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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ FACULDADE DE VETERINÁRIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS VETERINÁRIAS DOUTORADO EM CIÊNCIAS VETERINÁRIAS GABRIELLE ROSEMBLIT MARTINS LOURENÇO CÉLULAS-TRONCO MESENQUIMAIS DE CORDÃO UMBILICAL CAPRINO COMO FERRAMENTA PARA O ISOLAMENTO DE LENTIVÍRUS EM CULTIVO CELULAR FORTALEZA - CEARÁ 2016

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ

FACULDADE DE VETERINÁRIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS VETERINÁRIAS

DOUTORADO EM CIÊNCIAS VETERINÁRIAS

GABRIELLE ROSEMBLIT MARTINS LOURENÇO

CÉLULAS-TRONCO MESENQUIMAIS DE CORDÃO UMBILICAL CAPRINO

COMO FERRAMENTA PARA O ISOLAMENTO DE LENTIVÍRUS EM

CULTIVO CELULAR

FORTALEZA - CEARÁ

2016

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GABRIELLE ROSEMBLIT MARTINS LOURENÇO

CÉLULAS-TRONCO MESENQUIMAIS DE CORDÃO UMBILICAL CAPRINO

COMO FERRAMENTA PARA O ISOLAMENTO DE LENTIVÍRUS EM CULTIVO

CELULAR

Tese apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Ciências Veterinárias da

Faculdade de Veterinária da Universidade

Estadual do Ceará, como requisito parcial

para a obtenção do título de Doutor em

Ciências Veterinárias.

Área de Concentração: Reprodução e

Sanidade Animal.

Linha de Pesquisa: Reprodução e sanidade

de pequenos ruminantes.

Orientadora: Profa. Dra. Maria Fátima da

Silva Teixeira.

FORTALEZA – CEARÁ

2016

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GABRIELLE ROSEMBLIT MARTINS LOURENÇO

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Dedico a minha família, em especial aos meus

pais Rita Maria e Eguimar, e ao meu marido

Ismael, por todo apoio durante minha

caminhada para conquista desse título.

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AGRADECIMENTOS

Ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias (PPGCV), da Faculdade de

Veterinária (FAVET), da Universidade Estadual do Ceará (UECE).

A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e ao Conselho

Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro.

A Profª. Drª. Maria Fátima da Silva Teixeira por todo apoio e ensino, sempre disposta a

lutar pelos sonhos e conquistas, pessoa que admiro pela garra e talento para lecionar e

pesquisar, muito obrigada.

A Profª. Drª. Lilia Maria Carneiro Câmara pelos ensinamentos e por abrir as portas do seu

laboratório com todo carinho e paciência, apresentando o mundo da citometria de fluxo.

Ao Senhor Silva, gestor responsável pela Fazenda parceira por colaborar com o projeto

através da disponibilização de animais para coleta.

Aos meus amigos do Laboratório de Virologia, em especial a Rebeca e Junior, por todo

apoio e ajuda, principalmente disponibilidade para ajudar nas coletas, mesmo em feriados e

finais de semana, facilitando a execução desse experimento.

Aos meus pais, Rita Maria Rosemblit Martins e Eguimar Araujo Martins, que sempre me

apoiaram em toda a minha caminhada acadêmica, sempre orgulhosos das conquistas.

Ao meu marido, Ismael Aires, por toda paciência durante esse período do experimento, e

acima de tudo disposição para acompanhar e ajudar nas coletas, mesmo em finais de

semana, feriados e férias.

A minha avó e tias, em especial a Rosaly, pelo apoio e orações para que tudo desse

certo nesse doutorado.

Aos demais que contribuiram de alguma forma, e aqui não foram citados, meu sincero

agradecimento.

A Deus, sem Ele esse sonho não poderia ter se concretizado. Aprendi que devemos

sempre agradecer por tudo que acontece em nossas vidas, nunca sabemos o que Deus

tem para nos dar, mas Ele conhece nossos corações, nossos medos e nossas

necessidades.

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RESUMO

Células-tronco são células não diferenciadas de embriões, fetos ou tecidos adultos, com

potencial para gerar diversos tipos celulares sob o estímulo bioquímico, hormonal e

mecânico adequado. Dentre elas figuram as células-tronco mesenquimais (CTM), tipo

celular que tem particular importância na pesquisa científica, utilizadas principalmente

em terapias celulares. No entanto, o seu potencial é bem mais amplo, podendo ser

utilizadas como insumo para o isolamento viral em cultivo celular. Dessa forma, o

objetivo deste trabalho foi isolar e caracterizar células-tronco mesenquimais

provenientes do cordão umbilical caprino, investigar o seu potencial de diferenciação, e

produzir monocamada celular para o isolamento de lentivírus em cultivo celular. Para

tanto, foram coletadas amostras de tecido e sangue do cordão umbilical caprino,

submetidas a protocolos de transporte, separação, isolamento e cultivo das CTM, para a

obtenção da monocamada celular. Essas células foram caracterizadas através da

imunofenotipagem por citometria de fluxo e submetidas à diferenciação em linhagens

mesodermais. As monocamadas obtidas foram utilizadas para isolamento dos lentivírus

