Queratinócitos são um veículo bastante atrativo para a transferência gênica ex vivo e liberação sistêmica uma vez que as proteínas secretadas por estas células podem atingir a circulação via um mecanismo similar ao processo natural. Um eficiente vetor retroviral (LXSN) contendo o gene do hormônio de crescimento de camundongo (mGH) foi utilizado para transduzir queratinócitos humanos primários. Os queratinócitos transduzidos apresentaram um nível de secreção in vitro alto e estável atingindo até 11 g mGH/106 células/dia. Os epitélios formados por estes queratinócitos geneticamente modificados apresentaram, porém, uma queda na taxa de secreção > 80 % quando foram retirados da placa de cultura utilizando um procedimento clássico. A substituição desta metodologia clássica por uma cultura organotípica resolveu completamente este problema. Camundongos anões imunodeficientes (lit/scid) implantados com estes enxertos organotípicos foram acompanhados durante 4 meses, e apresentaram um aumento de peso significativo (P<0,05) nos primeiros 40 dias. Níveis circulatórios de mGH atingiram um pico de 21 ng/mL 1 h após o implante, mas estes níveis rapidamente atingiram níveis basais (~2 ng/mL). Os queratinócitos humanos primários apresentaram portanto altos níveis de expressão in vitro e os maiores níveis circulatórios, porém por um breve período de tempo, reportados até o momento para GH neste tipo de células. Em conjunto com resultados que mostraram uma recuperação considerável da eficiência de secreção de mGH em cultura por enxertos organotípicos retirados dos animais, foram discutidos os fatores que ainda impedem a utilização clínica deste modelo promissor de terapia gênica cutânea. / Keratinocytes are a very attractive vehicle for ex vivo gene transfer and systemic delivery, since proteins secreted by these cells may reach the circulation via a mechanism which mimics the natural process. An efficient retroviral vector (LXSN) encoding the mouse growth hormone gene (mGH) was used to transduce primary human keratinocytes. Organotypic raft cultures were prepared with these genetically modified keratinocytes and were grafted onto immunodeficient dwarf mice (lit/scid). Transduced keratinocytes presented a high and stable in vitro secretion level of up to 11 g mGH/106cells/day. Conventional epidermal sheets made with these genetically modified keratinocytes, however, showed a drop in secretion rates of > 80% simply due to detachment of the epithelium from its substratum. Substitution of conventional grafting methodologies with organotypic raft cultures completely overcame this problem. The stable long-term grafting of such cultures onto immunodeficient dwarf (lit/scid) mice could be followed for more than 4 months, and a significant weight increase (P<0.05) over the control group was observed in the first 40 days. Circulating mGH levels revealed a peak of 21 ng/mL just 1h after grafting, but unfortunately these levels rapidly fell to baseline values (~ 2 ng/mL). mGH-secreting primary human keratinocytes presented the highest in vitro expression and peak circulatory levels reported to date for a form of GH with this type of cells. Together with data showing that excised implants can recover in culture a remarkable fraction of their original in vitro mGH secretion efficiency, the factors that might still hamper the success of this promising model of cutaneous gene therapy are discussed. SUMÁRIO

O melanoma representa menos de 5% de todos os cânceres de pele, porém, quando em estádio metastático possui prognóstico ruim. Entretanto, o genótipo dos melanomas pode prover uma oportunidade para intervenção terapêutica pelo fato de 90% dos casos de melanoma possuem p53 selvagem e grande parte destes possuem deleção na região cromossômica codificadora de interferon beta. Em prévios estudos, desenvolvemos o vetor adenoviral AdRGD-PG que fornece expressão do transgene em resposta à p53 através do promotor PG e ainda o tripeptídeo RGD, que possibilita que o adenovírus transduza uma maior gama de células pela alteração de seu mecanismo de entrada. Temos utilizado este vetor para entrega da versão murina de interferon beta em modelos de terapia gênica e imunoterapia de melanoma murino, revelando uma significativa habilidade do interferon beta em inibir a proliferação celular in vitro e in vivo e promover resposta imune antitumoral. No presente trabalho, os esforços se aplicam em adaptar essa estratégia em modelo de melanoma humano para observar se a mesma interação é encontrada. O vetor AdRGD-PGhIbeta, portador do cDNA de interferon beta humano (hIbeta) foi construído e expressão do transgene observada após transdução das linhagens estabelecidas de melanoma humano SK-MEL-05 e SK-MEL-147 (ambas p53 selvagem). Foi observado um robusto