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Universidade Estadual do Ceará- UECE Faculdade de Medicina Veterinária- FAVET Disciplina Histologia e Embriologia Geral Veterinária Docente: Janaina Serra Azul Monteiro Evangelista Células-tronco neurais adultas da zona subventricular: uma revisão do Ensaio Neurosfera Discentes: Alessandra Oliveira Rego Ana Ligia Parente do Vale Lívia Batista Silva Luana Cortez Passos Maria Eduarda do Carmo Moura Fortaleza-Ce 2021 2 RESUMO A capacidade de se obter um ganho de grande número de células com potencial para se tornarem neurônios funcionais provoca um grande avanço na medicina regenerativa. O ensaio da neuroesfera tem sido bastante utilizado por grupos de pesquisa para analisar as propriedades biológicas de células-tronco neurais adultas e enxertar em cérebros lesionados a partir de modelos em animais, o qual é um método utilizado para isolar, manter e aumentar a quantidade dessas células. Nesta revisão foram brevemente descritos: o ensaio da neuroesfera e suas limitações, os métodos para otimizar as condições de cultura, a identidade e a morfologia de neuroesferas derivadas do SNC (incluindo novos dados ultraestruturais); a identidade das células que formam as neuroesferas. Além disso, a controvérsia a respeito da identidade e da “origem” das células na neuroesfera foi revisada e a fina morfologia das neuroesferas, descrita minuciosamente. Por fim, ao longo da revisão, foram amplamente destacados os pontos críticos que os pesquisadores devem ter em mente antes de extrapolar os resultados ou traduzir o transplante experimental. Palavras-chave: células tronco; neuroesfera; cultura; identidade; origem; morfologia. OBJETIVOS Este estudo tem por objetivo apresentar pontos importantes a respeito da neurosfera, tais como: métodos visando a otimização da cultura dessas células, apresentando quais as suas funções biológicas e sua morfologia. 3 1. INTRODUÇÃO Células-tronco são células com capacidade de autorrenovação e de diferenciação em diversas categorias funcionais de células. Ou seja, que tem capacidade de se dividir e se transformar em outros tipos celulares. Elas desempenham um importante papel durante a diferenciação dos folhetos em órgãos no desenvolvimento embrionário e na regeneração de tecidos na vida adulta e, até mesmo, podem ser programadas para desenvolver funções específicas, uma vez que se encontram em um estágio em que ainda não estão totalmente especializadas. Durante muito tempo, acreditou-se que um mamífero adulto não era capaz de produzir novos neurônios, porém, após anos de pesquisa foi finalmente descoberto que há uma geração de novos neurônios no cérebro adulto ao longo da vida em todas as espécies de mamíferos estudadas, incluindo humanos. Esta neurogênese adulta ocorre principalmente em duas regiões do cérebro: a zona subventricular (SVZ) nas paredes laterais dos ventrículos laterais e a camada subgranular do giro denteado do hipocampo. Para entender a regulação dos mecanismos de proliferação, diferenciação e morte celular de células-tronco neurais adultas (aNSCs) foi realizada uma demonstração de que progenitores imaturos com potencial multifenotípico poderiam ser isolados do sistema nervoso central (SNC) de camundongos adultos, e propagados em cultura. Estas células cresceram in vitro como agregados não aderentes denominados neuroesferas e eram capazes de gerar neurônios, astrócitos e oligodendrócitos após a remoção de fatores de crescimento. Existem dois períodos mais relevantes da neurogênese no OB (bulbo olfativo), a fase embrionária e o período pós nascimento inicial, quando um grande número de neurônios com seu destino no OB são produzidos. Depois, uma geração e integração contínua de novos neurônios do OB durante a idade adulta foi chamada de neurogênese adulta. Tal neurogênese adulta no OB em mamíferos foi demonstrada pela primeira vez no cérebro de roedores. Em humanos a neurogênese é amplamente aceita, porém há algumas controvérsias sobre até que ponto os NSCs (célula tronco neural) resistentes dão origem a neuroblastos que migram para o bulbo olfatório. Recentemente, foram medidos os níveis de testes derivados de bombas nucleares em DNA genômico, e foi relatado que havia uma renovação contínua das células não neuronais ao longo da vida, porém a adição de novos neurônios após o período perinatal em humanos foi bem pequena. 