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Universidade do Vale do Paraíba Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento Rogério Xavier do Nascimento Avaliação do crescimento de unidades formadoras de colônias de células progenitoras hematopoéticas humanas criopreservadas por longo tempo após irradiação com laser de baixa potência em diferentes densidades de energia (0,1-2,0J/cm2) São José dos Campos, SP 2006 Rogério Xavier do Nascimento Avaliação do crescimento de unidades formadoras de colônias de células progenitoras hematopoéticas humanas criopreservadas por longo tempo após irradiação com laser de baixa potência em diferentes densidades de energia (0,1-2,0J/cm2) Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Bioengenharia, como complementação dos créditos necessários para obtenção do título de Mestre em Engenharia Biomédica. Orientador: Prof. Dr. Fernando Callera São José dos Campos, SP 2006 Autorizo, exclusivamente para fins acadêmicos e científicos a reprodução parcial ou total desta dissertação, por processo fotocopiador ou transmissão eletrônica. Aluno: Data: N198a Nascimento, Rogério Xavier Avaliação do crescimento de unidades formadoras de colônias de células progenitoras hematopoéticas humanas criopreservadas por longo tempo após irradiação com laser de baixa potência em diferentes densidades de energia (0,1-2,0J/cm2)/ Rogério Xavier do Nascimento. São José dos Campos: UniVap, 2006. 39f..: il.; 31cm. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Bioengenharia do Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento da Universidade do Vale do Paraíba. 2006. 1. Células-Tronco Hematopoéticas 2. Criopreservação 3. Laser de Baixa Intensidade 4. Biologia Molecular 5. Citologia I. Callera, Fernando, Orient. II. Título CDU: 576.35 Avaliação do crescimento de unidades formadoras de colônias de células progenitoras hematopoéticas humanas criopreservadas por longo tempo após irradiação com laser de baixa potência em diferentes densidades de energia (0,1-2,0J/cm2) Rogério Xavier do Nascimento Banca Examinadora Prof. Dr. Marcos Tadeu Tavares Pacheco (UNIVAP) Prof. Dr. Fernando Callera, (UNIVAP) Prof. Dra. Cristina Soares Pacheco (UNIVAP) Prof. Dr. Mirto Nelson Prandini (UNIFESP) Prof. Dr. Marcos Tadeu Tavares Pacheco Diretor do IP&D São José dos Campos, Setembro de 2006 Dedicatória À minha esposa Patrícia, que sempre esteve ao meu lado durante a elaboração deste trabalho e que estará em tantos outros momentos de minha vida. Às minhas filhas Mariana e Marina, que sempre são motivos de inspiração e orgulho para mim. Aos meus pais João Lage e Edméa, por terem me proporcionado a oportunidade de estar aqui. Graças à educação moral, cultural e intelectual que me deram, estou podendo atingir meus objetivos. À minha irmã Renata por saber dividir tudo isso comigo. Ao meu avô Lage, que mesmo estando em outro plano, continua me orientando e me amparando nos vários momentos de minha vida. Ao meu avô Joaquim, que sempre apostou que um dia eu chegaria tão longe assim. Agradecimentos Mais uma vez à minha esposa Patrícia, que sempre me estimulou a terminar este trabalho mesmo nos maiores momentos de desânimo. Sem o seu apoio eu não teria chegado até o fim. Ao Prof. Dr. Fernando Callera, que além de um grande orientador, foi também um grande amigo e incentivador. Para mim, um exemplo de pesquisador e médico. Sem sua chegada este trabalho não teria passado de um sonho. Muito obrigado! A Prof. Dra. Cristina Pacheco Soares, pela grande paciência e ajuda prestada na etapa do experimento realizado em seu laboratório. Ao Prof. MSc. Carlos José de Lima, pela ajuda na utilização do laser no meu experimento. A Sra. Ivone (IP&D), pela grande colaboração e incentivo para vencer as burocracias da elaboração desta dissertação e a Sra. Rosangela (Biblioteca Central) pela correção final. Aos meus companheiros de equipe neurocirúrgica, Dr. Cyro Britto, Dr. Carlos Roberto Aguilar, Dr. Jair de Araújo, Dr. Wellington Britto e Dr. César Yukita, que me ajudaram nos momentos em que precisei me dedicar a este trabalho. Ao Sr. Geraldo Reis e Sra. Érica da empresa GMReis e a Sra. Lucy, Sr. Hércules e Sr. Gleisson da empresa Osteocamp, pelo apoio técnico que me proporcionaram durante a realização deste trabalho. “A sorte favorece a mente bem preparada” (Louis Pasteur) Avaliação do crescimento de unidades formadoras de colônias de células progenitoras hematopoéticas humanas criopreservadas por longo tempo após irradiação com laser de baixa potência em diferentes densidades de energia (0,1-2,0J/cm2) RESUMO: Objetivos: Investigar os efeitos do laser de baixa potência (LBP) com diferentes densidades de energia (0,1-2,0J/cm2) no crescimento de unidades formadoras de colônias (UFC) in vitro de células progenitoras hematopoéticas (CPH) criopreservadas por longo tempo. Dados de base: Não há dados referentes aos efeitos do LBP em CPH humanas criopreservadas. Métodos: Amostras criopreservadas de CPH foram descongeladas após 3 anos a fim de demonstrar o efeito proliferativo do LBP e após 5 anos a fim de confirmar o efeito proliferativo do LBP. Culturas foram preparadas em placas de petri de 35mm de diâmetro com meio de metilcelulose (concentração final de 2x105/ml) e incubadas por 14 dias a 37°C com 5% de CO2. Foi utilizado um diodo laser de 685nm com 25mW de potência como fonte de irradiação. As culturas foram irradiadas com densidades de energia de 0,1, 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 J/cm2 antes da incubação (dez irradiadas e dez controle para cada grupo de densidade de energia). Resultados: Um alto número de UFC foi observado na dose de 1,0J/cm2 (Controle 21,3±8,5x105 células, Irradiado 40,1±10,5x105 células, p<0,001). Nenhuma diferença foi observada nas culturas irradiadas com doses de 0,1, 0,5 e 1,5 J/cm2. Um número menor de UFC foi demonstrado nas amostras expostas à dose de 2,0 J/cm2 (Controle 21,4±11,9x105 células, Irradiadas 9,5±9,3x105 células, p=0,013). Amostras de CPH criopreservadas por 5 anos foram descongeladas para análise de UFC e expostas a uma única dose de 1,0J/cm2; novamente o grupo irradiado mostrou um número maior de UFC (8,8±7,8x105 células, Irradiado 18,1±13,1x105 células, p=0,026). Conclusão: Dependendo da densidade de energia, o LBP eleva (1,0 J/cm2) ou diminui (2,0 J/cm2) o potencial de crescimento de UFC in vitro de CPH criopreservadas por longo período. Palavras-chave: células progenitoras hematopoéticas, criopreservação, laser de baixa potência, unidades formadoras de colônias. Evaluation of growth of colony-forming units of human hematopoietic progenitor cells cryopreserved for a long time after irradiation with low power laser at different energy densities (0.1 to 2.0 J/cm2) ABSTRACT: Objectives: To investigate the effects of low power laser irradiation (LPLI) at different energy densities(0.1-2.0J/cm2) on the capacity of long-term cryopreserved blood progenitor cell (BPC) for growth of colony forming units (CFU) in vitro. Background data: There are no data concerning the effects of LPLI on human cryopreserved BPC. Methods: Cryopreserved BPC samples were thawed after 3 years in order to demonstrate the positive effect of LPLI and after 5 years in order to confirm the LPLI proliferative effect. Cultures were plated in quadruplicate 35-mm-diameter petri dishes in methylcellulose medium (2x105/ml final concentration) and incubated for 14 days at 37oC with 5% CO2. A 685nm diode laser with 25mW optical power was used as source of irradiation. Cultures were exposed to energy densities of 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 J/cm2 before incubation (ten irradiated and ten controls at each energy density group). Results: A higher number of CFU was observed at the dose of 1.0 J/cm2 (Control 21.3±8.5 x105 cells, Irradiated 40.1±10.5 x105 cells, p<0.001). No differences were observed in cultures exposed to doses of 0.1, 0.5 and 1.5 J/cm2. A decreased number of CFU was demonstrated in samples exposed to the dose of 2.0 J/cm2 (Control 21.4±11.9 x105 cells, Irradiated 9.5±9.3 x105 cells, p=0.013). BPC samples cryopreserved for 5 years were thawed for CFU assays and exposed to a single dose of 1.0 J/cm2; once again the exposed group showed a higher number of CFU (Control 8.8±7.8 x105 cells, Irradiated 18.1±13.1 x105 cells, p=0.026). Conclusion: Dependent upon the energy density, LPLI elevates (1.0J/cm2) or decreases (2.0J/cm2) the potential of long-term cryopreserved BPC for growth of CFU in vitro. Keywords: Blood progenitor cell, cryopreservation, low power laser irradiation, colony forming units. Lista de Figuras Figura 1 – Modelo de Karu, modificado por Smith. Ação foto-química do laser visível na cadeia redox da mitocôndria. Ação foto-física do laser infravermelho na membrana celular. Ambos desencadeiam uma resposta celular, que gera cascata bioquímica de reações. ........................................................................................................................... 15 Figura 2– Meio de cultura de Metilcelulose ................................................................... 24 Figura 3- Amostras de 5 pacientes Concentração final de 2x105 células .................... 24 Figura 4 – Culturas nas placas de petri de 35mm ........................................................ 24 Figura 5 – Incubação das culturas por 14 dias a 37°C com 5% de CO2 em uma atmosfera úmida. ............................................................................................................. 24 Figura 6– Cultura controle .............................................................................................. 26 Figura 7– Cultura irradiada ............................................................................................. 26 Figura 8 - Laser semicondutor de InGaAlP .................................................................... 27 Figura 9 – Irradiação das culturas ................................................................................... 27 Figura 10– Exemplos de UFC obtidas de culturas expostas ao LBP na dose de 1,0J/cm2 (A). Exemplos de UFC obtidas de culturas não expostas ao LBP (B). .......................... 28 Lista de Tabelas Tabela 1– Análise dos resultados das UFC obtidas das amostras de CPH criopreservadas por 3 anos, de acordo com cada grupo de dose de densidade de energia. ...................... 28 Tabela 2 – Análise dos resultados das UFC obtidas das culturas expostas à densidade de energia de 1,0J/cm2 de acordo com o tempo de congelamento ...................................... 