A supramolecular look at microenvironmental regulation of limbal epithelial stem cells and the differentiation of their progeny / Uma visão supramolecular sobre a regulação microambiental de células tronco epiteliais limbais e a diferenciação de sua progênie

ABSTRACT Various approaches have been taken to improve our knowledge of the microenvironmental regulation of limbal epithelial stem cells. Researchers have extensively investigated the roles of growth factors, survival factors, cytokines, enzymes, and permeable molecules secreted by the limbal cells. However, recent evidence suggests that stem cell fate (i.e., self-renewal or differentiation) can also be influenced by biophysical and mechanical cues related to the supramolecular organization and the liquid crystalline (mesophase) nature of the stromal extracellular matrix. These cues can be sensed by stem cells and transduced into intracellular biochemical and functional responses, a process known as mechanotransduction. The objective of this review is to offer perspectives on the supramolecular microenvironmental regulation of limbal epithelial stem cells and the differentiation of their progeny.

RESUMO Muitas abordagens têm sido utilizadas para ampliar entendimentos sobre a regulação microambiental das células tronco epiteliais limbais. Neste contexto, pesquisadores têm exaustivamente investigado a participação de fatores de crescimento, fatores de sobrevida, citocinas, enzimas e moléculas permeáveis secretadas pelas células limbais. Entretanto, evidências recentes sugerem que o destino (ie. autorrenovação ou recrutamento para a via de diferenciação) das células tronco também sofre influência de estímulos biofísicos ou mecânicos relacionados à organização supramolecular e à natureza liquido-cristalina (mesofases) da matriz extracelular estromal. Esses estímulos podem ser percebidos e traduzidos pelas células tronco em sinais bioquímicos que geram respostas funcionais, através de um processo designado de mecanotransdução. Objetiva-se, com a presente revisão, oferecer ao leitor perspectivas supramoleculares sobre a regulação microambiental das células tronco epiteliais limbais e a diferenciação de sua progênie.

Mini-implants and miniplates generate sub-absolute and absolute anchorage

The functional demand imposed on bone promotes changes in the spatial properties of osteocytes as well as in their extensions uniformly distributed throughout the mineralized surface. Once spatial deformation is established, osteocytes create the need for structural adaptations that result in bone formation and resorption that happen to meet the functional demands. The endosteum and the periosteum are the effectors responsible for stimulating adaptive osteocytes in the inner and outer surfaces.Changes in shape, volume and position of the jaws as a result of skeletal correction of the maxilla and mandible require anchorage to allow bone remodeling to redefine morphology, esthetics and function as a result of spatial deformation conducted by orthodontic appliances. Examining the degree of changes in shape, volume and structural relationship of areas where mini-implants and miniplates are placed allows us to classify mini-implants as devices of subabsolute anchorage and miniplates as devices of absolute anchorage.

Uma demanda funcional sobre o osso promove alterações na forma espacial da rede de osteócitos e seus prolongamentos, distribuídos uniformemente na estrutura mineralizada. A partir da deformação espacial captada, os osteócitos comandam a necessidade de adaptações estruturais, formando osso em novas áreas e reabsorvendo em outras, para que sejam atendidas as demandas funcionais. O endósteo e o periósteo são os verdadeiros efetores desses estímulos osteocíticos adaptativos, nas superfícies internas e externas. As alterações de forma, volume e posição dos ossos maxilares, nas correções esqueléticas da maxila e mandíbula, requerem uma ancoragem para que a remodelação óssea redefina a morfologia, a estética e as funções, a partir de deformações espaciais dirigidas por aparelhos. Verificar o grau de alterações na forma, volume e relações estruturais das áreas onde se fixaram os mini-implantes e as miniplacas poderá levar à classificação dos mini-implantes como dispositivos de ancoragem subabsoluta e as miniplacas, como de ancoragem absoluta.