de pequenos ruminantes, através da infecção experimental com os vírus da artrite

encefalite caprina (CAEV-Cork) e Maedi Visna (MVV K1514), visando testar sua

permissibilidade aos efeitos citopáticos causados por esses vírus, e seu potencial para o

uso no diagnóstico de lentiviroses em cultivo celular. A padronização do isolamento e

cultivo dessas células, tanto de amostras de tecido como sangue do cordão umbilical,

permitiu o isolamento das células-tronco mesenquimais, bem como obtenção de

monocamada celular com potencial de diferenciação nas linhagens mesodermais de

condrócitos, adipócitos e osteoblastos. Essas monocamadas se mostraram permissíveis à

infecção pelos lentivírus de pequenos ruminantes, apresentando efeito citopático de lise

e sincício celular. Esses resultados contribuem para evolução do diagnóstico das

lentiviroses em cultivo celular, apresentando nova alternativa de obtenção de células, e

dão base para maiores estudos com células-tronco mesenquimais caprinas.

Palavras-chave: CAEV. MVV. Cultivo Celular. CTM. Citometria de fluxo.

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ABSTRACT

Stem cells are undifferentiated cells of embryos, fetuses or adult tissues, with the

potential of generate cells of several tissues in the biochemical, hormonal and

mechanical stimulation suitable. Among them, the mesenchymal stem cells (MSC), a

cell type that has particular importance in scientific research, used mainly in cellular

therapies. However, its potential is much broader, and can be used as element material

for virus isolation in cell culture. Thus, the objectives of this work were to isolate and

characterize mesenchymal stem cells from the goat umbilical cord, to investigate its

differentiation potential, and to produce cell monolayer for the isolation of lentivirus in

cell culture. For this purpose, tissue and blood samples from the goat umbilical cord

were collected, submitted to protocols for transport, separation, isolation and culture of

the MSC, to obtain the cellular monolayer. These cells were characterized by

immunophenotyping by flow cytometry and submitted to differentiation in mesodermal

lines. The obtained monolayers were used to isolate lentiviruses from small ruminants

through experimental infection with Caprine Arthritis Encephalitis virus (CAEV-Cork)

and Maedi Visna virus (MVV K1514), in order to test their permissibility to the

cytopathic effects caused by these viruses and their potential for use in the diagnosis of

lentiviruses in cell culture. The standardization of the isolation and culture of these

cells, both tissue samples and umbilical cord blood, allowed the isolation of

mesenchymal stem cells, as well as obtaining a cell monolayer with differentiation

potential in the mesodermal lines of chondrocytes, adipocytes and osteoblasts. These

monolayers were shown to be permissible for infection by lentiviruses of small

ruminants, presenting cytopathic effect of lysis and cellular syncytium. These results

contribute to the evolution of the diagnosis of lentiviruses in cell culture, presenting a

new alternative to obtain cells, and provide a basis for further studies with mesenchymal

stem cells.

Key-words: CAEV, MVV, Cell Culture, MSC, Flow Cytometry.

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LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO 2

Figure 1 - Morphological features of MSC derived from goat UCB. (A) Primary culture

after 4-5 days. (B) Short or long spindles, with uniform fibroblast-like

morphology. (C) Typical fibroblast-like morphology with 80-85%

confluence.

Figure 2 - (A) Positive staining of Alcian Blue showed the chondrogenic differentiation.

(B) Positive Alizarin Red stain showed osteogenic differentiation. (C)

Sparsely small lipid droplets or even no lipid droplets in the cytoplasm,

showed lower adipogenic potential.

Figure 3 - Comparison of cell surface marker profiles between two types of MSC. (A)

Large fibroblastic MSC. (B) Small fibroblastic MSC. Both types of MSC at

passage 3 were analyzed by flow cytometry with antibodies against the

indicated antigens. Calibrated histogram representing standard number of

events in the Y-axis; and fluorescent intensity on X-axis. Negative control

was shown in the graph area with fluorescent intensity less than 10¹.

CAPÍTULO 3

Figure 1 -Primary culture of cGUCs: morphological features and cell monolayers

formed. (A) Epithelial cell-like phenotype. (B) Typical fibroblastoid shape.

(C) cGUCs exhibiting a large, flattened fibroblast-like morphology after the

third passage.

Figure 2 - Cytopathic effects caused by MVV and CAEV. (A) Cell lysis and syncytia

caused by MVV. (B) Giant multinucleated cells caused by CAEV. (C)

Negative control for the viral infectivity assay.

Figure 3 - FACS analysis of Vimentin and CD90, in vitro culture, third passage cGUCs.

(A) Vimentin PE. (B) CD90 FITC. Calibrated histogram representing the

number of events on the Y-axis and fluorescent intensity on the X-axis. The

red area histogram indicate negative control.

