En los últimos años nuestro grupo ha estudiado las diferentes vías de señalización inducidas por TGF-β en hepatocitos fetales de rata. A dosis bajas, el TGF-β inhibe el crecimiento, pero a concentraciones más elevadas es capaz de inducir apoptosis (Sanchez et al. 1995; Sanchez et al. 1996). El proceso apoptótico está mediado por un incremento en el contenido intracelular de ROS, dependiente de la síntesis de novo de proteínas, y que correlaciona con una caída en los niveles intracelulares de glutatión (Sanchez et al. 1997). La muerte inducida por TGF-β en estas células se correlaciona con un descenso en los niveles de Bcl-xL, la despolarización de la membrana mitocondrial, la salida de citocromo c y posterior activación de caspasas (Herrera et al. 2001a; Herrera et al. 2001b). El incremento de ROS intracelulares se produce por activación de un sistema NADPH oxidasa y por disminución en la expresión de proteínas antioxidantes (Herrera et al. 2004). Recientemente hemos descrito que la NADPH oxidasa NOX4 se induce en condiciones pro-apoptóticas (Carmona-Cuenca et al. 2006), pero otras NADPH oxidasas podrían jugar un papel diferente en la señalización inducida por TGF-β (Murillo et al., 2007). La muerte inducida por TGF-β puede ser inhibida por EGF a través de la activación de PI3K (Fabregat et al. 2000), que contrarresta la expresión de Nox4 (Carmona-Cuenca et al. 2006). Sin embargo, el 40-50% de las células sobreviven a los efectos apoptóticos del TGF-β y adquieren una morfología fibroblastoide (Sanchez et al. 1999). Esto es debido a que el TGF-β también induce señales anti-apoptóticas en los hepatocitos fetales, proceso que requiere la activación del EGFR, producida por un aumento en los niveles de expresión de sus ligandos y activación de la metaloproteasa TACE/ADAM17 que los proteoliza y activa (Valdes et al. 2004; Murillo et al. 2005; Del Castillo et al. 2006; Murillo et al. 2007). Las células que sobreviven al TGF-β responden a esta citoquina en términos de migración e invasión, disminuyendo la expresión de marcadores hepáticos (Sanchez et al. 1999), e induciendo un proceso de EMT (Valdes et al. 2002). La población mesenquimática resultante es resistente a la muerte inducida por TGF-β, ha sufrido un proceso de desdiferenciación y expresa marcadores de célula madre (Del Castillo et al. 2006; del Castillo et al. 2008). Esta población puede rediferenciarse tanto a un linaje hepatocítico como hacia células biliares cuando se mantienen con los medios de diferenciación adecuados. Por último, resultados preliminares al inicio de esta tesis doctoral proponían que la doble respuesta al TGF-β observada en hepatocitos fetales de rata en cultivo primario era exclusiva de este estadio del desarrollo hepático, ya que en hepatocitos adultos de rata el TGF-β sólo inducía apoptosis. La incapacidad del TGF-β de inducir señales de supervivencia parece deberse a la baja expresión de AKT y de TACE observada en hepatocitos adultos. Además, el TGF-β era incapaz de inducir un proceso de EMT en hepatocitos adultos de rata. A la vista de estos resultados se consideró de gran importancia analizar cuál podría ser la respuesta al TGF-β en células tumorales hepáticas. Así, nuestro principal objetivo en esta tesis ha sido analizar si las células de carcinoma hepatocelular responden a la muerte celular inducida por el TGF-β, y en el caso de que hayan