29 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS %: percentual λ: comprimento de onda µm: Micrômetro ºC: graus Celsius AH: Albumina Humana AsGaAl: Arsenieto de Gálio-Alumínio ATP: Adenosina Trifosfato Ca++: Cálcio cm: Centímetro CPH: Células Progenitoras Hematopoéticas DE: Densidade de Energia DMSO: Dimetilsulfóxido DNA: Ácido Desoxirribonucléico DP: Densidade de Potência FA: fosfatase alcalina GM-CSF: Granulocyte-Macrophage Colony Stimulating Factor He-Ne: Hélio-Neônio HES: Hidroxietilstarch Hz: Hertz IC: Irradiação Contínua InGaAlP: meio ativo composto dos elementos químicos Índio(In), Gálio(Ga), Alumínio(Al) e Fósforo(P) IP: Irradiação Pulsada J: Joules Kg: Kilograma LBP: Laser de Baixa Potência mOsm: Miliosmol mW: Miliwatts nm: Nanômetro UFC: Unidades Formadoras de Colônias UFC-E: Unidades Formadoras de Colônias de Eritrócitos UFC-GEMM: Unidades Formadoras de Colônias de Granulócitos, Eritrócitos, Macrófagos e Megacariócitos UFC-GM: Unidades Formadoras de Colônias de Granulócitos e Macrófagos UFC-MK: Unidades Formadoras de Colônias de Megacariócitos SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 14 1.1 Irradiação Laser .................................................................................................... 14 1.2 Criopreservação de Células Progenitoras Hematopoéticas .................................. 16 1.3 Ensaio clonogênico de células tronco hematopoéticas ......................................... 18 2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 21 3 MATERIAL E MÉTODOS ......................................................................................... 22 3.1 Coletas das Células Progenitoras Hematopoéticas ............................................... 22 3.2 Criopreservação .................................................................................................... 22 3.3 Análise Clonogênica ............................................................................................. 23 3.4 Culturas Clonogênicas .......................................................................................... 26 4 RESULTADOS ........................................................................................................... 28 5 DISCUSSÃO ............................................................................................................... 30 6 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 34 14 1 INTRODUÇÃO 1.1 Irradiação Laser O termo Laser é o acrônimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Luz Amplificada pela Emissão Estimulada de Radiação). Esta radiação é eletromagnética não ionizante, sendo um tipo de fonte luminosa com características bastante distintas daquelas encontradas em uma luz fluorescente ou de uma lâmpada incandescente. A Radiação laser é quase monocromática porque emite radiações em uma banda estreita. Apresenta coerência espacial e temporal onde as ondas propagam-se com a mesma fase no espaço e no tempo. Sua baixa divergência permite a obtenção de alta densidade de energia concentrada em pequenos pontos. Com o auxílio de dispositivos ópticos, sua radiação pode ser polarizada. Por essas características especiais esse tipo de luz pode ser aplicado em terapêuticas importantes como a fotoestimulação e a terapia foto dinâmica, assim como em cirurgias com vantagens muito superiores ao uso do bisturi convencional. O comprimento de onda (λ) é fator determinante na interação laser-tecido. Corresponde à distância percorrida pela onda em uma oscilação completa, sendo medida em nanômetros (nm) e a freqüênciade suas oscilações em hertz (Hz). O comprimento de onda dos lasers comerciais pode variar desde o infravermelho médio até o ultravioleta e depende fundamentalmente do seu meio ativo. É o meio ativo, em geral, que dá o nome ao laser determinando sua pureza espectral e seu comprimento de onda, conferindo características diferentes de emissão e de possível ação biológica. A monocromaticidade do laser determina a absorção seletiva por parte dos cromóforos com resposta afim a um ou vários λ. A irradiância é sinônimo da densidade de potencia (DP), que é definida como sendo a potencia óptica de saída do laser em Watts, dividida pela área em cm2. 15 ORGANELAS IMPLICADAS E REAÇÃO BASE CASACATA DE RESPOSTA FOTOQUÍMICA MITOCÔNDRIAS LUZ FOTO-REAÇÃO (pool de DNA) VISÍVEL CITOPLASMA (ATP) MEMBRANA CELULAR TRADUÇÃO DE SINAL E AMPLIFICAÇÃO CITOPLASMA (Ca++ ) NÚCLEO FOTO-RESPOSTA Proliferação ou diferenciação celular ou síntese de proteínas LUZ INFRAVERMELHA Multiplicando a irradiância pelo tempo de exposição em segundos, pode-se obter a fluência ou densidade de energia (DE) em Joules/cm2. A célula tem um período de vida segundo o tecido onde ela está localizada e seu estado fisiológico. Ao oferecer a célula uma baixa intensidade de energia, esta irá utilizá-la de maneira que estimule sua membrana, ou suas mitocôndrias. Dessa forma estaremos induzindo a biomodulação, ou seja, a célula buscará um estado de normalização da região afetada. A energia dos fótons de uma radiação laser absorvida por uma célula, será transformada em energia bioquímica e utilizada em sua cadeia respiratória. KARU (1988), descreveu um mecanismo de ação diferente para os lasers emitindo radiação na faixa visível e no infravermelho próximo, como demonstra a figura 1. Figura 1 – Modelo de Karu, modificado por Smith. Ação foto-química do laser visível na cadeia redox da mitocôndria. Ação foto-física do laser infravermelho na membrana celular. Ambos desencadeiam uma resposta celular, que gera cascata bioquímica de reações. Fonte: Karu (1988) 16 A luz laser visível induz uma reação fotoquímica, ativação direta da indução da síntese de enzimas (BOLOGNANI et al., 1993; OSTUNI et al., 1994; BOLTON et al., 1995) e essa luz tem como primeiro alvo os lisossomas e as mitocôndrias das células. As organelas absorvem luz infravermelha, porém apenas as membranas destas apresentam resposta a este estímulo. As alterações no potencial de membrana causadas pela energia de fótons no infravermelho próximo (PASSARELA et al., 1984; FRIEDMANN et al., 1991) induzem a efeitos fotofísicos e fotoelétricos, causando o choque que se traduzem intracelularmente com um incremento na síntese de ATP. Quando utilizamos cultura de células em monocamadas, a luz laser incide e conserva sua polaridade e coerência. A absorção de fótons por parte da célula, seja diretamente por captação ao nível de cromóforos mitocondriais ou por ação em sua membrana celular, produz estimulação ou inibição de atividades enzimáticas e de reações fotoquímicas. Estas ações determinam alterações fotodinâmicas de reações em cascata durante processos fisiológicos sob terapia (FUNK et al., 1992; LOEVSCHALL; ARENHOLT-BINDSLEV et al., 1994). 