Figure 4 - Mesodermal lineage differentiation. Adipogenic Differentiation. (A)

Chondrogenic Differentiation. (B) Osteogenic Differentiation. (C)

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ADSCs - Goat Adipose-derived Stem Cells

AIEV – Vírus da Anemia Infecciosa Equina

APC - Allophycocyanin

BME - Meio Basal de Eagle

CTM – Células-tronco Mesenquimais

CAEV - Artrite Encefalite Caprina

cAF-MSCs - Caprine Mesenchymal Stem Cells derived from Amniotic Fluid

CAPES – Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

cGUCs - Cells from Goat Umbilical Cords

CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

CO2 – Dióxido de carbono

DMEM – Meio Essencial Mínimo modificado por Dulbeccos

EDTA - Ácido etilenodiaminotetracético

FACS - Fluorescence Activated Cell Sorter

FBS – Fetal Bovine Serum

FITC - Fluorescein Isothiocyanate

FIV – Vírus da Imunodeficiência felina

HIV-1 - Vírus da Imunodeficiência Humana tipo 1

HIV-2 – Vírus da Imunodeficiência Humana tipo 2

HSC - Hematopoietic Stem Cells

ICTV - Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus

ISCT - International Society for Cytotherapy

LVPR - Lentivírus de Pequenos Ruminantes

MEM – Meio Essencial Mínimo

MEM-E - Minimum Essential Medium with Earle’s salt and L-glutamine

Mg2+ - Magnésio

MO - Missouri

MOI – Multiplicidade de infecção

MSC - Mesenchymal Stem Cells

MVV - Vírus Maedi-Visna

NY – New York

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PBS - Phosphate buffered saline

PE - Phycoerythrin

pH – Potencial hidrogeniônico

PPGCV – Programa de Pós-graduação em Ciências Veterinárias

RNA - Ácido Ribonucleico

RPMI - Roswell Park Memorial Institute Medium

SFB – Soro Fetal Bovino

SIV – Vírus da Imunodeficiência Símia

SRLV - Small Ruminant Lentivirus

SS – Saline Solution

TGF-β – Fator de crescimento de transformação β

VSEL - Very small embryonic/epiblast-like stem cells

UCB - Umbilical cord blood

UFC – Universidade Federal do Ceará

UFC-F – Unidade formadora de colônia fibroblástica

USA – United States of America

USSC - Unrestricted somatic stem cells

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 13

2. REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................ 15

2.1 CÉLULAS-TRONCO ....................................................................................................... 15

2.2 CÉLULAS-TRONCO MESENQUIMAIS........................................................................ 16

2.3 CULTIVO DE CÉLULAS-TRONCO .............................................................................. 17

2.4 IMUNOFENOTIPAGEM POR CITOMETRIA DE FLUXO .......................................... 19

2.5 LENTIVIROSES DE PEQUENOS RUMINANTES ....................................................... 20

3. JUSTIFICATIVA .................................................................................................. 23

4. HIPÓTESES CIENTÍFICAS ............................................................................... 24

5. OBJETIVOS .......................................................................................................... 25

5.1 OBJETIVO GERAL ......................................................................................................... 25

5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 25

6. CAPÍTULO 1 ......................................................................................................... 26

7. CAPÍTULO 2 ......................................................................................................... 44

8. CAPÍTULO 3 ......................................................................................................... 62

9. CONCLUSÕES ..................................................................................................... 78

10. PERSPECTIVAS .................................................................................................. 79

11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 80

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1. INTRODUÇÃO

A célula-tronco é uma célula indiferenciada com capacidade de autorrenovação,

que pode originar diferentes tipos celulares. As células-tronco totipotentes, presentes no

embrião, podem originar os diversos tipos celulares do organismo. Em contraste, as

células-tronco multipotentes, como as células-tronco mesenquimais e células-tronco

hematopoiéticas, podem se diferenciar em apenas algumas linhagens celulares (ORBAY

et al., 2012).

A célula-tronco mesenquimal representa um tipo de célula-tronco adulta,

caracterizada por baixa imunogenicidade, multipotência, facilidade de isolamento,

purificação, expansão in vitro e a possibilidade de criopreservação (PROSPER et al.,

2003). Essas características favorecem o seu uso em diversos campos da pesquisa

científica, sendo capazes de se diferenciar e produzir vários tipos celulares necessários

como osteoblastos, condroblastos, hepatócitos, neurônios, células epiteliais, renais,

cardíacas, musculares, dentre outras (PITTENGER et al., 1999; SALEM e

THIEMERMANN, 2010).

Estudos com células-tronco mesenquimais buscam isolar, cultivar e caracterizar

esse tipo celular a partir de amostras de diversos tecidos e espécies animais, visando

utilizá-las em terapias celulares. As terapias baseadas em células visam reparar e

substituir tecidos lesados ou senescentes, oferecendo uma abordagem terapêutica

promissora tanto na medicina humana como na medicina veterinária (FORTIER e

TRAVIS, 2011; STOLTZ et al., 2012).

Porém, o potencial de utilização desse tipo celular pode ser bem mais amplo,

contribuindo para avanços em outros ramos da pesquisa científica, como estudos

microbiológicos, através do isolamento viral em cultivo celular, produção de antígenos

e vacinas. Essa nova possibilidade de aplicação pode contribuir para o diagnóstico, e

consequente prevenção de diversas doenças.

O sucesso da produção animal depende da aplicação de um bom manejo, que

inclui cuidados com nutrição, reprodução e sanidade animal. O manejo sanitário de

pequenos ruminantes inclui o controle e prevenção das lentiviroses de pequenos

ruminantes, doenças crônicas que afetam consideravelmente a produção desses animais.