adquirido resistencia, estudiar los mecanismos moleculares que la confieren. También queríamos saber si el TGF-β induce señales de supervivencia y un proceso de EMT en células tumorales hepáticas, y la relevancia de este proceso en la progresión del tumor hepático. Aunque quisimos iniciar el estudio con células de hepatoma de rata, debido a nuestra experiencia en este modelo de celular, consideramos muy importante también analizar la situación en células tumorales de hígado humano, ya que es conocido que los niveles de TGF-β son elevados en carcinoma hepatocelular (HCC) y diferentes evidencias han sugerido que la respuesta al TGF-β está alterada en células de HCC. / In the last years our research has focused on analyzing the signaling pathways induced by TGF-β in liver tumor cell lines, to understand the molecular mechanisms that confer resistance to its suppressor effects. TGF-β induces apoptosis in human fetal hepatocytes and in some liver tumor cells (FaO rat hepatoma, Hep3B and PLC/PRF/5 human hepatocarcinoma cells), which requires reactive oxygen species (ROS) production and up-regulation of the NADPH oxidase NOX4. This process is coincident with an increased expression of pro-apoptotic BCL-2 family members, such as BMF or BIM. However, in these same cells, TGF-β also induces anti-apoptotic signals, mediated by the activation of the epidermal growth factor receptor (EGFR) and coincident with up-regulation of the anti-apoptotic proteins BCL-XL, MCL1 or HIAP1. Inhibition of the EGFR, either by pharmacological inhibitors or through targeting knock-down with specific siRNA, significantly enhances the apoptotic response, which indicates that the EGFR plays a relevant role in conferring resistance to TGF-β-induced cell death. However, even when the EGFR is inhibited, some hepatocellular carcinoma cells, such as HepG2 or SK-Hep1, continue showing resistance to TGF-β-induced cell death. HepG2 cells are sensitized to TGF-β-induced apoptosis through the inhibition of the MEK pathway. MEK inhibition allows TGF-β to induce its pro-apoptotic program in these cells, which is coincident with NOX4 upregulation, modulation of the expression of BCL-2 family members and caspase-3 activation. It is worthy to note that activation of survival pathways, such as EGFR or MEK/ERK, in liver tumor cells confers resistance to TGF-β-induced cell death through impairing NOX4 up-regulation, which is required for an efficient mitochondrial-dependent apoptosis. Finally, our results have indicated that TGF-β is able to induce an epithelial to mesenchymal transition (EMT) process in human fetal hepatocytes, FaO rat hepatoma cells and Hep3B human hepatocarcinoma cells. TGF-β induces Snail expression, coincident with a decrease in E-cadherin mRNA and protein levels. Furthermore, cells show an increased expression of mesenchymal genes and reorganization of the actin cytoskeleton in stress fibers. Interestingly, these cells show loss of expression of specific hepatic markers and increased expression of stem cell markers. Indeed, chronic treatment with TGF-β selects a population of mesenchymal cells with a de-differentiated phenotype, reminiscent of progenitor-like cells. In summary, TGF-β induces different signals in liver tumor cells, some of them might contribute to tumor suppression (apoptosis), but others should mediate liver tumor progression and invasion.