4 Como um modelo paralelo na neurogênese, um ensaio da neurosfera tem sido bastante utilizado para medir e analisar o comportamento de aNSCs derivados de SVZ. Esse ensaio consiste no crescimento de aNSCs sem soro com fatores de crescimento mitogênicos em um substrato não adesivo. O conceito de autorrenovação é definido como a capacidade de uma única célula gerar um clone. No caso do ensaio anterior, da neurosfera, a autorrenovação é a capacidade de uma única célula formar neuroesferas subclonadas. Nos últimos anos, a validade do ensaio in vitro da neuroesfera como medida de clonalidade, multipotencialidade e neurogenicidade tem sido questionada. O princípio central do ensaio da neurosfera é que a clonagem seja equivalente ao número de neurosferas. Essa premissa é falsa em si mesma, pois tanto as células tronco quanto seus progenitores amplificadores de trânsito podem formar neuroesferas. Com relação ao meio de cultura e otimização do ensaio Neurosphere, apesar de ser um protocolo comum, existe grande variabilidade no uso de componentes de mídia que leva a resultados heterogêneos, e padrões de métodos são recomendados. Em relação ao método de desagregação, o método menos agressivo é a desagregação mecânica. Este método não é o mais adequado para um estudo clonal porque não oferece a garantia de que as neuroesferas foram completamente fragmentadas em células individuais. O método enzimático atinge melhor esse objetivo, pois existem várias enzimas que quebram as neuroesferas, mas as mais comumente usadas são tripsina e Accutase. No entanto, essas duas enzimas diferem na viabilidade das células após serem desagregadas. A tripsina causa aumento da morte celular e rompe as membranas celulares. Isso implica uma perda nos receptores de membrana para mitógenos e, portanto, resulta em menos e menores neuroesferas "menos responsivas" do que aquelas tratadas com Accutase R. A Accutase AR atinge maiores viabilidades e recuperação rápida após dissociação. Algumas mudanças podem ser utilizadas no oxigênio como forma de otimizar o cultivo e condições de segurança. A manipulação de O2 concentração durante o ensaio da neuroesfera pode ser um método simples e barato para aumentar a proliferação celular e promover a diferenciação neuronal. Além disso, destaca-se que os tanycytes são considerados os principais candidatos a serem responsáveis pela geração de novos neurônios no hipotálamo. Essas células mantêm as características da glia radial ao longo da idade adulta e exibem um cílio primário semelhante ao SVZ-aNSC. 5 Após a lesão, os tanycytes proliferam e novos neurônios se integram na área danificada. Outra região onde as células-tronco residem é o giro dentado do hipocampo, mas há uma controvérsia se as células-tronco multipotentes (células do tipo B) no SGZ são capazes de se auto renovar e se diferenciar em progenitores gliais e neuronais ou apenas dar origem a colônias pequenas, unipotentes e não auto renováveis. Uma explicação para trabalhos anteriores em que células auto renováveis e multipotenciais foram obtidas, poderia ser a falta de uma técnica de dissecção apurada, ou a ausência de uma análise clonal rigorosa, embora isso ainda permaneça em debate. Devido à sua capacidade de se auto renovar e se diferenciar em relação ao fenótipo neuronal, os NSCs do bulbo olfatório adulto humano fornecem uma ferramenta atraente para terapias baseadas em transplanteem doenças neurodegenerativas que evitam as questões éticas levantadas pelo uso de embriões humanos. 