Participação da via de sinalização da beta-arrestina na produção de óxido nítrico induzido pelo shear stress / Beta-arrestin-mediated signal transduction participates in laminar shear stress-induced production of nitric oxide in endothelial cells

As células endoteliais são capazes de converter o estímulo mecânico em sinais intracelulares e produzir fatores vasoativos como o óxido nítrico (oNO). Evidências recentes sugerem que as beta-arrestinas desempenham um papel importante não somente na dessensibilização e internalização de receptores acoplados à proteína G (GPCR) como também na mecanotransdução. Nós testamos a hipótese de que células endoteliais submetidas ao shear stress (SS) produzem oNO por meio da ativação da via de sinalização dependente de beta-arrestina. Para tal, células endoteliais de veia safena (hSVEC) foram transfectadas com siRNA contra as isoformas 1 e 2 da beta-arrestina e, posteriormente, submetidas ao SS (15 dinas/cm2) durante 10 min. Nós encontramos que as SVEC silenciadas para a beta-arrestina 1/2 (70%) exibiram uma menor produção de nitrito no meio de cultura em resposta ao SS (166±17 vs. 326±44% comparado com hSVEC transfectadas com siRNA controle). Além disso, o silenciamento da beta-arrestina 1 e 2 preveniu os níveis de fosforilação da Akt no resíduo de serina 473 e a fosforilação da eNOS no resíduo de serina 1177, enquanto que a fosforilação da ERK 1/2 manteve-se inalterada. Curiosamente, análises de imunoprecipitação mostraram que a beta-arrestina interage com caveolina-1, um mecanossensor do shear stress, mas não é influenciado pelo SS. Além disso, na situação estática, a beta-arrestina encontra-se em uma localização perinuclear e, após o SS, adquiriu um padrão mais difuso no citosol. Coletivamente, esses dados sugerem que a beta-arrestina e a sinalização downstream Akt/ eNOS são necessárias para a produção de oNO induzido por shear stress em células endoteliais vasculares humana.

Endothelial cells are capable of converting mechanical stimuli into intracellular signals generating vasoactive factors such as nitric oxide (oNO). Recent evidence suggests that beta-arrestins play a role not only on G protein-coupled receptors (GPCR) desensibilization but also in mechanotransduction. We tested the hypothesis that beta-arrestin and its downstream signaling influence laminar shear stress (SS)-induced oNO production by endothelial cells. Towards this end, human saphenous vein endothelial cells (hSVEC) transfected with siRNA against beta-arrestins isoforms 1 and 2 were subjected to SS (15 dynes/cm2, 10 minutes). We found that the SS-induced production of nitrite in the cell culture medium from down-expressed beta-arrestin 1/ 2 (70%) SVEC decreased (166±17 vs. 326±44% compared to wild-type hSVEC; P < 0.001). The beta-arrestin 1 and 2 down-regulation in SVEC also inhibited the phosphorylation levels of Akt at the serine residue 473 and the phosphorylation levels of eNOS at the serine residue 1177, whereas ERK phosphorylation remained unchanged. Interestingly, immunoprecipitation analysis showed that beta-arrestin interacts with caveolin-1, a shear stress mechanosensor, which is not influenced by SS despite the fact that the static perinuclear localization of beta-arrestins changed to the cytosol upon SS. Collective these data suggest that beta-arrestin and Akt/eNOS downstream signaling are required for shear stress-induced nitric oxide production in human vascular endothelial cells.

Osteócitos: sobre o papel central dessas células na biopatologia óssea / Osteocytes: on the central role of these cells in osseous pathobiology

Os alvos principais na compreensão da biopatologia óssea centravam-se nos osteoblastos e clastos, mas nos últimos anos têm se deslocado para os osteócitos — como mecanotransdutores do tecido ósseo, a partir da rede tridimensional, pelo entrelaçamento e contato de seus prolongamentos interligando uma célula a outras 20 a 40, tal qual uma rede neural. Pela mecanotransdução e a partir de mediadores como a esclerostina e o RANKL, os osteócitos podem influenciar na biopatologia óssea por interferirem na atividade dos osteoblastos e clastos. Quando necessário mais osso, os osteócitos liberam menos esclerostina; quando é necessário inibir a formação óssea, os osteócitos liberam mais esclerostina. O RANKL está ligado à osteoclastogênese local para que se tenha mais células capazes de reabsorver a matriz mineralizada. Algumas terapêuticas inovadoras das doenças ósseas metabólicas têm tido como alvo esses mediadores e os osteócitos. Estudar a presença e os efeitos específicos da esclerostina e do RANKL na osseointegração pode levar a um maior detalhamento de seus fenômenos biológicos.