1.2 Criopreservação de Células Progenitoras Hematopoéticas A atual teoria da Criopreservação determina que é a formação de gelo durante o processo de refrigeração que causa o dano celular (KAROW;WEBB, 1965). Este dano pode ser classificado em duas categorias. Em níveis rápidos de refrigeração, cristais de gelo podem se formar dentro das células, os quais resultam em rompimento mecânico da célula e sua morte imediata. Em níveis mais lentos de refrigeração, a formação de cristais de gelo ocorre preferencialmente no espaço extracelular, o que resulta em aumento da osmolalidade à medida que a água livre é incorporada ao crescimento dos cristais de gelo. Esta perda da água livre resulta em: 1) concentração de solutos extracelulares que não penetram livremente na membrana celular, 2) extrema hiperosmolalidade, e 3) lesão por desidratação. A desidratação progressiva da célula vai acontecer se o grau de velocidade do resfriamento for lento o suficiente para permitir que a água mude para o espaço extracelular e seja incorporada aos cristais de gelo em crescimento. 17 A Criopreservação de células de mamíferos tornou-se possível com a descoberta, em 1949, das propriedades crioprotetoras do glicerol (POLGE et al., 1949). Em 1959, as propriedades crioprotetoras do dimetilsulfoxido (DMSO) foram relatadas (LOVELOCK; BISHOP, 1959). Glicerol e DMSO são crioprotetores coligativos que previnem a lesão por desidratação moderando a concentração aumentada de solutos extracelulares não penetráveis durante a formação de gelo e diminuindo o volume de água absorvida pelos cristais de gelo a uma determinada temperatura. A desidratação celular ocorre porque alguns solutos, como íons de sódio, não penetram livremente a membrana celular. Por essa razão, à medida que cristais de gelo se formam fora da célula durante o processo de refrigeração, o sal se torna concentrado e água sai da célula. O DMSO protege deste efeito porque ele livremente penetra na célula. Altas concentrações de DMSO dentro ou fora da célula impedem o efeito dessa desidratação porque há mais moléculas de DMSO do que do sal na solução (10% de DMSO é equivalente a 1400mOsm). Deste modo, a diferença de osmolalidade entre o interior e o exterior da célula é menor em qualquer temperatura depois que a cristalização do gelo começa. As propriedades coligativas não explicam a crioproteção alcançada pelo congelamento celular em soluções de macromoléculas como o hidroxietilstarch (HES). Soluções de crioprotetores poliméricos de alto peso molecular contém relativamente poucas partículas e não penetram livremente na célula. Estes crioprotetores podem proteger a célula pela formação de uma cápsula vítrea viscosa (vitrificação) que retarda o movimento da água, dessa forma prevenindo a desidratação progressiva à medida que a água é incorporada aos cristais de gelo no espaço extracelular (TAKAHASHI et al., 1988). A criopreservação permite o armazenamento e a viabilidade das células progenitoras hematopoéticas (CPH) por longo período de tempo sem a perda progressiva que ocorre durante armazenamento não congelado. Muitos laboratórios de criopreservação usam técnicas similares de criopreservação com diferenças mínimas na 18 concentração dos crioprotetores, volume dos componentes, e temperaturas de armazenamento (ATTARIAN et al., 1996; AREMAN et al., 1990). As etapas envolvidas na criopreservação são o processamento de pré-congelação, preparação e adição das soluções crioprotetoras, resfriamento e armazenamento. CPH coletadas do sangue periférico, da medula óssea ou do cordão umbilical são comumente congeladas e armazenadas usando-se as mesmas técnicas. A técnica geral inclui criopreservação em uma solução de DMSO (10%), uma fonte de proteína plasmática (albumina humana) com ou sem HES, refrigeração contínua a taxa de 1 até 3°C por minuto, e armazenamento a -80°C ou mais. Variações nesta técnica incluem a concentração na qual as células são congeladas, a quantidade e fonte de proteína plasmática, e as técnicas de refrigeraçãousadas (ATTARIAN et al., 1996; AREMAN et al., 1990). Muitas destas variações provavelmente têm pequenos efeitos na sobrevivência das CPH, como mostrado pela consistente enxertia dos componentes criopreservados (PRETI et al., 1994). Entretanto, a criopreservação resulta em uma perda substancial na proporção de CPH (GORIN, 1986) e o retardo na enxertia pode ocorrer se o componente a ser congelado tem quantidades limítrofes de CPH. 1.3 Ensaio clonogênico de células tronco hematopoéticas A produção das células sanguíneas é um processo complexo envolvendo proliferação celular, diferenciação, morfogênese, maturação funcional e morte celular (METCALF, 1984). As células tronco hematopoéticas residentes na medula óssea, possuem