efeito antitumoral in vitro onde transferência de hIbeta promoveu acumulo de células hipodiploides (mais que 80% da população celular 96 horas após transdução) e evidências de morte por apoptose (exposição de fosfatidilserina e atividade de caspases 3/7) em ambas as linhagens. Nas duas linhagens, o efeito bystander foi demonstrado quando a presença de poucas células transduzidas (ex., 10%) foi suficiente para promover o acumulo significativo de células hipodiploides (mais que 40% neste exemplo). Em modelo de terapia gênica in situ utilizando células SK-MEL-147, também foi observado forte efeito antitumoral da hIbeta com total remissão do tumor de todos os animais tratados sem recidiva durante noventa dias. A presença de hIbeta na circulação dos animais foi confirmada 48h após o tratamento com AdRGD-PG hbeta mas presente em somente dois de sete animais 90 dias após o tratamento, sugerindo que o tratamento inicial e não um efeito off target foi responsável pela resposta. Com a finalidade de investigar efeitos colaterais do sequestro do vetor adenoviral pelo fígado, observamos a concentração circulante das enzimas aminotransferase de aspartate e aminotransferase de alanine (AST e ALT, respectivamente), que se mostrou não alterada quando comparadas entre animais que receberam injeção do vetor tratamento, vetor controle e solução salina. Com nossos resultados concluímos que vetores adenovirais carreando interferon-beta humano são capazes de transduzir a linhagem de melanoma SK-MEL-147 in vitro e in vivo, promovendo efeito bystander e remissão tumoral sem indução de efeitos adversos / Melanoma represents less than 5% of all cases of skin cancer, although, when metastatic, prognosis is dire. However, the genotype of melanomas might provide an opportunity for therapeutic intervention since 90% of melanoma cases possess wild-type p53 and a great portion of these possess deletion of the chromosomal region encoding interferon beta. In previous studies, we developed the adenoviral vector AdRGD-PG that supplies expression of the transgene in response to p53 through the PG promoter and that utilizes the RGD tripeptide, allowing the adenovirus to transduce a wider range of cells due to the alterated mechanism of entrance. We have used this vector to deliver the murine version of interferon beta in murine models of melanoma gene therapy and immunotherapy, revealing a significant ability of interferon beta to inhibit cellular proliferation in vitro and in vivo and promote an anti-tumor immune response. In the present project, we aimed to adapt this strategy for a human melanoma model in order to reveal if the same impact will be observed. The AdRGD-PGhIbeta vector encoding the human interferon beta (hIbeta) cDNA was constructed and expression of the transgene confirmed after transduction of the established human melanoma cell lines SK-MEL-05 and SK-MEL-147 (both wild-type p53). A striking anti-tumor effect was observed in vitro where the transfer of hIbeta promoted an accumulation of hypodiploid cells (over 80% of the cellular population 96 hours after transduction) and evidence of death by apoptosis (exposure of phosphatidylserine and activity of caspases 3/7) in both cell lines. In these cell lines, a bystander effect was demonstrated when the presence of few transduced cells (ex., 10%) was enough to promote significant accumulation of hypodiploid cells (over 40% in this example). In a model of in situ gene therapy using SK-MEL-147 cells, hIbeta induced a strong anti-tumor effect including total tumor remission in all treated animals without relapse during ninety days. The presence of hIbeta in the circulation of the animals was confirmed 48h after treatment with AdRGD-PGhIbeta, but was present in only two of the seven animals 90 days post-treatment, suggesting that the initial treatment, not off target effects, was responsible for the response. With the goal of investigating collateral effects of adenoviral sequestration by the liver, we assayed the circulating concentration of aspartate aminotransferase and alanine aminotransferase (AST and ALT, respectively), which showed no alteration when compared with animals that received the treatment with a control vector or saline solution. We conclude that our adenoviral vector carrying human interferon-beta is capable of transducing the human melanoma cell line SK-MEL-147 in vitro and in vivo, promoting a bystander effect and tumor remission without inducing adverse effects