Las funciones del hígado son importantes debido a su localización estratégica, entre el sistema digestivo y el resto del cuerpo (la circulación sistémica). La generación de los anticuerpos contra los transportadores de nucleósidos sodio-dependientes rCNT1 (pirimidina preferente) y rCNT2 (purina preferente) permitieron identificar la presencia de estos dos transportadores en hígado. El primer objetivo de esta tesis es establecer la localización y la distribución subcelular de rCNT1 y rCNT2 en hepatocitos de rata. Los hepatocitos representan un 60-80% de la masa celular total del hígado; son células altamente polarizadas y se caracterizan por tener una membrana plasmática diferenciada en tres dominios funcionales diferentes: la membrana basal la apical y la lateral. Por estas características y por ser muy activos metabolitamente, las células hepáticas son un buen modelo para el estudio de las rutas endocíticas. Examinamos la localización subcelular de tres maneras distintas. Primero, detectamos por técnicas de transporte y por Western blot la expresión de CNT1 y CNT2 en fracciones enriquecidas en membranas plasmáticas canaliculares y basolaterales. Segundo, determinamos la cantidad proteica y la distribución de CNT1 y CNT2 en fracciones purificadas de endosomas de hígado de rata, mediante utilización de anticuerpos contra estos transportadores. Tercio, por técnicas de microscopía electrónica. Estos estudios indican que el transportador de nucleosidos CNT1 llega en la membrana canalicular, en la cual el transportador es biológicamente activo, por una ruta indirecta a través de la membrana basolateral. Su inserción se realiza cerca de microdominios especializados enriquecidos en caveolas. CNT2 se detecta de manera casi exclusiva en preparaciones enriquecidas en membranas plasmáticas basolaterales en las cuales el transportador es activo. Estos estudios nos indican que los dos transportadores CNT1 y CNT2 tienen una ubicación diferente en células hepáticas, por lo que estos dos transportadores parecen estar diferencialmente regulados. En la segunda parte de esta tesis examinamos las interacciones entre el transportador concentrativo de adenosina CNT2 y los receptores purinérgicos. Las células hepáticas previamente tratadas, a corto plazo, con el agonista del receptor A1, (-)-N(6)-(2-phenylisopropyl)adenosine (RPIA) produce el incremento de la actividad de transporte de CNT2. Este efecto se inhibe en presencia de inhibidores de los canales KATP y se mimetiza en presencia de activadores de dichos canales. Estos estudios revelan que en células hepáticas, la actividad de transporte de CNT2 se regula por activación de los receptores A1, vía los canales KATP. Se ha demostrado también que la inducción de la actividad de transporte de CNT2 mediante la apertura de los canales KATP es dependiente de la activación de la PKC. Por ultimo, observamos que la glicemia y el metabolismo de la glucosa podrían afectar la regulación purinérgica de CNT2 ya que la inducción de la actividad de CNT2 mediante el receptor A1 puede ser modulada con la concentración en glucosa del medio. Estudiamos en la tercera parte de esta tesis el papel del óxido nítrico y de la PKC en la activación post-traduccional de CNT2 en células hepáticas. Medimos la actividad de transporte de CNT2 en células Fao y en cultivo primario de hepatocitos después de incubar las células con diferentes activadores e inhibidores de la óxido nítrico sintasa (NOS). El resultado fue que la inhibición de la NOS provoca un aumento de la actividad de transporte de CNT2 de un 60%. Mediante inhibidores de la actividad de la PKC y bloqueadores de los canales KATP, determinamos que la disminución de la concentración intracelular de óxido nítrico contribuye en la activación, a corto plazo, del transportador CNT2 mediante la activación, independientemente de la PKC, de los canales KATP. / INGLÉS:The first part of this these study of the subcellular localization and trafficking of CNT1 and CNT2 in rat hepatocytes. These studies indicated that the Na+-dependent nucleoside transporter CNT1 is present in a caveolin-enriched plasma membrane fraction (CEF), in transcytotic endosomes, and in canalicular membranes isolated from quiescent rat liver in which the transporter appears to be biologically active. Plasma membrane preparations enriched in basolateral markers showed Na+-dependent nucleoside transport activity that is mostly, if not exclusively, accounted for by CNT2, a transporter protein that it is not detected in CEF nor in the endosomal fractions. The two CNT transporters are spatially segregated and that this is due to their localization being regulated by distinct trafficking pathways in hepatocytes. CNT1 as being the first transporter that follows the transcytotic pathway for insertion into the apical side of liver parenchymal cells. The second part is focused on interactions between CNT proteins and purinergic receptors. These studies reveal a novel mechanism of regulation of the high affinity concentrative adenosine transporter, CNT2, via activation of adenosine A1 receptor in liver. This regulation is mediated by the activation of ATP-sensitive K(+) (K(ATP)) channels. The transient increase in CNT2-mediated transport activity triggered by (-)-N(6)-(2-phenylisopropyl)adenosine is fully inhibited by K(ATP)-channel blockers and mimicked by a K(ATP) channel opener. The extent of the purinergic modulation of CNT2 can be modulated by the glucose concentration, a finding that indicates that glycemia and glucose metabolism may affect this cross-regulation among A(1)R, CNT2, and K(ATP) channels. The third part involves a study of the effects of endogenous nitric oxide (NO) synthesis on the concentrative adenosine transporter, CNT2. Inhibition of endogenous NO synthesis (using either L-NAME and L-NMMA) in hepatoma FAO cells and in primary cultures of rat hepatocytes increases the functional activity of CNT2. This effect can be reversed by the addition of NO donors. Unlike the purinergic-mediated response, the activation triggered by NO inhibitors is poorly dependent on extracellular glucose, although interestingly, it can still be inhibited by the addition of K(ATP) channels blocker, glibenclamide.