a capacidade única de auto-renovação e diferenciação nos diferentes tipos de células sangüíneas. A partir das células tronco hematopoéticas as células se comprometem com uma das três linhagens distintas conhecidas como mielóide, linfóide ou eritróide em resposta aos fatores de crescimento humoral e citocinas específicas presentes na medula óssea (GRIBALDO, 2002; DIODOVICH et al., 2004). Além dos precursores hematopoéticos, a medula óssea é constituída também pelo estroma medular: células endoteliais, células acumuladoras de lipídios, macrófagos e células fibroblásticas, formando assim o microambiente medular (PARENT-MASSIM et al., 2001). O estroma medular tem como função a regulação da maturação e 19 diferenciação dos precursores hematopoéticos por meio de contato direto entre as células do estroma e células primitivas ou de forma indireta por meio da liberação dos fatores de crescimento. A integridade destes dois sistemas, bem como a associação entre eles, são fatores cruciais para a manutenção da homeostase hematopoética (LORD & TESTA, 1988; DELLMANN, 1993). Devido à grande capacidade proliferativa do tecido hematopoético, as células da medula óssea são alvos freqüentes da ação de diferentes agentes tóxicos (YAMAGUCHI et al., 1994). Desta forma, a avaliação da integridade da hematopoese é um parâmetro importante para o entendimento dos mecanismos envolvidos na alteração da produção de células sanguíneas e como estas mudanças coletivamente podem influenciar o sistema imunológico. Os ensaios clonogênicos, simulando a hematopoese, são sistemas de cultura de células progenitoras hematopoéticas, geralmente em meio semi-sólido (ágar ou metil- celulose), amplamente empregado na hematologia experimental e clinica por mais de 30 anos. In vitro, em presença do meio de cultura e de uma mistura de citocinas específicas para cada linhagem celular, as células progenitoras formam colônias de células diferenciadas fenotipicamente. A este conjunto de células deu-se o nome de unidades formadoras de colônias (UFC) (QUEIROZ, 1988). As UFC são, teoricamente, originárias de uma única célula sendo, portanto, consideradas clonadas (PARENT- MASSIN, 2001). Os ensaios clonogênicos de células progenitoras podem resultar em UFC comprometidas com a linhagem de granulócitos e macrófagos (UFC-GM), com a linhagem eritróide (UFC-E) ou com a linhagem megacariocítica (UFC-MK) (PARENT- MASSIN 2001; MALERBA et al., 2004). Os ensaios clonogênicos mais freqüentemente estudados são os efeitos agudos de quimioterápicos sobre as UFC-GM. Uma vez que as células progenitoras são heterogêneas e considerando a cinética de seu desenvolvimento e principalmente o número de colônias obtidas, o ensaio clonogênico permite a distinção entre as diferentes expressões do efeito tóxico; estes efeitos tóxicos podem apresentar-se como destruição das células, bloqueio, atraso ou aumento no número de mitoses revelando, em última análise, aumento ou diminuição do número de UFC. Portanto, em um ensaio utilizando- 20 se um determinado quimioterápico, a quantificação da mielotoxicidade é feita a partir do número de UFC-GM sobreviventes em função do nível de exposição ao agente tóxico na presença de concentrações máximas do fator estimulador de colônias de granulócitos e macrófagos (“Granulocyte-Macrophage Colony Stimulating Factor” GM- CSF) (METCALF 1984; GRIBALDO 2002; PESSINA et al., 2003; DIODOVICH et al., 2004). Uma vez que a mielotoxicidade pode resultar tanto do efeito direto da droga sobre os progenitores hematopoéticos quanto do seu efeito sobre as células do estroma medular ou expressão de citocinas/receptores, diferentes ensaios clonogênicos têm sido desenvolvidos e propostos para a avaliação da integridade da hematopoese (PARENT- MASSIN et al., 1993; GRIBALDO et al., 1996; PESSINA et al., 1998; PESSINA et al., 1999; PESSINA et al., 2003). Todos estes testes são modificações da técnica original descrita por BRADLEY e METCALF (1966), e também desenvolvida e modificada por outros autores (DEXTER et al., 1973; DEXTER ; TESTA, 1976; DEXTER ; SPOONCER, 1987). Na hematologia clínica os ensaios clonogênicos são mais comumente empregados para predizer o tempo de recuperação medular em pacientes submetidos ao transplante de medula óssea (DELDAR et al., 1988; DELDAR ; STEVENS, 1993; DELDAR, 1994; DELDAR, HOUSE ; WIERDA, 1995). Por outro lado, na área experimental, estes ensaios podem ser aplicados para avaliar a hematopoese frente a diferentes condições patológicas como o estresse físico, a presença de agentes microbianos assim como de células neoplásicas de várias linhagens e como mencionado anteriormente, para avaliar o efeito de drogas, principalmente os agentes quimioterápicos (VALADARES et al., 1998; MALACRIDA et al., 1997; DANTAS ; QUEIROZ 1999; QUEIROZ et al., 2001; VALADARES; QUEIROZ 2002; QUEIROZ et al., 2004). 21 2 OBJETIVOS Baseados nos efeitos da criopreservação em CPH em associação com os efeitos da irradiação laser em tecidos e células o presente estudo foi delineado de modo a se investigarem os efeitos do laser de baixa potência (LBP) em diferentes densidades de energia na capacidade de crescimento de UFC in vitro de CPH criopreservadas por longo período de tempo. 