The main targets for the comprehension of bone pathobiology were focused in osteoblasts and clasts, but in recent years it has shifted to the osteocytes — as mechanotransductors of the bone tissue, from the three-dimensional network, by interconnecting its extensions linking a cell to other 20 to 40, like a neural network. By mechanotransduction and from mediators as sclerostin and RANKL, the osteocytes may influence bone pathobiology by interfering with the activity of osteoblasts and clasts. When more bone is necessary, osteocytes release less sclerostin, when it is necessary to inhibit bone formation, osteocytes release more sclerostin. RANKLis connected to local osteoclastogenesis in order to have more cells capable of reabsorbing the mineralized matrix. New therapeutic ways of controlling the metabolic bone diseases have been targeted at these mediators. Studying the presence and the specific effects of sclerostin and RANKL in osseointegration can lead to greater detailing of their biological phenomena.

Carga mecánica oomo regulador de la osteogénesis en células madre mesenquimales humaaas / Mechanicl stresss as osteogenesis regulator in human mesenchymal stem cells / Carga mecânic coomo regulador da osteogênese em célulastronco mesenquimais humanas

El papel de la estimulación mecánica en la diferenciación de las células madre mesenquimales humanas (CMMHs) es una alternativa terapéutica para aplicaciones en ingeniería tisular. Este estudio evaluó el efecto de cargas mecánicas sobre la diferenciación de las CMMHs, y los mecanismos celulares que intervienen en el proceso de mecanotransducción. Las CMMHs se sembraron en frascos de cultivo de 75cm2 y fueron expuestas a tensión uniaxial de deformación de 500, 1000, 1500 y 2000 micro strains (με), con una intensidad de 9 ciclos/minuto por 3 horas durante 4 días consecutivos. Se evaluó la actividad transcripcional de los factores de transcripción Runx2 y Sox9 y de los genes de Osteocalcina (OC), Colágeno tipo 1 (Col1) y Fosfatasa Alcalina (ALP). Después de la exposición al estímulo, los marcadores osteogénicos Col1, OC, y ALP se expresaron temporalmente; y los factores de transcripción Runx2 y Sox9 disminuyeron la expresión con respecto a las células de grupo control (sin estímulo), sugiriendo que el estímulo mecánico indujo la diferenciación de las células CMMHs a linaje osteoblástico. La identificación de los genes que traducen los estímulos mecánicos en las CMMHs y modulan la diferenciación osteogénica, tienen proyección directa en medicina regenerativa a través del desarrollo y perfeccionamiento del enfoque de ingeniería de tejidos funcionales.

The role of mechanical stimulation for mesenchymal stem cells (MSCs) differentiation is a therapeutic alternative for applications in tissue engineering. The aim of this study was to evaluate the effect of mechanical strain on the differentiation and cellular mechanisms of mechanotransduction in MSCs. The cells were seeded in 75cm2 culture flasks and then exposed to uniaxial mechanical tensile strain of 500, 1000, 1500 and 2000 micro strains (με), 9 cycles / minute during 3 hours for 4 consecutive days. Runx2 and Sox9 transcription factors andOsteocalcin (OC), Collagen Type 1 (Col1) and Alkaline Phosphatase (ALP) gene expression was ascertained. After exposure to mechanical strain, osteogenic marker genes Col1, OC, and ALP were expressed temporally, while Runx2 and Sox9 transcription factors expression decreased, compared with control cells without stimulation, suggesting that mechanical stimulus induced differentiation of mesenchymal stem cells into osteoblast lineage. Identification of genes that translate mechanical stimuli in MSCs and modulate osteogenic differentiation hasimportant implications in regenerative medicine as an approach to functional tissue engineering.