2. RESULTADOS A partir dos estudos relacionados às células-tronco neurais adultas da zona subventricular, foi possível observar que o ensaio da neurosfera é uma excelente ferramenta para obter e expandir derivados de aNSCs para testar suas propriedades em diferentes condições ou mesmo para fornecer uma fonte de células para substituição e / ou neuroproteção após lesão. Porém, apenas neuroesferas cultivadas por curtos períodos de tempo devem ser usadas para pesquisas ou aplicações clínicas. As células derivadas do ensaio da neuroesfera têm ampla capacidade de se obter um ganho de grande número de células com potencial para se tornarem neurônios funcionais, provocando um grande avanço na medicina regenerativa. A zona subventricular (SVZ) é uma fonte de células para terapia, onde essas células-tronco neurais adultas, ou seja as (NSCs), retêm a capacidade de se multiplicar, se auto-renovar e se diferenciar em vários tipos de células maduras. No entanto, há alguns problemas que precisam ser superados para tornar a medicina regenerativa uma realidade terapêutica, por isso se faz necessário estudos de longo prazo em modelos animais para predizer o potencial oncogênico de células tronco estimuladas artificialmente. 6 2.1 Meio de cultura e otimização do ensaio Neurosfera Com relação ao meio de cultura de neurosferas, pode-se afirmar que o mesmo sofreu algumas otimizações desde a primeira descrição do crescimento in vitro em 1992 por Reynolds e Weiss. Tais como a associação da adição de misturas de hormônios definidos, suplementos B7 / N2 e também a disponibilidade de fatores de crescimento recombinantes, como o fator de crescimento epidérmico (EGF) e fator de crescimento de fibroblastos básico (bFGF). Como resultado da utilização desses fatores, foi observado que em neuroesferas derivadas de SVZ, o EGF aumenta diretamente a proliferação e a sobrevivência das células precursoras e aumenta a geração de astrócitos. Em contraste, o bFGF aumenta a neurogênese, mas adicionalmente protege os neurônios contra a degeneração induzida por lesão. O fator de crescimento derivado de plaquetas (PDGF) potencializa a capacidade proliferativa de bFGF e aumenta a oligodendrogênese. O fator inibidor de leucemia (LIF) é necessário para a replicação de longo prazo de células-tronco neurais responsivas a EGF e é crítico para a cultura de aNSCs humanos. Hormônios como a insulina tem propriedades neurotróficas e aumenta a proliferação de células progenitoras. Já a progesterona, incluída na mistura hormonal definida, demonstrou diminuir a proliferação na SVZ. Outros micronutrientes também são necessários para a cultura da neurosfera, como por exemplo: a transferrina, a glutamina, a putrescina e o selênio. Todos esses componentes estão incluídos nos suplementos comerciais mais utilizados (N2 ou B27), e devem ser adicionados ao meio basal (DMEM / F12 ou Neurobasal). A eficiência dos suplementos foi testada em meio neurobasal suplementado com B27 mostrou uma taxa de amplificação mais alta de 10 a 15 vezes em 7 dias após a passagem em comparação com N2. Foi observado também que mudanças na concentração de oxigênio que geralmente é de 21% para uma taxa menor que 3% (condições de hipóxia moderada) produziu um aumento da proliferação de NSCs e menos suscetibilidade à apoptose, produzindo um aumento no número de progenitores neuronais. 2.2 Caracterização Fenotípica da Neuroesfera Para avaliar os diferentes fenótipos compreendidos em uma neuroesfera, é fundamental analisar os marcadores moleculares disponíveis, a expressão gênica e / ou funções biológicas que caracterizam distintamente cada população celular. 