22 3 MATERIAL E MÉTODOS 3.1 Coletas das Células Progenitoras Hematopoéticas Utilizaram-se dados referentes a coletas de CPH realizadas para transplante de medula óssea autólogo no Serviço de Hematologia e Hemoterapia de São José dos Campos entre setembro de 1999 e junho de 2001. Todos os pacientes incluídos neste estudo foram submetidos a biopsias de medula óssea de crista ilíaca bilateral que não mostraram evidência microscópica de doença no momento da colheita das CPH. Além disso, estudos citogenéticos e de imunofenotipagem foram normais nestes pacientes. CPH foram mobilizadas com 10µg por Kg de peso corpóreo do receptor com fator de crescimento humano para granulócitos (Filgrastima; Roche Brasil, Rio de Janeiro, RJ) em doses diárias por sete dias consecutivos. As células eram coletadas através de uma via venosa central inserida 2 dias antes da coleta de CPH. Precauções de assepsia foram realizadas tanto para a inserção do cateter quanto para a coleta das CPH. As CPH foram coletadas com um separador celular de fluxo contínuo (Fresenius AS104 separador celular, Fresenius Hemocare, Redmond, WA). A cada coleta, foram processados três vezes o volume total sangüíneo através do separador celular com uma meta mínima de 2,0x106 células CD34+ por Kg ou mais que 2,0x108 células mononucleares por Kg. A contagem celular foi realizada com um contador automático de células (Coulter T890, Beckman Coulter, Inc. Fullerton, CA). A quantificação das células CD34 positivas(CD34+) foi realizada como descrito anteriormente (GRATAMA et al., 2001). Cada coleta durou de 4 a 5 horas por dia. As doses alvo foram atingidas após três dias de coletas (aféreses). 3.2 Criopreservação As CPH foram criopreservadas usando-se uma mistura crioprotetora de 10% de dimetilsulfoxido (DMSO), 6% de HES e 4% de albumina humana (AH) utilizando-se um congelamento não programado a -85°C em freezer de nitrogênio (AYELLO et al., 23 1998). A viabilidade celular foi realizada pelo teste de corante azul de Trypam e teste de exclusão e valores superiores a 70% foram considerados ótimos. Amostras criopreservadas de pacientes que recidivaram em um período de 2 anos após a coleta das células ou que não atingiram as doses alvo de CD34+ e células mononucleares após três dias de aférese foram excluídos. Amostras descongeladas com viabilidade celular menor que 70% também foram excluídas. 3.3 Análise Clonogênica A análise clonogênica (AYELLO, 1998; DURAN, 1999) das CPH foi realizada usando-se um meio de metilcelulose preparado comercialmente (Methocult GF4434, Stem Cell Technologies, Vancouver, Britsh Columbia, Canadá) contendo citoquinas recombinantes que possibilitam o crescimento de unidades formadoras de colônias eritrocíticas (UFC-E), unidades formadoras de colônias de granulócitos e macrófagos (UFC-GM) e unidades formadoras de colônias de granulócitos, eritrócitos, macrófagos e megacariócitos (UFC-GEMM) (Figura 2). Amostras de cinco pacientes foram escolhidas aleatoriamente. Um frasco congelado de cada unidade de CPH foi descongelado depois de 3 anos para análise de unidades formadoras de colônias (UFC). O frasco congelado foi submerso em banho maria a 37°C e rapidamente descongelado. Amostras foram retiradas do frasco descongelado, pegando-se um volume previamente calculado de acordo com o total de células nucleares e células CD34+ contidas nas unidades de CPH antes da criopreservação. Um volume entre 0.050 e 0.100 ml de CPH descongeladas foi diretamente semeada no meio de cultura (concentração final de 2x105) (Figura 3). 24 Figura 2– Meio de cultura de Metilcelulose Figura 3- Amostras de 5 pacientes Concentração final de 2x105 células Culturas foram preparadas em placas de petri de 35mm de diâmetro e incubadas por 14 dias a 37°C com 5% de CO2 em uma atmosfera úmida (Figuras 4 e 5). Figura 4 – Culturas nas placas de petri de 35mm Figura 5 – Incubação das culturas por 14 dias a 37°C com 5% de CO2 em uma atmosfera úmida. Colônias, definidas como agrupamentos de mais de 40 células, foram contadas em um microscópio invertido. UFC foram calculadas pela soma de UFC-E, UFC-GM e UFC-GEMM. O crescimento de colônias foi relatado como a média da contagem de colônias x 105 células nucleares semeadas de cada amostra duplicada de CPH. 26 3.4 Culturas Clonogênicas Para cada paciente duas culturas clonogênicas foram expostas ao laser de baixa potência (LBP) e duas serviram de controle (Figuras 6 e 7). Figura 6– Cultura controle Figura 7– Cultura irradiada A irradiação foi feita com um laser semicondutor de InGaAlP como meio ativo acoplado com uma fibra óptica de 600µm de diâmetro operando em 685nm em um modo de onda contínuo (potência óptica de 25mW) (Figura 8). A fibra óptica foi posicionada verticalmente a fim de produzir um foco de 35mm de diâmetro. As perdas de energia não foram consideradas significantes. As culturas celulares foram irradiadas diretamente de cima para baixo com uma incidência perpendicular na superfície da amostra e expostas a densidades de energia de 0,1, 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 J/cm2 antes da incubação (Figura 9). O tempo de exposição foi de 38, 192, 385, 577 e 770 segundos por cultura, respectivamente. Para cada grupo de densidade de energia um total de dez culturas expostas e dez culturas controle foram estudas. 27 Figura 8 - Laser semicondutor de InGaAlP Figura 9 – Irradiação das culturas O teste U de Mann-Whitney foi usado para comparar os grupos. Um valor de “p” menor que 0.05 foi considerado significativo. 