A comprovação de que siRNA pode ser usado para supressão de genes em diferentes células de mamíferos atraiu grande atenção como nova possibilidade de tratamento para diversas doenças. No entanto, para aplicação terapêutica de siRNA é necessário o desenvolvimento de um sistema de liberação efetivo e não tóxico, que permita a captação celular do siRNA e também que evite a sua degradação por enzimas. A capacidade de supressão de genes promovido pelo siRNA depende tanto do número de moléculas de siRNA transfectadas quanto da taxa de duplicação da célula. Uma das formas farmacêuticas que vem sendo amplamente utilizadas na literatura com o objetivo de prolongar e proteger a liberação de fármacos são as formulações com capacidade de formação de gel in situ. Desta forma, a presente pesquisa teve por objetivo o desenvolvimento farmacotécnico de formulações líquido cristalinas com formação de gel in situ após administração por via subcutânea para veiculação sustentada de siRNA. Misturas adequadas de monoleína, propilenoglicol, tampão Tris e polietilenoimina ou oleilamina (polímero e lipídeo catiônico, respectivamente) formaram sistemas precursores capazes de se geleificar in situ com excesso de água e, como demonstrado pelo estudo de absorção de água, a formação do gel é um processo rápido. As formulações desenvolvidas também foram eficientes para complexar o siRNA comprovando a importância da incorporação dos aditivos catiônicos aos sistemas. A liberação in vitro dos sistemas líquido cristalinos mostraram que a liberação é dependente da taxa de absorção de água e os estudos in vivo em modelo animal para avaliação da formação do gel in situ e toxicidade demonstraram que o gel se forma in vivo com a absorção de água dos fluidos corporais, sendo biodegradável e biocompatível. Os sistemas desenvolvidos mostraram-se promissores para o tratamento de doenças onde a administração localizada e sustentada de siRNA é necessária. / The evidence that siRNA can be used for suppression of genes in different mammalian cells attracted wide attention as a new possibility of treatment for various diseases. However, for siRNA therapeutic application is necessary to develop an effective non-toxic delivery system, which facilitate the siRNA cell uptake and avoid its degradation by enzymes. The genes suppression promoted by siRNA depends on the number of siRNA molecules transfected as the cell replication rate. One of the dosage forms that have been widely used in literature in order to prolong and protect the drug release is the in situ gelling formulations. Thus, the present study aimed the development and characterization of the in situ gelling liquid crystal-based systems for subcutaneous application of siRNA in gene therapy. Appropriate mixtures of monoolein, propylene glycol, Tris buffer and polyethyleneimine or oleylamine (cationic polymer and lipid, respectively) was able to form precursor formulation that gelling in water excess and, as demonstrated by the swelling studies, the gel formation is a fast process. The developed formulations were also effective for complexing the siRNA, indicating the importance of the incorporation of cationic additives in the systems. The in vitro release study showed that the release is dependent on the water absorption rate. In vivo studies in animal models have shown the gel is formed in vivo after water uptake of body fluids, and it is biodegradable and biocompatible. The systems developed are promising for the treatment of diseases where the local and sustained administration of siRNA is necessary.

Queratinócitos são células bastante atrativas para a transferência gênica ex vivo e liberação sistêmica, uma vez que as proteínas secretadas por estas células podem atingir a circulação via um mecanismo similar ao processo natural. No presente trabalho, queratinócitos transduzidos mediante um vetor retroviral com o gene do hormônio de crescimento de camundongo (mGH) foram submetidos a um tratamento de aderência ao colágeno e à análise clonal, com o intuito de enriquecer esta população de queratinócitos em células-tronco. O principal resultado foi um aumento da viabilidade celular in vitro dos queratinócitos tratados, que poderá se refletir num aumento da durabilidade da secreção do hormônio in vivo, quando realizado o implante de culturas organotípicas em camundongos anões imunodeficientes (lit/scid). Foi também utilizado um modelo de terapia gênica in vivo, baseado na eletrotransferência de DNA plasmidial (naked DNA), contendo o gene do hormônio de crescimento humano (hGH), no músculo quadríceps de camundongos anões (lit/lit) e anões imunodeficientes (lit/scid). Foram padronizadas as condições de eletroporação em 8 pulsos de 50 V e 20 ms com 0,5 s de intervalo, utilizando um plasmídeo com o promotor da ubiquitina C e a sequência genômica do hGH. A administração de uma dose única de 50 g do plasmídeo pUC-UBI-hGH em camundongos lit/scid, seguida de eletroporação, propiciou pela primeira vez na literatura obtenção de níveis sustentáveis na circulação de 1,5-3,0 ng hGH/ml, durante 60 