O papel da estimulação mecânica na diferenciação das célulastronco mesenquimais humanas (CMMHs) é uma alternativa terapêutica para aplicações em engenharia tissular. Este estudo avaliou o efeito de cargas mecânicas sobre a diferenciação das CMMHs, e os mecanismos celulares que intervém no processo de Mecanotransdução. As CMMHs foram cultivadas em frascos de cultivo de 75cm2 e foram expostas a tensão uniaxial de deformação de 500, 1000, 1500 e 2000 micro strains (με), com uma intensidade de 9 ciclos/minuto por 3 horas durante 4 dias consecutivos. Foi avaliada a atividade transcricional dos fatores de transcrição Runx2 e Sox9 e dos genes de Osteocalcina (OC), Colágeno tipo 1 (Col1) e Fosfatase Alcalina (ALP). Depois da exposição ao estímulo, os marcadores osteogênicos Col1, OC, e ALP foram expressos temporariamente; e os fatores de transcrição Runx2 e Sox9 diminuíram a expressão em comparação com as células do grupo controle (sem estímulo), sugerindo que o estímulo mecânico induziu a diferenciação das células CMMHs à linhagem osteoblástica. A identificação dos genes que traduzem os estímulos mecânicos nas CMMHs e modulam a diferenciação osteogênica, têm projeção direta na medicina regenerativa através do desenvolvimento e aperfeiçoamento do enfoque de engenharia de tecidos funcionais.

Os osteócitos são fundamentais na remodelação óssea? / The osteocystes are essential in bone remodeling?

Os osteócitos estão incluídos na matriz óssea mineralizada dentro de lacunas conhecidas como osteoplastos, com numerosos prolongamentos citoplasmáticos em dezenas de canalículos que intercomunicam-se, física e bioquimicamente, com as demais células nas superfícies das trabéculas e corticais. Pelos canalículos circulam numerosos mediadores liberados pelos osteócitos e assim participam do controle da remodelação óssea. Com sua rede canalicular e exuberante intercomunicação, tridimensionalmente controlam a forma e o volume ósseo, fazendo que o conjunto de osteócitos possa ser comparado a um órgão endócrino no metabolismo ósseo. Os osteócitos representam um atual alvo terapêutico no controle dos distúrbios ósseos metabólicos e na compreensão de fenômenos ósseos, que devem incluir a movimentação dentária, a Ortopedia Facial e as reabsorções radiculares.

Citoesqueleto e mecanotransdução na fisiopatologia da lesão pulmonar induzida por ventilador / Cytoskeleton and mechanotransduction in the pathophysiology of ventilator-induced lung injury

A ventilação mecânica é uma terapia importante, mas pode resultar em complicações. Uma das mais relevantes é a lesão pulmonar induzida por ventilador. Devido à hiperdistensão alveolar, o pulmão inicia um processo inflamatório, com infiltrado neutrofílico, formação de membrana hialina, fibrogênese e prejuízo de troca gasosa. Nesse processo, a mecanotransdução da hiperdistensão celular é mediada através do citoesqueleto da célula e de suas interações com a matriz extracelular e com as células vizinhas, de modo que o estímulo mecânico da ventilação se traduz em sinalização bioquímica intracelular, desencadeando ativação endotelial, permeabilidade vascular pulmonar, quimiotaxia leucocitária, produção de citocinas e, possivelmente, lesão de órgãos à distância. Estudos clínicos demonstram essa relação entre distensão pulmonar e mortalidade em pacientes com lesão pulmonar induzida por ventilador. Entretanto, apesar de o citoesqueleto ter um papel fundamental na patogênese da lesão pulmonar induzida por ventilador, a literatura carece de estudos utilizando modelos in vivo sobre as alterações do citoesqueleto e de suas proteínas associadas durante esse processo patológico.