28 4 RESULTADOS Um alto número de UFC foi observado na dose de 1,0J/cm2 (Figura 10). Nenhuma diferença foi observada nas culturas expostas às doses de 0,1, 0,5 e 1,5 J/cm2. Por outro lado, um número menor de UFC foi demonstrado nas amostras expostas às doses de 2,0J/cm2 (Tabela 1). A B Figura 10– Exemplos de UFC obtidas de culturas expostas ao LBP na dose de 1,0J/cm2 (A). Exemplos de UFC obtidas de culturas não expostas ao LBP (B). Tabela 1– Análise dos resultados das UFC obtidas das amostras de CPH criopreservadas por 3 anos, de acordo com cada grupo de dose de densidade de energia. UFC (x 105 células) Densidade de Energia (J/cm2) Densidade de Potência (mW/cm2) Irradiadas Controle P 0,1 2,6 25,6 ± 10,6 (n=10) 24,0 ± 9,7 (n=10) 0,729 0,5 2,6 21,6 ± 14,8 (n=10) 20,4 ± 11,9 (n=10) 0,844 1,0 2,6 40,1 ± 10,6 (n=10) 21,3 ± 8,5 (n=10) <0,001 1,5 2,6 11,4 ± 3,8 (n=10) 14,4 ± 7,3 (n=10) 0,295 2,0 2,6 9,5 ± 9,3 (n=10) 21,4 ± 11,5 (n=10) 0,013 29 A fim de confirmar o efeito proliferativo, amostras com unidades de CPH criopreservadas por 5 anos foram descongeladas para análise de UFC e expostas a uma única dose de densidade de energia de 1.0J/cm2; novamente o grupo exposto mostrou um número maior de UFC (Tabela 2). Tabela 2 – Análise dos resultados das UFC obtidas das culturas expostas à densidade de energia de 1,0J/cm2 de acordo com o tempo de congelamento UFC (x105 células) Tempo de Congelamento (anos) Irradiadas Controle P 3 40,1 ± 10,6 (n=10) 21,3 ± 8,5 (n=10) <0,001 5 18,1 ± 13,1 (n=10) 8,8 ± 7,8 (n=10) 0,026 30 5 DISCUSSÃO Existem muitos estudos sobre os efeitos fotobiológicos in vitro e in vivo de culturas celulares ou tecidos biológicos, após a utilização da irradiação do laser de baixa potência. Fontes de laser de baixa potência, como o laser de hélio-neônio (He-Ne) com comprimento de onda de 632,8 nm, demonstraram produzir efeitos fotobiológicos com evidente interferência nas funções imunológicas. Culturas de células sanguíneas mononucleares humanas foram irradiadas várias vezes em duas intensidades selecionadas e então estimuladas com diferentes agentes mitogênicos. Após 30 minutos de irradiação laser (18,9 J cm-2) níveis significativamente aumentados de todas as citocinas foram determinados; por outro lado, culturas irradiadas por 60 minutos ou mais (37,8 J cm-2) apresentaram níveis de citocinas significativamente diminuídos (FUNK et al., 1992). Outro estudo avaliou a possibilidade de uma influência estimulatória da irradiação do laser de baixa intensidade na proliferação de células endoteliais de veia umbilical humana (CEVUH). Culturas de CEVUH foram irradiadas todos os dias com um diodo laser de 670 nm (intensidade: 10-65 mW cm-2, dose: 2-8 J cm-2) durante um período de 6 dias. A proliferação celular foi avaliada quantitativamente com um hemocitômetro. Observou-se um efeito dose-dependente e intensidade-dependente da irradiação do laser na proliferação das CEVUH. Doses entre 2 e 8 J cm-2 induziram uma proliferação celular estatisticamentesignificativa (SCHINDL et al., 2003). Os efeitos de freqüências pulsáveis do laser de baixa potência em formações nodulares ósseas em células de calvária de ratos in vivo também foram avaliados. Células osteoblásticas isoladas de calvária fetal de ratos foram irradiadas com uma energia baixa de laser Ga-Al-As (830nm, 500mW, 0.48-3.84J/cm2) em quatro modos diferentes de irradiação: irradiação contínua (IC), e 1, 2, e 8 Hz de irradiação pulsada (IP-1, IP-2, IP-8). A irradiação do laser nos quatro grupos estimulou significativamente a proliferação celular, formação dos nódulos ósseos, atividade da fosfatase alcalina (FA) e expressão genética da FA, se comparada com o grupo não irradiado. Notavelmente, as irradiações IP-1 e IP-2 claramente estimularam estes fatores, quando comparados com 31 os grupos IC e IP-8, e a irradiação IP-2 foi o melhor estímulo para formação de nódulos ósseos nas condições experimentais presentes, o que comprova que a irradiação de laser em baixas freqüências é um importante fator que afeta as respostas biológicas na formação óssea (UEDA; SHIMIZU, 2003). Ainda na área da reparação óssea, um estudo de 1987 já demonstrava a regeneração em fraturas ósseas após o tratamento com laser. Este estudo experimental foi realizado em fraturas de tíbia de camundongos, que tiveram sua reparação controlada histologicamente após uma exposição de laser de 632 nm (laser de HeNe, com doses de 2,4 J). Através de microscopia óptica, nos animais tratados, foram observados aumento na vascularização e uma rápida formação de tecido ósseo com uma densa rede trabecular quando comparado com o grupo controle, o qual apresentava apenas tecido condral e uma pobre vascularização, correspondendo a um estágio inicial da consolidação óssea. Concluiu-se que o laser deve modular o funcionamento dos osteócitos (TRELLES; MAYAYO, 1987). Oito anos após este estudo, em 1995, um novo trabalho experimental com tíbias de ratos mostrou uma regeneração óssea mais rápida e eficiente após a utilização do laser de HeNe (BARUSHKA et al., 1995). Uma série de trabalhos citados sugerem a atuação do laser de baixa potência na biomodulação celular. A análise das unidades formadoras de colônias pode ser usada para elucidar um número de problemas que têm desafiado pesquisadores por muito tempo. Este sistema de cultura auxilia o crescimento e diferenciação de progenitores hematopoéticos reconhecidos pela formação de UCF características. Por exemplo, é possível investigar as interações dos fatores que afetam as comunicações célula-célula influenciando a hematopoese. Ademais, este método permite determinar os efeitos sinérgicos que têm influência específica na diferenciação das células sangüíneas e no controle regulatório que são responsáveis pela definição das diferentes linhagens hematopoéticas. Além do mais, os efeitos