dias. Esses animais tratados com DNA apresentaram um aumento de peso altamente significativo (P<0,001) de 33,1%, comparado a uma perda de peso, não significativa, no grupo controle (camundongos injetados com salina + eletroporação). Os músculos quadríceps dos animais tratados apresentaram um aumento de 48%, quando comparados aos dos animais do grupo controle (P<0,001). Outro estudo de eletrotransferência foi realizado comparando a utilização da sequência genômica do hGH (gDNA) com a complementar (cDNA), em plasmídeos sob o controle do promotor de citomegalovírus (CMV). Foi observado que o cDNA do hGH foi expresso de maneira mais eficiente na circulação de camundongos lit/scid, por um período de 21 dias. Foram também construídos vetores lentivirais com os genes do hGH (cDNA e gDNA) e do mGH (cDNA), que serão utilizados num próximo estudo, tanto para a transdução de queratinócitos, como para a eletrotransferência in vivo. Vetores lentivirais serão de fato necessários para futuros estudos devido a sua reduzida toxicidade em comparação com os retrovirais. Os resultados deste trabalho, assim como as perspectivas de estudo abertas, têm como meta estabelecer condições para que a terapia gênica seja num futuro próximo uma alternativa viável e segura para o tratamento da deficiência de GH e de outras doenças sistêmicas. / Keratinocytes are very attractive cells for ex vivo gene transfer and systemic delivery, since proteins secreted by these cells may reach the circulation via a mechanism which mimics the natural process. In this study, retrovirally transduced keratinocytes with the mouse growth hormone (mGH) gene underwent a treatment for adhesion to collagen and clonal analysis, in order to enrich in stem cells the keratinocyte population. The main result was an in vitro increase of cell viability for treated keratinocytes, which should result in an increase of the in vivo sustainability of hormone secretion, when implanting organotypic cultures onto immunodeficient dwarf (lit/scid) mice. A model for in vivo gene therapy based on the electrotransfer of human growth hormone (hGH)-coding naked DNA in the exposed quadriceps muscle of dwarf (lit/lit) and immunodeficient dwarf (lit/scid) mice was also utilized. Electroporation conditions were optimized, setting up eight 50-V pulses of 20 ms at a 0.5 s interval, using a plasmid containing the ubiquitin C promoter and the genomic hGH sequence. Administration of a single dose of 50 g of this plasmid led, for the first time in the literature, to sustained levels of circulating hGH of the order of 1.5-3 ng/ml, up to 60 days. The DNA-treated animals presented a highly significant weight gain (P<0.001) of 33.1%, compared to a non-significant weight loss of 4.2% for the control group (saline injected mice + electroporation). The injected quadriceps muscles of the DNA-treated mice showed a 48% weight increase, when compared to the control group (P<0.001). Another electrotransfer study was carried out comparing the use of the genomic hGH sequence (gDNA) with the complementary sequence (cDNA), cloned under the control of the cytomegalovirus (CMV) promoter. It was observed that hGH was more efficiently expressed in the circulation of lit/scid mice, for 21 days, when injecting cDNA. Lentiviral vectors containing the hGH (cDNA and gDNA) and the mGH (cDNA) genes were also constructed and will be used in a next study, both for the transduction of keratinocytes or for in vivo electrotransfer. Lentiviral vectors will in fact be necessary for future studies, considering their reduced toxicity when compared to retroviral vectors. The results of this work, as well as opening perspectives of new studies, will establish in the near future conditions for gene therapy as a feasible and safe option for the treatment of GH deficiency and other systemic diseases.

Níveis sustentáveis de hormônio de crescimento humano (hGH) circulante e aumento de peso altamente significativo, avaliados também em comparação a repetidas injeções de hormônio, foram observados em trabalhos anteriores, baseados na eletrotransferência de DNA plasmidial no músculo de camundongos anões imunodeficientes (lit/scid). No presente trabalho, um modelo animal homólogo de terapia gênica para GH foi estudado mediante clonagem da sequência genômica do DNA de GH de camundongo (mGH-gDNA), a qual substituiu o hGH-gDNA no vetor que havia sido utilizado em camundongos anões imunodeficientes. O novo vetor, agora nomeado UBI-mGH-gDNA, foi utilizado em camundongos anões imunocompetentes (lit/lit). Foi primeiramente realizado um teste in vitro, transfectando-se células humanas HEK 293 com este plasmídeo e obtendo-se uma expressão de 3,0 &mu;g mGH/106 células/dia, contra 3,7 &mu;g mGH/106 células/dia, para o UBI-hGH-gDNA. Estes dois