Although mechanical ventilation is an important therapy, it can result in complications. One major complication is ventilator-induced lung injury, which is caused by alveolar hyperdistension, leading to an inflammatory process, with neutrophilic infiltration, hyaline membrane formation, fibrogenesis and impaired gas exchange. In this process, cellular mechanotransduction of the overstretching stimulus is mediated by means of the cytoskeleton and its cell-cell and cell-extracellular matrix interactions, in such a way that the mechanical stimulus of ventilation is translated into an intracellular biochemical signal, inducing endothelial activation, pulmonary vascular permeability, leukocyte chemotaxis, cytokine production and, possibly, distal organ failure. Clinical studies have shown the relationship between pulmonary distension and mortality in patients with ventilator-induced lung injury. However, although the cytoskeleton plays a fundamental role in the pathogenesis of ventilator-induced lung injury, there have been few in vivo studies of alterations in the cytoskeleton and in cytoskeleton-associated proteins during this pathological process.

Modulação da expressão gênica de componentes envolvidos no processo de remodelamento pulmonar em diferentes modelos de lesão induzida pela ventilação mecânica / Gene expression of important components involved in lung remodeling process in ventilator induced lung injury

INTRODUÇÃO: Apesar de ser essencial, em algumas situações a ventilação mecânica (VM) pode acarretar danos ao pulmão sadio, evento conhecido como lesão pulmonar induzida pela ventilação ou ventilator-induced lung injury VILI. Esse processo depende da ação de forças mecânicas e da resposta inflamatória pulmonar. OBJETIVO: No presente estudo, analisamos a inflamação pulmonar e a expressão gênica de proteoglicanos e proteínas do citoesqueleto em resposta a dois mecanismos de VILI (alto volume e alta pressão). MÈTODOS: Vinte e um coelhos foram randomizados em três grupos: Controle (CTR), n=6; VC=8ml/kg, PEEP=5cmH2O, fluxo= 2l/min; Alto volume (AV), n=7; VC=16 ml/kg, PEEP 5cmH2O, fluxo= 3 l/min e Alta pressão (AP), n=8; com pressão inspiratória máxima (PIMAX) de 30cmH2O e PEEP=12cmH2O, com a intenção de manter o mesmo volume corrente do grupo controle. Os animais foram ventilados por 3h30m e subsequentemente exsanguinados. RESULTADOS: Houve redução na complacência dinâmica do grupo AP quando comparado aos grupos CTR (p=.001) e AV (p=.000). A análise histológica não mostrou diferença no infiltrado das células inflamatórias entre os grupos, da mesma forma, não foram encontradas diferenças na expressão gênica da interleucina-8. A expressão gênica da alfa-actina não apresentou nenhuma diferença estatística entre os grupos. Diferenças na expressão dos proteoglicanos, entre as regiões pulmonares, foram observadas somente no grupo AV, com aumento da expressão gênica do biglican (p=.004) e lumican (p=.003) na região não dependente. A comparação da região não dependente entre os grupos mostrou aumento da expressão do biglican no grupo AP versus o CTR (p=.005). A análise entre os grupos da região dependente mostrou aumento da expressão da decorina no grupo AP (p=.049) e aumento da expressão do versican no AV (p=.003) e AP (p=.015) versus CTR; e, o grupo AP apresentou aumento na expressão do biglican (p=.007) e do lumican (p=.021)...

INTRODUCTION: In spite of being essential, in some situations mechanical ventilation (MV) can lead to damages to the lung, an event known as ventilator-induced lung injury. This process depends on the action of mechanical forces and lung inflammatory response. OBJECTIVE: Analyze lung inflammation and gene expression of proteoglycans and cytoskeleton proteins in response to two mechanisms of VILI (high volume and high pressure). METHODS: Twenty-one rabbits were randomized into three groups: Control, n=6; VT=8ml/kg, PEEP=5 cm H2O, flow = 2l/min; High volume (HV), n=7; VT=16 ml/kg, PEEP 5 cm H2O, flow = 3 l/min and High pressure (HP), n=8; with maximal inspiratory pressure (PIMAX) of 30cmH2O and PEEP 12cmH2O, with the intention of maintaining the same tidal volume as the LV group.. Animals were ventilated for 3h30m and subsequently exsanguinated. RESULTS: There was a reduction in lung compliance in the HP group when compared to control (p=.001) and HV groups (p=.000). Histological analysis did not show difference in inflammatory cells infiltrate between groups, in the same way, no differences in interleukin 8 gene expression were observed. Alpha-actin gene expression did not show any statistical differences between groups. Differences in proteoglycan expression between lung regions were only noticed in the HV group, with Biglycan (p=.004) and lumican (p=.003) gene expression increased in the non-dependent region. Comparisons between groups concerning the non dependent region showed increased expression of biglycan in HP versus control (p=.005). Comparisons between groups addressing the dependent region showed increased expression of decorin in HP (p=.049) and increased expression of versican in HV (p=.003) and HP (p=.015) versus control; and the HP group showed the highest Biglycan (p=.007) and lumican (p=.021) expressions...