Os lentivírus de pequenos ruminantes (LVPR), que compreendem o vírus da

artrite encefalite caprina (CAEV) e o vírus Maedi-Visna (MVV), são um conjunto

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genético de espécies lentivirais que foram inicialmente isoladas de cabras e ovelhas,

respectivamente (LEROUX et al., 1997). Após longo período de incubação, esses vírus

são responsáveis por uma infecção persistente que induz a doença crônica degenerativa

das articulações, pulmões, úbere e sistema nervoso central dos hospedeiros infectados

(RAVAZZOLO et al., 2006).

O diagnóstico dessas infecções é de suma importância em termos de

investigação epidemiológica e controle do comércio internacional de pequenos

ruminantes, de acordo com as recomendações da Organização Mundial da Saúde

Animal (OIE). A variedade biológica dos lentivírus de pequenos ruminantes dificulta a

utilização de uma ferramenta diagnóstica única, rápida e precisa, mas, em geral, são

eficientemente detectados através de métodos sorológicos que podem ser

complementados por técnicas moleculares (ANDRÉS et al., 2005). Entretanto, o

isolamento viral em cultivo celular representa a técnica padrão-ouro de detecção dessa

doença em um rebanho, comprovando a presença dos vírus a partir da observação dos

efeitos citopáticos em monocamadas celulares co-cultivadas com amostras (sangue,

lavado bronco-alveolar, leite, entre outros) coletadas dos animais infectados (CORK e

NARAYAN, 1980; HÖTZEL et al., 1993; CALLADO, 1999).

Considerando-se o potencial das células-tronco mesenquimais, e a possibilidade

de cultivo de diversos tipos de células, tanto para obter linhagens como para auxiliar no

diagnóstico de doenças, o objetivo deste trabalho foi isolar, caracterizar fenotipicamente

e investigar o potencial de diferenciação das células-tronco mesenquimais provenientes

do cordão umbilical caprino, visando obter monocamada de células para uso no

diagnóstico das lentiviroses de pequenos ruminantes no cultivo celular, bem como

padronizar protocolo de isolamento e cultivo desse tipo celular em caprinos,

contribuindo para avanços nesse campo de pesquisa.

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2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1 CÉLULAS-TRONCO

As células-tronco possuem como características a capacidade de diferenciação

celular, o que as permitem originar os mais diversos tecidos a partir de resposta a

estímulos externos, gerando linhagens celulares mais especializadas como tecido

muscular esquelético, ósseo, cartilaginoso e adiposo (SOUZA et al., 2003, PEREIRA,

2008; YARAK e OKAMOTO, 2010). Além disso, possuem o poder de autorrenovação

e diferenciação (WATT e HOGAN, 2000).

Quanto a sua potencialidade podem ser classificadas em totipotentes,

multipotentes, oligopotentes e unipotentes. As totipotentes apresentam como

característica a capacidade de gerar todos os tecidos do organismo e do folheto

embrionário; as classificadas como multipotentes apresentam a capacidade de gerar

diversas linhagens celulares; por sua vez, as oligopotentes originam células do próprio

tecido isolado e diversas células de tecidos somáticos (SOUZA et al., 2003) e as

células-tronco unipotentes originam apenas um tipo celular do folheto (FRIEL et al.,

2005; YARAK e OKAMOTO, 2010).

Outra classificação é realizada de acordo com a sua origem em células-tronco

embrionárias (CTE) e as células-tronco somáticas (CTS). As CTE são obtidas da massa

interna do blastocisto. As células-tronco somáticas são consideradas células

multipotentes que possuem potencial de se diferenciarem em múltiplas linhagens

celulares, sendo classificadas em células hematopoiéticas e mesenquimais. São

consideradas relevantes no uso da terapia celular devido sua facilidade de isolamento de

quase todos os tecidos adultos, cultivo e formação de banco de células (DOMINICI et

al. 2006, DEL CARLO et al. 2008, NERY et al. 2013). Anexos fetais como o fluído

amniótico, cordão umbilical e membrana amniótica são fontes promissoras de células-

tronco mesenquimais com grande potencial de aplicação na medicina regenerativa

(ZUCCONI et al. 2010).

As células-tronco mesenquimais apresentam grande plasticidade, originando

tecidos mesodermais e não mesodermais (ZAGO e COVAS, 2004; MEIRELLES et al.,

2006). São células multipotentes, com alta capacidade de se renovar e diferenciar em

células de diversas linhagens de tecido conjuntivo (BITTENCOURT et al., 2006) como

osteoblastos, condrócitos e adipócitos (KADIYALA et al., 1997).

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2.2 CÉLULAS-TRONCO MESENQUIMAIS

As células-tronco mesenquimais (CTM), também chamadas de células

progenitoras mesenquimais (KARAHUSEYINOGLU et al., 2007), representam um

arquétipo das células-tronco somáticas multipotentes. Essas células são uma promessa

para aplicação na medicina regenerativa em humanos (WAGNER et al., 2005) e

também em animais domésticos (CREMONESI et al., 2011), principalmente devido a

sua capacidade intrínseca de autorrenovação e diferenciação em vários tipos celulares

funcionais (BAKSH et al., 2004).