plasmídeos foram então injetados (50 &mu;g/animal) no músculo quadríceps de camundongos, seguido de eletroporação, realizando um ensaio de 94 dias. Enquanto após 15 dias, as inclinações das curvas de variação de peso relacionadas ao mGH, hGH e salina foram 0,130, 0,112 e 0,027 g/camundongo/dia, respectivamente, após 94 dias, as inclinações correspondentes foram 0,041, 0,028 e 0,033 g/camundongo/dia. As análises estatísticas mostraram que após 15 dias, as inclinações das duas curvas com o GH foram significativamente maiores que a inclinação do controle (P<0,001), enquanto que após 94 dias, somente a inclinação da curva do mGH foi maior que a do controle (P<0,005). A porcentagem de aumento de peso nos animais tratados com o gene do mGH, após 94 dias, foi de 34,3%, enquanto que o comprimento nariz-cauda e o comprimento do fêmur, dois parâmetros que medem diretamente o crescimento longitudinal, foram de 9,5% e 26%, respectivamente, quando comparados aos valores iniciais. A interrupção do crescimento progressivo do grupo tratado com hGH não foi inesperada, considerando a óbvia reação imunogênica dos animais imunocompetentes contra o GH humano e não contra o de camundongo (título do anticorpo anti-hGH 1:100 a 1:3200). A inclinação altamente positiva do grupo controle, já observada em camundongos lit/lit mas não em lit/scid, é provavelmente devida ao ganho de peso natural desta linhagem, não suportada, contudo, por um proporcional crescimento longitudinal. Níveis circulatórios de mGH da ordem de 4 ng/mL foram detectados após 15 dias para o grupo tratado com o mGH, enquanto o grupo controle apresentou níveis em torno de 0,7 ng mGH/mL (P<0,001). Níveis circulatórios de mIGF-I foram também determinados nos dias 15, 45 e 94 nos animais tratados com mGH, sempre mostrando valores 1,5 - 3,0 vezes maiores que o grupo controle, e valores 1,2-1,6 vezes maiores que o grupo tratado com hGH. Este modelo de tratamento homólogo pode ser considerado uma primeira abordagem e um importante suporte para futuros ensaios pré-clínicos baseados na administração de DNA plasmidial para o tratamento da deficiência de GH humano. / Sustained levels of circulating human growth hormone (hGH) and highly significant weight increases, also found comparable to repeated hormone injections, were observed in previous works, after electrotransfer of naked plasmid DNA into the muscle of immunodeficient dwarf mice (lit/scid). In the present work an homologous animal model for GH gene therapy was studied by cloning the genomic sequence of mouse GH-DNA (mGH-gDNA), which substituted hGH-gDNA in the plasmid that had been used in immunodeficient dwarf mice, now named UBI-mGH-gDNA and used in immunocompetent dwarf mice (lit/lit). An in vitro test was first carried out by transfecting HEK 293 human cells with this plasmid and obtaining an expression of 3.0 &mu;g mGH/106 cells/day, against 3.7 &mu;g /106 cells/day obtained with UBI-hGH-gDNA. The same two plasmids DNA (50 &mu;g/mouse) were then injected into the quadriceps muscle of lit/lit, followed by electroporation, carrying out a 94-day assay. While after 15 days the slopes of the weight variation curves related to mGH, hGH and saline were 0.130, 0.112 and 0.027 g/mouse/day respectively, after 94 days the corresponding slopes were 0.041, 0.028 and 0.033 g/mouse/day. Statistical tests showed that after 15 days the slopes of both GH curves were significantly higher than the control (P<0.001), while after 94 days only the slope of the mGH curve was significantly higher than the control (P<0.005). Weight increase for mGH-treated mice, after 94 days, was 34.3%, while nose-to-tail and femur length, both directly measuring longitudinal growth, increased 9.5% and 26.0%, respectively, when compared to the initial values. The progressive growth arrest of the hGH-treated mice was not unexpected, considering the obvious immunogenic reaction of the immunocompetent animals against human and not against mouse GH ( anti-hGH antibody title 1:100 to 1:3200). The highly positive slope of the control group, already observed in lit/lit but never in lit/scid, is probably due to the natural weight gain of this strain, not supported, however, by a proportional longitudinal growth. mGH circulating levels of the order of 4 ng/mL were detected after 15 days for mGH-treated mice, while the control presented levels around 0.7 ng mGH/mL (P<0.001). Mouse IGF-I serum levels were also determined on day 15, 45 and 94 in mGH-treated mice, always showing 1.5-3.0 fold higher values than the control and 1.2-1.6 fold higher values than hGH-treated mice. This homologous treatment model can be considered a first approach and an important support to the preclinical testing of naked DNA administration for the treatment of human GH deficiency.