Como a célula óssea reconhece o estímulo mecânico? / How do bone cells sense mechanical loading?

Sob a influência da gravidade, o tecido ósseo sofre maior ou menor deformação de acordo com a intensidade das atividades da vida diária. Sabe-se que as atividades que resultam em impacto são as que mais estimulam a osteogênese e assim reduzem a perda de massa óssea. Conhecer como as células ósseas reconhecem a deformação mecânica imposta ao osso e iniciam uma série de reações bioquímicas em cadeia é de fundamental importância para o desenvolvimento de práticas terapêuticas e preventivas na atividade ortopédica. Ainda há um longo caminho para o entendimento de todo esse processo, mas o conhecimento atual progrediu bastante e há pesquisas com finalidade terapêutica. O sinal mecânico para ser transformado em biológico (mecanotransdução) deve ser amplificado no nível celular pela estrutura histológica do tecido ósseo, gerando tensões em proteínas da membrana celular (integrinas) e alterando a estrutura espacial dessas proteínas. Essa alteração ativa ligações entre elas e o citoesqueleto, originando as adesões focais, locais onde proteínas citoplasmáticas são recrutadas para facilitar as reações bioquímicas. A quinase de adesão focal (FAK) é a principal delas, sendo autoativada após sofrer alteração estrutural pelas integrinas. A FAK ativada incita reações em cascata, resultando na ativação da ERK-1/2 e da Akt, proteínas que, junto com a FAK, regulam a produção da massa óssea. Acredita-se que o osteócito seja a célula óssea responsável por reconhecer o estímulo mecânico e transmiti-lo aos osteoblastos e osteoclastos. Canais iônicos e gap junctions são cogitados como meios de comunicação intercelular para a transmissão bioquímica do estímulo mecânico. Esses eventos ocorrem continuamente no tecido ósseo e regulam a remodelação óssea.

Influenced by gravidity, bone tissue experiences stronger or lighter deformation according to the strength of the activities of daily life. Activities resulting in impact are particularly known to stimulate osteogenesis, thus reducing bone mass loss. Knowing how bone cells recognize the mechanical deformation imposed to the bone and trigger a series of biochemical chain reactions is of crucial importance for the development of therapeutic and preventive practices in orthopaedic activity. There is still a long way to run until we can understand the whole process, but current knowledge has shown a strong progression, with researches being conducted focused on therapies. For a mechanical sign to be transformed into a biological one (mechanotransduction), it must be amplified at cell level by the histological structure of bone tissue, producing tensions in cell membrane proteins (integrins) and changing their spatial structure. Such change activates bindings between these and the cytoskeleton, producing focal adhesions, where cytoplasmatic proteins are recruited to enable easier biochemical reactions. Focal adhesion kinase (FAK) is the most important one being self-activated when its structure is changed by integrins. Activated FAK triggers a cascade of reactions, resulting in the activation of ERK-1/2 and Akt, which are proteins that, together with FAK, regulate the production of bone mass. Osteocytes are believed to be the mechanosensor cells of the bone and to transmit the mechanical deformation to osteoblasts and osteoclasts. Ionic channels and gap junctions are considered as intercellular communication means for biochemical transmission of a mechanical stimulus. These events occur continuously on bone tissue and regulate bone remodeling.