As CTM tem particular importância na medula óssea, sendo responsáveis pela

manutenção do “nicho da célula-tronco hematopoiética”, regulando sua autorrenovação

e diferenciação in vivo (WILSON e TRUMPP, 2006). A comprovação da existência

desse tipo de célula na medula óssea ocorreu após os estudos de Friedenstein et al.

(1966), caracterizadas pela capacidade de aderir ao plástico, formar colônias em

formato de fuso e semelhante a fibroblastos, sendo estas colônias derivadas de uma

única célula precursora, designada Unidade Formadora de Colônia Fibroblástica (UFC-

F) (PROCKOP, 1997).

Os critérios mínimos para se caracterizar esse tipo celular são sua característica

plástico aderente quando mantidas sob condições de cultivo; apresentar padrões de

expressão de antígenos de superfície incluindo CD29, CD44 (WAGNER et al., 2005),

CD73, CD90 e CD105 (DE MATTOS CARVALHO et al., 2009); e não apresentar

expressão dos marcadores da linhagem hematopoiética e HLA-DR (WAGNER et al.,

2005). Ainda devem ter capacidade de diferenciação em osteoblastos, adipócitos e

condroblastos in vitro (PITTENGER et al., 1999).

Essa linhagem de células-tronco somáticas pode ser encontrada em pequenas

quantidades em regiões perivasculares de todos os tecidos adultos, incluindo a medula

óssea, tecido adiposo, muscular e os órgãos parenquimatosos (MAMBELLI et al., 1999;

MEIRELLES et al., 2008; ZUCCONI et al., 2009). Uma vez isoladas, independente do

tecido de origem, podem ser utilizadas, principalmente, em terapias celulares. A forma

mais antiga de terapia celular é a transfusão de componentes sanguíneos, um dos

procedimentos terapêuticos mais executados em todo o mundo. No entanto, o foco atual

da terapia celular é a medicina regenerativa, que busca a substituição de células ou

tecidos lesados, senescentes ou perdidos para restaurar sua função. As formas de terapia

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celular que despertam as maiores esperanças da comunidade científica e da sociedade

em geral são as terapias com células-tronco (ZAGO, 2005).

Por apresentar alta plasticidade, possibilidade de isolamento a partir de tecidos

adultos, adaptação no cultivo celular in vitro, além de sua baixa imunogenicidade, essas

células apresentam um potencial bem mais amplo de utilização, podendo ser exploradas

por outros campos da pesquisa cientifica, não só o da medicina regenerativa. Para tanto,

necessita-se padronizar protocolos de isolamento e cultivo celular, proporcionando o

seu uso em diferentes experimentos, como os relacionados com a microbiologia, que

podem aproveitar os benefícios da técnica de cultivo celular in vitro, e auxiliar no

diagnóstico e prevenção de diversas doenças.

2.3 CULTIVO DE CÉLULAS-TRONCO

O cultivo celular é um conjunto de técnicas que permitem cultivar ou manter

células isoladas fora do organismo, e tem como objetivo a expansão do número dessas

células. Baseia-se na capacidade de as células multiplicarem-se numa placa de cultura

em condições adequadas, mantendo suas características próprias. A cultura de células

implica numa prévia desagregação mecânica ou enzimática do tecido original e o

cultivo de tais células é feito em uma camada aderente, em uma placa ou garrafa de

cultivo, em um substrato sólido ou cultura em suspensão. Esta técnica deve ser feita em

condições ótimas de temperatura e pH, conforme o tipo de células em estudo

(FRESHNEY, 2010).

A nutrição com meios suplementados com aminoácidos e carboidratos deve ser

fornecida para que as células se mantenham vivas e se comportem como se estivessem

no organismo vivo (ALBERTS et al., 2009). Meios como o Meio Essencial Mínimo

(MEM), Meio Essencial Mínimo modificado por Dulbeccos (DMEM), RPMI-1640

(Roswell Park Memorial Institute medium) e Meio Basal de Eagle (BME), acrescidos

de Soro Fetal Bovino (SFB), normalmente na concentração de 10-20%, têm sido

utilizados para manutenção das células-tronco mesenquimais in vitro, sendo a escolha

do meio uma variável importante para o sucesso do crescimento e diferenciação dessas

células (TAPP et al., 2009). A principal função do soro nas culturas celulares é fornecer

fatores hormonais que estimulem o crescimento celular e suas funções, fatores de

adesão e expansão e transporte de proteínas carregadoras de hormônios, minerais,

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lipídeos. O papel mais importante do soro está na promoção de adesão e expansão de

uma linhagem através de fatores como o colágeno e fibronectina (BASTOS et al.,

2007). As células-tronco isoladas e destinadas ao cultivo celular são mantidas em

incubadora a 37ºC com atmosfera com 5% CO2, o que facilita a manutenção do pH do

meio, permitindo que as trocas das células com o meio sejam mais eficientes

(FRESHNEY, 2005).

Culturas preparadas diretamente de tecidos de um organismo, com ou sem um

passo inicial de fracionamento das células, são chamadas culturas primárias. Na maioria

dos casos, células em culturas primárias podem ser retiradas da placa de cultura e

usadas para formar um número razoável de culturas secundárias; elas podem ser

repetidamente subcultivadas desta forma, por semanas ou meses (MANI et al., 2008).