Queratinócitos são um veículo bastante atrativo para a transferência gênica ex vivo e liberação sistêmica uma vez que as proteínas secretadas por estas células podem atingir a circulação via um mecanismo similar ao processo natural. Um eficiente vetor retroviral (LXSN) contendo o gene do hormônio de crescimento de camundongo (mGH) foi utilizado para transduzir queratinócitos humanos primários. Os queratinócitos transduzidos apresentaram um nível de secreção in vitro alto e estável atingindo até 11 g mGH/106 células/dia. Os epitélios formados por estes queratinócitos geneticamente modificados apresentaram, porém, uma queda na taxa de secreção > 80 % quando foram retirados da placa de cultura utilizando um procedimento clássico. A substituição desta metodologia clássica por uma cultura organotípica resolveu completamente este problema. Camundongos anões imunodeficientes (lit/scid) implantados com estes enxertos organotípicos foram acompanhados durante 4 meses, e apresentaram um aumento de peso significativo (P<0,05) nos primeiros 40 dias. Níveis circulatórios de mGH atingiram um pico de 21 ng/mL 1 h após o implante, mas estes níveis rapidamente atingiram níveis basais (~2 ng/mL). Os queratinócitos humanos primários apresentaram portanto altos níveis de expressão in vitro e os maiores níveis circulatórios, porém por um breve período de tempo, reportados até o momento para GH neste tipo de células. Em conjunto com resultados que mostraram uma recuperação considerável da eficiência de secreção de mGH em cultura por enxertos organotípicos retirados dos animais, foram discutidos os fatores que ainda impedem a utilização clínica deste modelo promissor de terapia gênica cutânea. / Keratinocytes are a very attractive vehicle for ex vivo gene transfer and systemic delivery, since proteins secreted by these cells may reach the circulation via a mechanism which mimics the natural process. An efficient retroviral vector (LXSN) encoding the mouse growth hormone gene (mGH) was used to transduce primary human keratinocytes. Organotypic raft cultures were prepared with these genetically modified keratinocytes and were grafted onto immunodeficient dwarf mice (lit/scid). Transduced keratinocytes presented a high and stable in vitro secretion level of up to 11 g mGH/106cells/day. Conventional epidermal sheets made with these genetically modified keratinocytes, however, showed a drop in secretion rates of > 80% simply due to detachment of the epithelium from its substratum. Substitution of conventional grafting methodologies with organotypic raft cultures completely overcame this problem. The stable long-term grafting of such cultures onto immunodeficient dwarf (lit/scid) mice could be followed for more than 4 months, and a significant weight increase (P<0.05) over the control group was observed in the first 40 days. Circulating mGH levels revealed a peak of 21 ng/mL just 1h after grafting, but unfortunately these levels rapidly fell to baseline values (~ 2 ng/mL). mGH-secreting primary human keratinocytes presented the highest in vitro expression and peak circulatory levels reported to date for a form of GH with this type of cells. Together with data showing that excised implants can recover in culture a remarkable fraction of their original in vitro mGH secretion efficiency, the factors that might still hamper the success of this promising model of cutaneous gene therapy are discussed. SUMÁRIO

Orientador: Rubens de Figueiredo Camargo / Resumo: Câncer é umas das maiores causas de mortalidade mundial. Os tratamentos mais convencionais, tais como quimioterapia e radioterapia, além de debilitarem muito o paciente também matam as células normais. Em contrapartida, e em fase de tratamento experimental e ensaios clínicos, a terapia gênica tem poucos efeitos colaterais e provoca a morte seletiva das células tumorais. Este trabalho apresenta alguns conceitos do Cálculo Fracionário e o Método de Grünwald-Letnikov para simulação numérica de Equações Diferenciais Fracionárias, também estuda alguns modelos matemáticos de ordem inteira e não inteira, com derivada temporal de Caputo, que visam descrever o tratamento por terapia gênica. A análise de estabilidade e as simulações numéricas exibiram que mudanças no cenário da dinâmica tumoral estão relacionadas com a ordem da derivada fracionária, no qual observou-se uma atuação mais eficiente do tratamento quando o modelo está associado com ordens menores da derivada fracionária. / Abstract: Cancer is one of the biggest causes of worldwide mortality. Conventional treatments, such as chemotherapy and radiotherapy, in addition to weakening the patient also kill normal cells. On the other hand, in experimental treatments and clinical trials, gene therapy has few side effects and causes selective killing of tumor cells. This work presents some concepts of the Fractional Calculus and the Grünwald-Letnikov Method for numerical simulation of Fractional Differential Equations, also studies some mathematical models of integer order and non-integer order, with temporal derivative of Caputo, that aim describe the treatment by gene therapy. Stability analysis and numerical simulations have shown that changes in the scenery of the tumor dynamics are related to the order of the fractional derivative, in which a more efficient treatment performance was observed when the model is associated with smaller orders of the fractional derivative. / Doutor

