Ética no Uso de Animais, 18 ratas Wistar foram utilizadas e divididas em grupos controle e ovariectomizadas. Após 150 dias, as ratas de ambos os grupos foram sacrificadas para coleta dos fêmures e fragmentos da calvária. As células recolhidas a partir da medula óssea e calvária foram cultivadas em placas de 24 poços (n = 5) para avaliação da proliferação e viabilidade celular, atividade de fosfatase alcalina (ALP), detecção e quantificação de nódulos mineralizados e análise da expressão gênica por meio de PCR em tempo real. Os dados foram submetidos ao testes de Kruskal-Wallis e Mann-Whitney, com nível de significância de 5%. As células da medula óssea do grupo controle (MC) mostraram uma diminuição significativa na proliferação quando comparado com as células do grupo controle da calvária (CC) em todos os períodos (p < 0,05). Por outro lado, as células da medula óssea de ratas com osteoporose (MO) revelaram um aumento significativo na taxa de proliferação após 7 e 10 dias (p < 0,01) em comparação às células da calvária de ratas ovariectomizadas (CO). A viabilidade celular foi maior em todos os períodos estudados dos grupos CC e CO em relação aos grupos MC e MO (p < 0,05). A atividade de fosfatase alcalina não foi significativamente diferente após 7 dias de cultura entre os grupos estudados; por outro lado, após 10 e 14 dias, observou-se uma diminuição da sua atividade no grupo MC quando comparado ao grupo CC (p < 0,01). Nas ratas com osteoporose, as células da medula óssea mostraram um aumento desta atividade quando comparada às células de calvária (p < 0,01). A análise dos nódulos mineralizados após 14 e 21 dias revelou que os grupos controle CC e MC não apresentaram diferenças significativas, ao passo que no grupo MO observou-se um aumento da mineralização quando comparado ao grupo CO nos mesmos períodos experimentais. Os resultados obtidos na análise de expressão gênica mostraram que para os genes Runx2, Oc, Alpl, Rank-l e Er&alpha; a expressão no grupo MO foi maior que no grupo MC (p < 0,05), enquanto que para as células da calvária, CC teve maior expressão gênica que CO (p < 0,05). Os genes Opg e Er&beta; apresentaram variações de acordo com o grupo avaliado. Frente aos resultados obtidos, sugere-se que existam alterações no metabolismo das células progenitoras e células diferenciadas após a indução da osteoporose e que as células da medula óssea apresentam um aumento da sua função como uma resposta compensatória neste modelo animal ovariectomizado. / Osteoporosis, a progressive bone disease, is considered a serious public health problem, being one of the most important conditions associated with aging, affecting millions of people worldwide. This multifactorial disease is characterized by reduced bone density and deterioration of bone microarchitecture. The objective of this work was to investigate the behavioral changes in mesenchymal cells from bone marrow and osteoblastic cells from calvaria bone of female rats induced to osteoporosis. After institutional review board approval, 18 Wistar female rats were used and divided into control and ovariectomized groups. After 150 days, the rats of both groups were sacrificed for collection of femurs and calvariae fragments. The cells collected from bone marrow and calvaria were cultured in 24-well plates (n=5) for the assessment of cell proliferation and viability, alkaline phosphatase (ALP) activity and detection and quantification of mineralized nodules. The data were submitted to Kruskal-Wallis and Mann-Whitney tests, with significance level set at 5%. The cells from bone marrow control group (MC) showed a significantly decrease in proliferation when compared to the cells from calvaria bone control group (CC) in all periods evaluated (p < 0,05). On the other hand, bone marrow cells from osteoporotic rats (MO) revealed a significant increase in their proliferation rate after 7 and 10 days (p < 0,01) compared to calvaria cells from ovariectomized rats (CO). Cell viability was higher in all investigated periods of CC and CO groups compared to MC and MO groups (p < 0,05). Alkaline phosphatase activity was not significantly different after 7 days of culture among the studied groups; in spite of that, after 10 and 14 days, there was a decrease in its activity in MC group when compared to CC (p < 0,01). In the osteoporotic rats, bone marrow cells showed an increase in this activity when compared to calvaria cells (p < 0,01). The analysis of mineralized nodules after 14 and 21 days revealed that control groups (CC and MC) did not have significant differences, whereas it was observed in MO group an increase in the mineralization when compared to CO in the same experimental periods. The data obtained in the analysis of gene expression showed that for Runx2, Oc, Alpl, Rank-l and Er&alpha; genes, the expression in MO group was higher than in MC (p < 0,05), whereas for the calvaria cells, CC group had higher gene expression than CO group (p < 0,05). The Opg and Er&beta; genes showed variations according to the evaluated group. Thus, it is suggested that there are changes in the metabolism of progenitor and differentiated cells after osteoporosis induction and that bone marrow cells present an enhancement of their function as a compensatory response in this ovariectomized rat model.