En aquesta Tesi, un nou biomaterial de disseny composat per seqüències peptídiques repetitives i amfifíliques, que per autoensamblatge forma xarxes de nanofibres (i hidrogels), AcN-RADARADARADARADA-CONH2, s´ha utilitzat com a anàleg de la matriu extracel·lular per al manteniment, proliferació i diferenciació cel·lular. Aquest pèptid s'ha funcionalititzat amb motius biològicament actius procedents de proteïnes de la matriu extracel·lular incloent laminina-1 i colàgen IV. El scaffold peptídic autoensamblant RAD16-I i els seus derivats biològicament actius s´han caracteritzat i provat utilitzant diferents sistemes cel·lulars com pot ser les cèl·lules d'aorta humanes (HAEC), hepatocits madurs i la línea progenitora de fetge (Lig-8). La proteòlisi d'aquest pèptid s'ha avaluat utilitzant tripsina com a enzim proteolític, i els fragments resultants s'han analitzat per MALDI-TOF i AFM. Així mateix, la segona generació de biomaterials basats en el RAD16-I s'ha provat tant amb HAEC com amb hepatocits madurs. Amb aquests sistemes hem demostrat que el desenvolupament d'una matriu biomiètica reforça, a la vegada que manté, les funcions específiques de cada teixit. En particular, els resultats obtinguts en diferenciació, proliferació i manteniment de la funció cel·lular utilitzant pèptids sintètics autoensamblants són comparables amb els resultats que s'obtenen utilitzant matrius biològiques (Colàgen I i Matrigel). Això indica que els nostres anàlegs de la matriu extracel·lular poden substituir als materials naturals, i suggereix l'ús d'aquests materials intel·ligents amb capacitat instructiva en aplicacions terapèutiques. Així mateix s'ha provat que l'ús d'aquests pèptids auto-ensamblants és eficient en la construcció d'un nínxol de cèl·lules mare. Hem sigut capaços de controlar la cinètica cel·lular (de simètrica a assimètrica) induint diferenciació funcional, a la vegada que es mantenia una petita proporció de cèl·lules no diferenciades. Aquests resultats indiquen clarament que hem sigue capaços d'obtenir un nínxol on cèl·lules primitives (Lig-8) es diferencien adquirint funcions d'hepatocits madurs. Hem desenvolupat una plataforma de biomaterials que es podrien utilitzar per la funcionalització amb innumerables biomolècules amb capacitat d'induir processos biològics com la diferenciació, proliferació i funció metabòlica. Aquests biomaterials, preveiem que tindran un gran impacte a l'àrea terapèutica i biología regenerativa. / En esta Tesis, un nuevo biomaterial de diseño compuesto por secuencias peptídicas repetitivas y amfifílicas que por autoensamblaje forma redes de nanofibras (e hidrogeles), AcN-RADARADARADARADA-CONH2 (RAD16-I), se ha utilizado como análogo de la matriz extracelular para el mantenimiento, proliferación y diferenciación celular. Este péptido se ha funcionalizado con motivos biológicamente activos procedentes de proteínas de la matriz extracelular incluyendo laminina-1 y colágeno IV. El scaffold peptídico autoensamblante RAD16-I y sus derivados biológicamente activos se han caracterizado y probado utilizando diferentes sistemas celulares como puede ser células endoteliales de aorta humanas (HAEC), hepatocitos maduros y la línea progenitora de hígado Lig-8. La proteólisis de este péptido se ha evaluado utilizando tripsina como enzima proteolítico, y los fragmentos resultantes se han analizado por MALDI-TOF y AFM. Asimismo, la segunda generación de biomateriales basados en el RAD16-I se ha probado tanto con HAEC como hepatocitos maduros. Con estos sistemas hemos demostrado que el desarrollo de una matriz biomimética refuerza a la vez que mantiene las funciones específicas de cada tejido. En particular, los resultados obtenidos