Objetivos: Os objetivos deste estudo foram: 1) determinar a eficácia da transferência gênica do vetor de adenovírus sorotipo 5, carreando o gene do receptor do fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) solúvel humano (sVEGFR1) para a glândula lacrimal (GL); 2) investigar se a expressão de sVEGFR1 interfere na neovascularização da córnea (NVC), induzida por queimadura alcalina; 3) avaliar a segurança do procedimento. Métodos: Trinta e dois ratos Wistar foram submetidos à queimadura central da córnea direita com solução de hidróxido de sódio (NaOH) 1 M. Os animais foram divididos em três grupos e injetados diretamente em sua GL direita 25 ?l de vetores virais AdVEGFR1 (1x1010 pfu) (12 animais), 25 ?l do vetor AdNull (1x1010pfu) (10 animais), ou 25 ?l de solução salina (Controle). Após sete dias, a NVC foi observada e fotografada na lâmpada de fenda. A secreção lacrimal foi medida com fenol. A presença do sVEGFR1 na GL foi testada por qPCR (quantitative polymerase chain reaction) e a coloração, por imunofluorescência. O qPCR foi também utilizado para comparar o RNA mensageiro (RNAm) de ilterleucina-1beta (IL-1?), ilterleucina-6 (IL-6) e fator de necrose tumoral alfa (TNF-?) na GL e no gânglio do trigêmeo (GT). Resultados: O vetor AdVEGFR1 transfectou 83% dos ratos. O sVEGFR1 estava presente nas células acinares da GL. A NVC foi prevenida em nove de doze animais do grupo AdVEGFR1, em comparação com o grupo Ad-Null (3:10) e o grupo Controle (1:10) (p=0,0317). A secreção lacrimal e o RNAm das citocinas na GL e no GT foram semelhantes nos três grupos (p>0,05). Conclusões: A transferência gênica do vetor adenoviral para a GL demonstrou expressão local do sVEGFR1 humano, e evitou a NVC na maioria dos olhos expostos a queimaduras alcalinas, se mostrando seguro para a estrutura e função da GL. / Purpose: The aims of this study were: 1) to determine the efficacy of adenovirus vector serotype 5 (Ad) encoding human soluble VEGF receptor 1 (sVEGFR1) gene transfer to the lacrimal gland (LG); 2) to investigate whether expression of sVEGFR1 acts in corneal neovascularization (CNV), induced by alkali burn and; 3) to evaluate the safety of the procedure. Methods: AdVEGFR1viral vectors (25 ?l, 1x1010pfu) were injected in the right LG of rats and compared with AdNull vector (25 ?l, 1x1010pfu) or 25?l saline (Control) before cornea alkali burn with 1 M NaOH. After seven days, CNV was observed and photographed in the slit lamp. Tear secretion was measured with phenol red thread. The animals were tested for human VEGFR1 mRNA and protein in the LG by qPCR and immunofluorescence staining, respectively. qPCR was also used to compare the mRNA of IL-1?, IL-6, and TNF-? in LG and ipsilateral trigeminal ganglion (TG). Results: Ad-VEGFR1 transfected 83% of the rats. VEGFR1 was present in LG acinar cells. CNV was prevented in 9 of 12 animals of Ad-VEGFR1 group, compared to Ad-Null (3:10) and Control (1:10) (p=0.0317). The tear secretion and the cytokines mRNA in LG and TG were similar all three groups (p>0.05). Conclusion: Adenoviral vector gene transfer to LG as the has shown local expression of human sVEGFR1, as It prevented CNV in most of the eyes exposed to alkali burn and was safe for LG structure and function.

As doenças genéticas degenerativas atingem milhões de crianças em todo o mundo. Dentre essas doenças, a distrofia muscular, caracterizada como uma doença monogênica poderia ser tratada na sua origem através da terapia gênica. Assim, este estudo propõe à correção da mutação no gene da distrofina, causador da distrofia muscular através de modificações genéticas específicas. A criação de novas classes de terapêuticos que podem desencadear rearranjos no DNA genômico de maneira específica representa uma nova promessa para experimentos em terapia gênica. A tecnologia usada foi o RNA interferente (RNAi) que é utilizada para regulação da expressão gênica pós-transcricional. A Ku 70 é uma das proteínas específicas para a recombinação não homóloga, o RNAi foi usado na tentativa de atenuar a Ku70, prevalecendo então a expressão da recombinação homóloga, com intuito de corrigir a mutação gênica causadora da distrofia muscular em cães. Para tal avaliação, utilizamos linhagens de células tronco (CT) mesenquimais recentemente isoladas, oriundas de populações mononucleares da médula óssea de cães jovens afetados pela distrofia muscular, apresentando bons resultados em cultivo e caracterização. Este trabalho proporciona além da criação de uma nova terapêutica específica para a correção da distrofia muscular, o aumento do conhecimento e entendimento na indução de modificações genômicas em células, no desenvolvimento de novas classes de agentes terapêuticos moleculares que representam um grande potencial em estudos e no tratamento de várias doenças genéticas e infecciosas, degenerativas ou adquiridas. O presente trabalho apresenta métodos de isolamento e caracterização de células tronco-mesenquimais bem como a utilização de RNAi visando promover a recombinação homóloga entre o DNA transfectado e o alvo no DNA genômico. / The degenerative genetic diseases affect millions of children around the world. Among these diseases, muscular dystrophy, characterized as a monogenic disease can be treated at its source through gene therapy. Thus, this study proposes the correction of the gene that causes muscular dystrophy through genetic modification specific. The creation of new classes of therapeutics that can trigger rearrangements in the genomic DNA in a specific manner represents a new promise for gene therapy experiments. The technology will be used by RNA interference (RNAi) and that used to regulate gene expression post-transcriptional. The 70 Ku is a protein specific to the non-homologous recombination, RNAi was used in an attempt to mitigate the Ku70, then the prevailing expression of homologous recombination, aiming to correct the mutation that causes muscular dystrophy in dogs. For this evaluation, we use mesenchymal stem cell lines recently isolated populations derived from bone marrow mononuclear cells of young dogs affected by muscular dystrophy, presenting good results in characterization and culture. This work also provides the creation of a new specific therapy for the correction of muscular dystrophy, increased knowledge and understanding in the induction of genomic changes in cells in the development of new classes of molecular therapeutic agents have great potential in studies and treatment of various genetic and infectious diseases, degenerative or acquired. This paper presents methods for isolation and characterization of mesenchymal stem cells and the use of RNAi to promote homologous recombination between transfected DNA and genomic target DNA.