7 2.2.1 Marcadores específicos Devido ao fato de não ter marcadores específicos de aNSCs, pode-se distinguir apenas três tipos de células em neuroesferas derivadas de SVZ de camundongos adultos que também estão presentes no nicho neurogênico in Vivo: (1) astrócitos ou células do tipo B (expressando GFAP, GLAST, CD133 entre outros) (2) células tipo C, que são Dlx-positivas, células Sox2-positivas e Olig2-positivas; (3) e células do tipo A, bem caracterizadas pela expressão de beta-III-tubulina (Tuj1). Coloração de Tuj1 e GFAP nunca se co-localizam sob condições de cultura padrão (Fig. 4A). Foi observado que uma pequena porcentagem de neuroesferas exibiu uma coloração proeminente para Tuj1. Isso pode ter ocorrido pelo fato de que esse subconjunto de neuroesferas pode ser derivado de um progenitor mais comprometido e as células estão em processo de diferenciação (Fig. 4A). As neuroesferas expressam marcadores de imaturidade e indiferenciação, como a nestina, geralmente co-localizando com marcadores fenotípicos em extensão variável. O tipo de célula mais frequente não expressa GFAP ou Tuj1, provavelmente correspondendo à célula C de divisão rápida. Ki-67, um marcador de entrada no ciclo celular, é amplamente expresso na neuroesfera como um sinal de proliferação ativa (Fig. 4B). 2.2.2 Abordagens baseadas na expressão gênica Nesse sentido, um dos principais problemas dessas abordagens é a obtenção de uma pureza adequada das populações celulares estudadas, dificultada dentro do “mesmo tipo de célula”, pela variabilidade das condições de cultivo ou pelo distinto estado de diferenciação. No ensaio da neuroesfera, células verdadeiramente indiferenciadas, ou seja, NSCs que podem cumprir a definição operacional in vitro e, o mais importante, in Vivo, correspondem a uma pequena porcentagem das células contidas na neuroesferas. Parker et al., realizaram um perfil de expressão gênica comparando clones de NSCs operacionalmente definidos (autorrenovação clonal e multipotencialidade clonal) com aqueles obtidos a partir do ensaio de neuroesfera (Parker et al., 2005). 8 Os autores demonstraram que os genes de “stemness” expressos por ambas as populações diferiam de um padrão semelhante a um tronco nas NSCs operacionalmente definidas, para um mais diferenciado nas células obtidas no ensaio. Além disso, foi demonstrado que a expressão do gene neurosphere-NSCs é um processo dinâmico que varia ao longo dos dias in vitro de um estado mais indiferenciado para um mais diferenciado (Gurok et al., 2004). Goetz et al. também abordaram um estudo relacionado, onde demonstraram que o enriquecimento do compartimento aNSC poderia ser realizado por in Vivo imunosseleção de células positivas para hGFAP e positivas para proeminina-1 (CD133). Essas células se auto-renovam e deram origem a neurônios, astrócitos e oligodendrócitos, enquanto as células GFAP positivas ou Prominin-1-positivas sozinhas não eram clonogênicas ou multipotenciais (Beckervordersandforth et al.,2010). 2.2.3 Função biológica Com relação às funções biológicas da neuroesfera, foi descrita uma abordagem indutiva para definir aNSCs com base na função (Maurer et al., 2008). Os padrões de expressão gênica podem variar, mas uma lista de pré-requisitos comuns (em termos de expressão de proteínas) deve ser cumprida: (1) A capacidade de resposta a fatores de crescimento (expressão de receptores), como EGF (fator de crescimento epidérmico), FGF-2, EPO (eritropoietina), G-CSF (fator estimulador de colônias de granulócitos), VEGF (fator de crescimento endotelial vascular), LIF (fator inibidor de leucemia), TGF-b (fator transformador de crescimento beta) , NGF (fator de crescimento neurotrófico), bem como neurotransmissores, tais como glutamato, GABA ou óxido nítrico; (2) O uso de cascatas de sinalização de desenvolvimento, incluindo Shh, Pax, Hox, Wnt, Notch / Delta, TGF-b, NF kappa B ou JAK / STAT; (3) A interação com a matriz extracelular por meio de proteínas de interação célula-célula, como integrinas e caderinas; (4) A expressão degenes reguladores da transcrição e tradução responsáveis pela mudança do fenótipo celular de sua forma indiferenciada para os novos requisitos funcionais de uma célula-tronco diferenciada; (5) Os mecanismos de controle do número de células e proteção contra o estresse celular. Uma vez que todos os pré-requisitos estão presentes, a célula possui as ferramentas biológicas necessárias para proliferar, se autorrenovar e se diferenciar, independentemente dos marcadores expressos. 