As CTM podem ser cultivadas em meio de cultivo completo, em frascos ou

placas de cultura, nos quais elas se aderem, começam a se proliferar e formam as UFC-

F (KRAMPERA et al., 2006). Essas células se tornam uma população aderente cada vez

mais homogênea e de acordo com estudos de caracterização com CTM humanas, tem

potencial para se proliferarem sem se diferenciarem por até 40 passagens (HORWITZ et

al., 1999; PITTENGER et al., 1999). Em determinadas circunstâncias podem passar por

diferenciação celular, transformando-se em células com função mais especializadas

(ALBERTS et al., 2009).

A caracterização dessas células baseia-se na sua propriedade de adesão ao

plástico, morfologia fibroblástica e padrão característico de marcadores de superfície

(MARTIN et al., 2002). Esses critérios, juntamente com a habilidade de se diferenciar

em diversos tipos celulares, sendo os principais adipócitos, condrócitos e osteoblastos,

são suficientes para defini-la como células-tronco mesenquimais (PITTENGER et al.,

1999).

A técnica de cultivo proporciona o isolamento, cultivo e diferenciação desse tipo

celular, bem como sua aplicação em diversos campos da medicina veterinária.

Associada a técnica de citometria de fluxo proporciona uma caracterização completa,

identificando a presença de marcadores de superfície e intracelulares específicos.

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19

2.4 IMUNOFENOTIPAGEM POR CITOMETRIA DE FLUXO

A citometria de fluxo é um método moderno do estudo de células, através do

qual podem ser determinadas múltiplas propriedades físicas e biológicas de uma célula.

A linhagem celular e suas subpopulações podem ser determinadas pelo número e tipo de

antígeno de superfície, intracitoplasmático ou mesmo intranuclear, o que propicia a

quantificação e classificação ontogênica (imunofenótipo) das células. A citometria

permite, além do rastreamento rápido de inúmeras populações celulares, a quantificação

de pequenas populações com extrema especificidade (BACAL e FAULHABER, 2003).

Na caracterização de células-tronco mesenquimais, obtidas da medula óssea,

cordão umbilical, ou outro tecido de origem são utilizados anticorpos conjugados a

fluorocromos excitáveis, os quais reconhecem antígenos específicos de membrana, e são

analisados em citômetro de fluxo. A citometria de fluxo é um recurso importante na

Veterinária, permitindo uma análise rápida, objetiva e quantitativa de células em

suspensão (FALDYNA et al., 2001).

As células, em suspensão, são marcadas com anticorpos específicos, conjugados

com fluorocromos para detecção de moléculas de superfície e são introduzidas em uma

câmara de fluxo. O fluxo de células que atravessa a câmara está suspenso em uma

solução tampão, sendo que 500 a 4000 células ou partículas passam em fila única, por

segundo, através do sensor eletrônico. O fluxo é iluminado por laser argônio, que tem

uma energia de luz incidente de 488 nm. Cada célula é avaliada com relação ao tamanho

(feixe de luz frontal) e granularidade e complexidade interna (feixe de luz lateral), bem

como para a intensidade de fluorescência para detecção de diferentes marcadores de

superfície (imunofenotipagem). A técnica de citometria de fluxo permite, portanto,

identificar e quantificar células em suspensão com base no tamanho (“Forward scatter” -

FSC), na granularidade (“Side scatter” - SSC) e na intensidade da fluorescência dessas

células (ROITT et al., 2003).

Todas as células do organismo apresentam um conjunto de marcadores de

superfície que caracterizam a singularidade biológica e a marca das células que os

contêm (COVAS, 2006). Contudo, as CTM apresentam poucos marcadores

imunofenotípicos específicos (ALHADLAQ e MAO, 2004; MEIRELLES et al., 2006),

sendo sua caracterização estabelecida pela identificação de um perfil de marcadores

específicos e não específicos. Essa imunofenotipagem é realizada com a utilização de

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anticorpos monoclonais que reconhecem esses antígenos de superfície da membrana

celular (MEIRELLES et al., 2006; LOJUDICE, 2008).

A população de CTM isoladas da medula óssea de humanos e camundongos

expressa em sua superfície marcadores moleculares como: CD44 (receptor de

hialuronato), CD105 (endoglina, marcador angiogênico), CD106 (VCAM-1, molécula

de adesão vascular), CD166 (ALCAM, moléculas de adesão de leucócitos ativados),

CD29 (integrinas, VLA-ß), CD73 (SH3 e SH4), CD90 (Thy-1), Stro-1(estroma de

suporte da hematopoese) e Sca-1 (GRONTHOS et al., 2003; KOLF et al., 2007;

PHINNEY e PROCKOP, 2007). KOLF et al. (2007) afirmaram que o marcador Stro-1 é

o melhor marcador a se investigar quando se deseja pesquisar a presença de CTM.

Entretanto, esse marcador é gradualmente perdido durante a expansão em culturas.

Uma vez isoladas e caracterizadas essas células podem ser utilizadas em

experimentos biológicos, dentre eles no diagnóstico de lentiviroses, através do co-

cultivo de amostras de animais infectados com monocamadas de células-tronco

mesenquimais, no caso em questão, derivadas do cordão umbilical caprino.