tóxicos de vários agentes terapêuticos na diferenciação de células sangüíneas podem ser explorados usando-se esta análise (ALLIERI et al., 1990; KOBARI et al., 1990; ALLIERI et al., 1991). Entretanto, há uma considerável 32 variabilidade individual no número de UFC e os ensaios clonogênicos com meio de metilcelulose podem variar consideravelmente entre diferentes laboratórios. De fato, este método é criticamente dependente das condições de cultura utilizadas, incluindo o tipo de soro e citoquinas associadas para estimulação. Entretanto, a utilização de reagentes padronizados e comercialmente disponíveis, como usado no presente estudo, tem levado a uma grande reprodutibilidade dos resultados de UFC. Além disso, nós demonstramos que nas mesmas condições de cultura o LBP, dependente da densidade de energia do LBP, eleva (1,0J/cm2) ou diminui (2,0J/cm2) o potencial de CPH criopreservadas por longo período para o crescimento de UFC in vitro. VACEK et al (1990), demonstraram que uma exposição única de uma suspensão celular de medula óssea murina a irradiação do laser de He-Ne eleva o potencial de células tronco hematopoéticas para o crescimento de UFC-GM. Analisados em conjunto, estes dados sugerem que o aumento na capacidade de crescimento de UFC de CPH criopreservadas por longo tempo expostas ao LBP é um fenômeno particular e não uma interferência do meio de cultura. Os efeitos do armazenamento por longo período de tempo a –85°C usando uma mistura de DMSO, HES e AH como um crioprotetor no potencial clonogênico in vitro de CPH humanas autólogas, tem sido descrito. Demonstrou-se que o armazenamento de CPH a –85°C por períodos superiores a 3 anos é possível e é associado a um declínio gradual no potencial clonogênico (AYELLO, 1998; DURAN, 1999). Nossos dados relativos ao número de UFC em amostras criopreservadas e descongeladas após 3 e 5 anos estão em concordância com estes estudos. Entretanto, quando irradiadas com densidade de energia de 1,0J/cm2, CPH criopreservadas por longo tempo (3 e 5 anos) apresentaram um aumento no crescimento de UFC em comparação com o crescimento das células controle em condições ideais de cultura. Os mecanismos envolvidos neste fenômeno são pouco entendidos. Estudos in vitro têm discutido os efeitos proliferativos do LBP nos modelos biológicos; foi demonstrado recentemente que o LBP, além de promover biomodulação positiva, atua no restabelecimento da homeostase celular quando as células são mantidas sob condições de stress nutricional, previne apoptose em células CHO K-1 (CARNEVALLI et al., 2003) e aumenta a contagem de células tronco em planárias durante a regeneração tecidual (SOUZA et al., 2005). Também foi 33 demonstrado o efeito do LBP na morfologia e potencial das membranas mitocondriais em células Hep-2 sugerindo uma interferência funcional nestas organelas (BORTOLETTO, 2004; KUJAWA, 2004). Por outro lado, culturas irradiadas com densidade de energia de 2,0J/cm2 apresentaram um crescimento diminuído de UFC sugerindo um efeito tóxico ou inibitório nesta faixa de densidade de energia. Apesar destes dados, comparações com nossos dados deveriam ser cuidadosamente considerados desde que em cada estudo citado acima diferentes comprimentos de onda e densidades de energia de irradiação laser foram usadas a fim de investigar seus efeitos nas funções celulares in vitro. Entretanto, é razoável considerar que os efeitos do LBP nesta faixa de densidade de energia (0,1-2,0 J/cm2) no potencial clonogênico de CPH criopreservadas não estão relatadas a uma simples cascata metabólica, mas sim a uma complexa rede de caminhos que se influenciam mutuamente de uma maneira que parece ser proliferativo ou inibitório. Baseado nestes dados, um fenômeno possível a ser considerado é a ocorrência de apoptose. Apoptose é uma forma morfologicamente distinta de morte celular que tem um papel crítico na homeostase das células tronco hematopoéticas. A apoptose envolve um sinal, a interpretação deste sinal, a estimulação das vias da cascata do sinal e a integração destas vias com a estimulação ou supressão dos genes envolvidos. O que tem se tornado claro é que a apoptose é um sistema de elementos que controlam a resposta celular, alguns dos quais estimuladores e outros inibidores, podendo ocasionar a morte celular. Conseqüentemente uma hipótese razoável é que o LBP atua como um elemento de controle e, dependendo da densidade de energia, promove ou inibe a apoptose. Baseados nestes aspectos acreditamos que novos estudos usando-se mais doses próximas ao valor crítico (1,0J/cm2) e mais doses acima de 2,0J/cm2 a fim de se observar uma clara tendência de aumento ou diminuição dos efeitos com a dose de irradiação, bem como de uma possível associação direta entre a proporção de células apoptóticase a dose de irradiação, deveriam ser planejados. 34 6 CONCLUSÕES Com base nos objetivos propostos, este estudo demonstrou os efeitos do LBP em diferentes densidades de energia na capacidade de proliferação de UFC in vitro provenientes de CPH criopreservadas por longo tempo. Concluiu-se que, dependendo da densidade de energia, o LBP eleva (1.0J/cm2) ou diminui (2,0J/cm2) o potencial de crescimento de UFC de CPH criopreservadas por longo período de tempo. 35 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALLIERI, M.A.; DOUAY, L.; DELOUX, J.; SMADJA, N.; NAJMAN, A.; GORIN, N.C. The role of methylcellulose on colony growth of human myeloid leukemic progenitors (AML-CFU). Exp. 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