9 2.3 Morfología de Neuroesferas Derivadas de SVZ Com relação a morfologia e organização histológica, o estudo observou que neuroesferas com um tamanho maior que 200mm de diâmetro apresentam uma região central escura ou núcleo (Fig. 5A-C). Que por sua vez, está correlacionada a uma área com alta taxa de morte celular. Nas seções semifinais, devido a morfologia grosseira e a coloração com azul de toluidina não mostrarem uma padrão claro de distribuição, não foi possível distinguir mais do que um único tipo de célula dentro da neuroesfera. Porém, foi observado que as células possuíam núcleos arredondados (contendo 1 ou 2 nucléolos típicos ) com invaginações ocasionais e apresentavam cromatina dispersa. Indicações claras de morte celular e ruptura foram observados no núcleo das neuroesferas relacionadas aos núcleos apoptóticos. Já os núcleos mitóticos apresentavam-se distribuídos na periferia da neuroesfera (Fig. 5D-H). Através da microscopia eletrônica, foi observado que algumas neuroesferas, não exibiam características ultraestruturais típicas de neurônios, células gliais ou ependimárias. (Fig. 6A, B). Também não foi possível diferenciar claramente as células elétronlucentes das elétron-densas. (Fig. 6A, B). Além disso, o citoplasma tinha contorno irregular com expansões curtas, esporadicamente longas, circundantes para contatar células próximas através de junções aderentes (Fig. 6D, E). Ademais, gotículas lipídicas foram observadas dentro do citosol (Fig. 6F, G), fato que não é usual na Vivo, indicando que as condições de cultura podem variar a atividade metabólica das células. Também foi notado esporadicamente em algumas células a presença de um único cílio profundamente internalizado dentro do citoplasma. Por fim, o estudo constatou que mesmo em condições ideais, as neuroesferas mostram sinais de dano celular e, em última instância, morte celular. Esses sinais aumentam conforme são afastadas das condições ideais de cultivo. 3. DISCUSSÃO O ensaio da oncosfera é uma ferramenta potencial para expandir aNSCs e progenitores para obter grandes quantidades de células para usá-las em pesquisa básica ou terapia de reposição. No entanto, é de extrema importância ter em mente as limitações deste procedimento para evitar interpretações equivocadas e, consequentemente, melhorar a técnica para que possam obter os resultados mais ideais. 10 O ensaio da neuroesfera a partir de células SVZ tem sido muito utilizado em pesquisas nos últimos tempos. No entanto, foram descritos nichos neurogênicos emergentes que são, ao mesmo tempo, novas fontes importantes de neuroesferas para fins de pesquisa. Mesmo que essas regiões tenham células-tronco com in vitro requisitos de ativação, foi demonstrado que essas células também se auto renovam e geram progênie diferenciada de oligodendrócitos, astrócitos e neurônios. Uma dessas regiões é o hipotálamo, envolvido na regulação do sistema neuroendócrino. Seu papel na neurogênese ainda permanece controverso, mas evidências recentes revelam a produção do mesmo tipo celular em um estado de transição de constantes mudanças morfológicas e moleculares (divisão celular, diferenciação ou morte celular), de novos neurônios durante a idade adulta (revisado em Migaud et al., 2010). Uma das regiões onde as células-tronco se localizam é o giro dentado do hipocampo, mas há uma controvérsia se as células-tronco multipotentes (células do tipo B) no SGZ são capazes de se auto renovar e se diferenciar em progenitores gliais e neuronais (Suhonen et al., 1996; Palmer et al., 1997; Seri et al., 2006), ou apenas dar origem a colônias pequenas, unipotentes