2.5 LENTIVIROSES DE PEQUENOS RUMINANTES

Os pequenos ruminantes podem ser infectados por um grupo de lentivírus,

genericamente denominados de Lentivírus de Pequenos Ruminantes (LVPR), que

compreende vários isolados distribuídos, basicamente, em dois grupos filogenéticos,

cujos protótipos são os vírus Maedi-Visna (MVV) e Artrite encefalite Caprina (CAEV)

(Valas et al. 1997, Castro et al. 1999a, Valas et al. 2000). Os LVPR compartilham

similaridades genéticas, mecanismo molecular de replicação, morfologia e interações

biológicas em seus hospedeiros. Os membros deste grupo compõem um grupo

taxonômico espécie-específicos, tem tropismo por células da linhagem monocítica-

fagocitária e são caracterizados pela infecção persistente in vivo (Narayan et al. 1997).

São pertencentes à família Retroviridae, subfamília Orthoretrovirinae e ao gênero

Lentivirus (CORK et al., 1974; ICTV, 2015).

A artrite-encefalite caprina é uma enfermidade infecciosa, multissistêmica,

incurável e de caráter crônico que afeta caprinos em várias fases do desenvolvimento

etário, independente do sexo, raça e produção (CORK et al., 1974; LARA et al., 2005).

O CAEV é um RNA vírus, não oncogênico, que foi inicialmente descrito por Cork et al.

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(1974) como agente causal de encefalite em caprinos jovens, sendo posteriormente

identificado como um retrovírus por Crawford et al. (1980) em animais adultos que

apresentavam artrite crônica.

O vírus Maedi-Visna infecta, preferencialmente, ovinos causando infecção

multissistêmica, como em caprinos, porém com maior predileção pelos pulmões e

sistema neurológico. Os sinais clínicos da enfermidade deram origem à denominação da

doença. Primeiramente o quadro de dificuldade respiratória deu origem ao termo

“maedi”, que significa “dispneia”, decorrente de pneumonia intersticial progressiva

crônica. Logo depois, a doença que levava os ovinos á paralisia atáxica deu origem ao

termo “visna” que significa “desorientação”, causada por leucoencefalomielite

(STRAUB, 2004). Posteriormente descobriram que embora a enfermidade Maedi-Visna

acometesse diferentes sistemas do organismo e parecesse ser duas doenças bastante

distintas, os vírus causadores das duas formas clínicas eram semelhantes em sua

estrutura física, química e biológica (incluindo as propriedades de reações sorológicas).

Estudos comparativos revelaram que tanto Maedi quanto Visna eram doenças causadas

pelo mesmo vírus, originando a denominação Maedi-Visna (THORMAR e

HELGADOTTIR, 1965).

Outros vírus pertencentes ao gênero Lentivirus são os vírus das

imunodeficiências felina (FIV), bovina (BIV), símia (SIV) e humana (HIV-1, HIV-2); o

vírus da anemia infecciosa equina (AIEV) e o lentivirus Puma (ICTV, 2015).

Os lentivírus são partículas esféricas, envelopadas com aproximadamente 100nm

de diâmetro com núcleo cônico e denso, no qual estão inseridas moléculas idênticas de

RNA fita simples, uma molécula de transcriptase reversa dependente de Mg2+

e

proteínas do nucleocapsídeo (GONDA et al., 1986). O envelope está associado

covalentemente com as glicoproteínas transmembranárias e de superfície. Outra

estrutura presente na partícula viral é a matriz que está situada entre o capsídeo e o

envelope (PEPIN et al., 1998).

A infecção é caracterizada por um período prolongado de latência, na ausência

de transformação oncogênica nas células hospedeiras e tropismo principalmente por

monócitos/macrófagos e as células dendríticas (HUSO et al., 1988). O estudo de

lentivirus animais in vitro através do cultivo celular é considerado o padrão ouro para

isolamento de lentivirus de pequenos ruminantes. E para que isto seja possível é

necessário o uso de células de pequenos ruminantes para a replicação viral. O

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isolamento e identificação do vírus por meio do co-cultivo de células do colostro, leite,

lavado brônquio-alveolar, sanguíneas e líquido cerebrospinal com células de membrana

sinovial de cultivo primário caprino representa um diagnóstico determinante (CORK e

NARAYAN, 1980; HÖTZEL et al., 1993; CALLADO, 1999), sendo as culturas

primárias de células de membrana sinovial as mais usadas para o isolamento e

caracterização biológica do LVPR (CRAWFORD et al., 1980; NARAYAN et al.,

1980).

No entanto, barreiras éticas dificultam a obtenção de células derivadas da

membrana sinovial, devido à necessidade de utilização de tecidos fetais. Cultivos

primários podem ser instituídos, porém a rápida senilidade das células dificulta a

manutenção de um banco de células continuo para o diagnóstico e isolamento viral. As

células-tronco mesenquimais se apresentam como alternativa promissora para a

evolução dessa técnica, podendo ser obtidas de tecidos adultos, com capacidade de

autorrenovação, baixa imunogenicidade e proliferação in vitro por diversas passagens.