Um dos principais limitantes do desenvolvimento de protocolos eficientes de terapia gênica e vacinação com DNA provém da baixa eficiência de transferência gênica por parte dos vetores não-virais. Isso surge, principalmente, pela dificuldade de transporte de DNA estrangeiro do exterior para o núcleo das células alvo, devido à presença de inúmeras barreiras. O principal objetivo do trabalho realizado foi o desenvolvimento e caracterização de novos vetores não virais multifuncionais, capazes de realizar eficientemente a entrega de material genético (DNA plasmidial, pDNA) ao núcleo de células de mamífero (HeLa). Para esse fim, complexos binários (CBs) foram formados combinando-se pDNA à protamina ou proteínas recombinantes (TRP3) anteriormente desenvolvidas por nosso grupo. Foi também estudado o encapsulamento destes CBs em lipossomas catiônicos, formados pelos lipídios EPC:DOPE:DOTAP, gerando então complexos pseudo-ternários (CPTs). Os estudos com a protamina revelaram que os CPTs formados apresentavam tamanhos relativamente pequenos (< 123 nm) e com valores de potencial zeta, variando de +22,8 mV a +36,3 mV, nas várias relações mássicas (pDNA:protamina) estudadas (1:0,5; 1:0,7, 1:0,9 e 1:1). Os ensaios de transfecção mostraram que o CPT na relação 1:0,5 (CB) obteve o melhor nível de transfecção das células (17,1%) com um nível de viabilidade celular de 73,2%. Os ensaios utilizando a TRP3 mostraram que os CPTs formados adquiriram tamanhos pequenos (< 134 nm) e valores de potencial zeta entre +36,8 mV e +11,9 mV dependendo da relação mássica do CB (1:1, 1:30 e 1:60). Os ensaios de transfecção mostram que os CPTs formados com a TRP3 aumentaram o nível de transfecção em todas as relações de pDNA-TRP3 usadas (1:1; 1:30 e 1:60). Vale ressaltar que nas relações mássicas 1:30 e 1:60 houve um aumento significativo na transfecção (25,2% e 24,5%, respectivamente). Os ensaios de citotoxicidade mostram que os CBs não afetaram a viabilidade célular, entretanto quando combinada ao lipossoma foi observado aumento da citotoxicidade. Finalmente, os resultados indicam que a TRP3 associada ao lipossoma (CPTs) aumenta a eficiência de entrega de pDNA sugerindo um efeito sinérgico entre essas duas moléculas na superação das várias barreiras físicas, químicas e difusionais encontradas na célula. / One of the major challenges on the development of efficient protocols for gene therapy and DNA vaccination is the low efficiency of gene transfer by non viral vectors. This is mainly attributed to the fact that, during the traffic to target cells nuclei, plasmid vectors must overcome a series of physical, enzymatic and diffusional barriers. The objective of this work was the development and characterization of new multifunctional non-viral vectors, based on lipids and proteins, able to delivery efficiently the foreign pDNA (plasmid DNA) to the nucleus of mammalian cells. A model pDNA containing the reporter gene GFP was complexed to protamine or the recombinant protein (TRP3), forming binary complexes (BC). In addition, we studied the ability of the cationic liposomes (EPC:DOPE:DOTAP) to encapsulate this binary complexes to form pseudo-ternary complexes (PTCs). The studies of size (DLS) and zeta potential revealed that both proteins were able to condense pDNA to form small complexes (BCS and PTCs) (~100 nm) and positively charged (+11,9 mV a +36,8 mV), both interesting characteristics for transfections. However, the CPTs formed by TRP3 was that showed the highest transfections level (25,3%). The cytotoxicity assays indicated the BCs had a low effect on the cell viability. On the other hand, the biggest effect on cell death was found when PTCs were used. The results indicated the TRP3 associated to liposomes (PTCs) increased the delivery efficiency due to differences in the intracellular trafficking, suggesting a synergic effect between these different molecules in the vector in order to overcome the barriers found inside the cell.