e não auto-renováveis (Clarke et al., 2010). Os últimos autores, após análise clonal, mostraram que SGZ contém clones gliais e neuronais separados, sendo os progenitores gliais os mais proliferativos em cultura. Neste caso, uma explicação para trabalhos anteriores em Há também outras fontes potenciais de aNSCs como a retina (Das et al., 2005) e o córtex cerebral (Homman-Ludiye et al., 2012). As células obtidas dessas fontes que serão transplantadas, devem ser cultivadas e mantidas em condições ideais para melhorar os resultados neurológicos. Alguns aspectos como a pressão de oxigênio, componentes da mídia, temperatura, métodos de desagregação, número de passagens e assim por diante, devem ser considerados para otimizar a cultura da neuroesfera. Para que as condições de cultura sejam melhoradas, é fundamental reconhecer e verificar o estado das células que compõem as esferas. Foram descritos marcadores que são expressos por aNSCs, mas eles não são exclusivos para este tipo de célula ou representam apenas um subconjunto, por isso é essencial encontrar um marcador exclusivo para aNSCs, tornando assim possível a identificação de todas as células compreendidas na neuroesfera. Alguns autores defendem a heterogeneidade do compartimento aNSC com mais de um tipo de aNSCs representando estágios ou potencialidades distintas. O marcador CD133 foi proposto como um dos melhores candidatos para "marcador aNSC", mas apenas associado ao GFAP, é capaz de isolar aNSCs operacionalmente definidos (Beckervordersandforth et al., 2010). Em contraste, foi demonstrado que a fração 11 CD133-negativa da SVZ também retém clonogenicidade e multipotencialidade (Sun et al., 2009), confirmando novamente a heterogeneidade do compartimento aNSC. Com relação a descrever o fenótipo da neuroesfera, se faz necessário utilizar outros critérios além da sua morfologia, pois, ao analisar neuroesferas, os critérios estruturais não são tão operativos. Isso se deve em parte ao estado indiferenciado das células, hiperestimulado com fatores de crescimento, mas também a uma seleção clonal em direção a uma população única em proliferação ativa. Assim, as neuroesferas não representam aNSCs. No entanto, a microscopia eletrônica pode ser uma abordagem útil para caracterizar o estado fisiológico da célula, espelhado para a observação grosseira de morte celular, ou mesmo para ligeiras alterações morfológicas em diversas organelas celulares, como mitocôndria, retículo endoplasmático e condensação de cromatina, todas sensíveis às condições de cultura. Medindo a quantidade de vacúolos, corpos densos, lisossomos e assim por diante, podemos avaliar a saúde da célula a ser transplantada que provavelmente influenciará o enxerto. Um achado interessante foi a presença de lamelas anuladas, estruturas idênticas às membranas celulares, ocorrendo isoladamente ou agrupadas em grupos, no citoplasma celular relacionado à membrana nuclear e ao RE. Exemplos bem desenvolvidos de lamelas anuladas são mais frequentemente vistos em células de crescimento rápido ou diferenciação, como células germinativas, células embrionárias, células malignas e células em cultura, e são vistos com pouca frequência ou nunca em neoplasias benignas e células adultas normais. Sua função ainda é desconhecida, mas podem estar relacionadas à alta atividade proliferativa (Goldstein et al., 1971; Kessel, 1992). Assim, organelas podem desempenhar um papel como biossensores e, em última análise, essas características morfológicas podem ser relevantes no transplante de células, prevendo a sobrevivência do enxerto, funcionalidade ou detectando a transformação oncogênica. 12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BeckervordersandforthR, Tripathi P, Ninkovic J, Bayam E, Lepier A, Stempfhuber B, Kirchhoff F, Hirrlinger J, Haslinger A, Lie DC, Beckers J, Yoder B, Irmler M, G€otz M. 2010. 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