en diferenciación, proliferación y mantenimiento de la función celular utilizando los péptidos sintéticos auto-ensamblantes son comparables con los resultados que se obtienen usando matrices biológicas (Colágeno I y Matrigel). Esto indica que nuestros análogos de la matriz extracelular pueden reemplazar a los materiales naturales, y sugiere el uso de estos materiales inteligentes con capacidad instructiva en aplicaciones terapéuticas. Asimismo, se ha probado que el uso de estos péptidos auto-ensamblantes es eficiente en la construcción de un nicho de células madre. Hemos sido capaces de controlar la cinética celular (de simétrica a asimétrica) induciendo diferenciación funcional, a la vez que se mantenía una pequeña proporción de células no diferenciadas. Estos resultados indican claramente que hemos sido capaces de obtener un nicho donde células primitivas (Lig-8) se diferencian adquiriendo funciones de hepatocitos maduros. Hemos desarrollado una plataforma de biomateriales que se podrían utilizar para la funcionalización con innumerables biomoléculas con capacidad de inducir procesos biológicos como la diferenciación, proliferación y función metabólica. Estos biomateriales preveemos que tendrán un gran impacto en el área terapéutica y biología regenerativa. / In this Thesis, a new designed biomaterial made out of short repetitive amphiphilic peptide sequence AcN-RADARADARADARADA-CONH2 (RAD16-I) that self-assembles forming nanofiber networks (hydrogel scaffold) has been used as synthetic extracellular matrix analog for cell maintenance, proliferation and differentiation. This peptide has been functionalized with biological active motifs from extracellular matrix proteins including laminin-1 and collagen IV. The prototypic self-assembling peptide scaffold RAD16-I and its biologically active derivatives have been characterized and tested using several cellular systems such as human aortic endothelial cells (HAEC), mature hepatocytes and a putative liver progenitor cell line, Lig-8. The proteolysis of the peptide RAD16-I has been evaluated using trypsin as a proteolytic enzyme and the resulting fragments have been analyzed by MALDI-TOF and AFM. Moreover the second generation of RAD16-I-based biomaterials have been tested using HAEC and mature hepatocytes. With these systems we have shown that the development of a biomimetic matrix enhances as well as maintain tissue-specific functions. In particular, the results obtained in cell differentiation, proliferation and maintenance of cell function using the synthetic self-assembling peptide matrices, are comparable with the results obtained using natural biological matrices counterparts (Collagen-I and Matrigel). This indicates that our extracellular matrix analogs can replace the use of naturally-derived materials and suggests the use of these smart biomaterials with instructive capacity for cells in therapeutics. Moreover, the use of the self-assembling peptide RAD16-I in the recreation of a stem-cell niche proved to be highly efficient. We were able to control stem-cell kinetics (from symmetric to assymetric) inducing functional differentiation while maintaining a small proportion of undifferentiated cells. This striking results clearly indicate that we were able to obtain a stem-cell niche where primitive cells (Lig-8) undergo differentiation acquiring mature hepatic functions. We have developed a biomaterial platform that can be used for functionalization with innumerable biomolecules, with capacity to induce biological processes like differentiation, control of proliferation, metabolic function, etc. These biomaterials will have a strong impact in therapeutics and regenerative biology.