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3. JUSTIFICATIVA

As células provenientes do cordão umbilical representam uma alternativa

potencial de uso no diagnóstico de lentiviroses, com riscos reduzidos de contaminação

com agentes infecciosos, principalmente quando a colheita é feita de forma asséptica,

além de não utilizar embriões ou fetos, em geral por ocasião do parto este cordão seria

descartado e pode constituir um material excelente rico em células multipotentes com

possibilidade de gerar diversos tipos celulares.

As células-tronco têm sido utilizadas com finalidades diversas tais como

reconstrução de tecidos, correção de defeitos genéticos, transplantes em pessoas e

animais imunossuprimidos, obtenção de células reprodutivas, entre outros. Porém, com

a finalidade precípua de obtenção de monocamada de células visando o uso como

ferramenta destinada ao cultivo para isolamento viral ainda não tinha sido utilizada.

O cultivo de vírus constitui uma técnica padrão ouro para o diagnóstico por

isolamento viral, ampliação de estoques virais, confecção de antígenos diagnósticos e

vacinas; para a multiplicação viral a condição indispensável é a obtenção de

monocamadas celulares. Células primárias e secundárias de diversos tecidos têm sido

utilizadas, algumas linhagens celulares foram obtidas, contudo não existe uma

disponibilidade comercial para uso de rotina. Os cultivos primários apesar de custo

relativamente baixos, oferecem inúmeras dificuldades para sua obtenção, como a

utilização de tecidos fetais ou embrionários para sua confecção, riscos de contaminação,

além da senescência, depois de reduzido número de passagens.

A obtenção e caracterização de células-tronco mesenquimais multipotentes

provenientes do cordão umbilical caprino pode contribuir para o diagnóstico de diversas

doenças, a partir do isolamento de agentes patogênicos no cultivo celular, podendo

constituir linhagens de células com potencial para disponibilidade comercial.

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4. HIPÓTESES CIENTÍFICAS

1- Células-tronco mesenquimais podem ser isoladas do tecido e sangue do

cordão umbilical caprino.

2- Monocamadas de células-tronco mesenquimais provenientes do cordão

umbilical caprino constituem ferramenta para diagnóstico e isolamento de

lentivírus de pequenos ruminantes em cultivo celular.

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5. OBJETIVOS

5.1 OBJETIVO GERAL

Isolar, caracterizar fenotipicamente e investigar o potencial de diferenciação das

células-tronco mesenquimais provenientes do cordão umbilical caprino, visando

obter monocamada celular para uso no diagnóstico das lentiviroses de pequenos

ruminantes no cultivo celular.

5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Testar protocolos de transporte de amostras de tecido do cordão umbilical ao

laboratório;

Padronizar protocolo de separação de células-tronco mesenquimais a partir de

amostra de tecido e sangue do cordão umbilical;

Cultivar as células-tronco mesenquimais de cordão umbilical caprino em dois

meios de cultivo específicos para obtenção de monocamadas de células;

Testar concentrações de soro fetal bovino acrescida ao meio de cultivo das

células-tronco mesenquimais provenientes do sangue do cordão umbilical

caprino;

Caracterizar imunofenotipicamente por meio de citometria de fluxo as células-

tronco mesenquimais provenientes de cordão umbilical caprino, pós-cultivo;

Testar a susceptibilidade das células-tronco mesenquimais de cordão umbilical

caprino para a cepa padrão do vírus da artrite encefalite caprina (CAEV Cork) e

do vírus Maedi Visna (MVV K-1514);

Investigar o potencial de diferenciação das células-tronco mesenquimais em

linhagens mesodermais de adipócitos, condrócitos e osteoblastos.

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6. CAPÍTULO 1

CÉLULAS-TRONCO MESENQUIMAIS: CARACTERÍSTICAS,

CULTIVO E USO NA MEDICINA VETERINÁRIA

MESENCHYMAL STEM CELLS: CHARACTERISTICS, CULTIVATION

AND USE IN VETERINARY MEDICINE

Periódico: Revista Brasileira de Higiene e Sanidade Animal, v. 08, n. 2, p. 181-202,

abr-jun, 2014

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RESUMO

As células-tronco mesenquimais são células adultas indiferenciadas com grande

plasticidade, capazes de originar tecidos mesodermais e não mesodermais, produzindo

qualquer tipo celular necessário num processo de reparação. Devido a essas

características essas células vêm ganhando muito atenção das pesquisas voltadas tanto

para humanos como para animais, buscando-se protocolos padrões de separação, cultivo

e diferenciação das mesmas para que possam ser utilizadas em diversas terapias

celulares. O principal foco atual de interesse da terapia celular é a medicina

regenerativa, em que se busca a substituição de células ou tecido lesado, senescentes ou

perdidos para restaurar sua função, sendo as terapias com células-tronco, as que

despertam mais interesse na sociedade. Atualmente, as pesquisas em Medicina

Veterinária têm utilizados camundongos, ratos, gatos, cães, cavalos, ovelhas e cabras,

isolando esse tipo celular, principalmente, da medula óssea, tecido adiposo, cordão

umbilical e fluido amniótico.

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CÉLULAS-TRONCO MESENQUIMAIS: CARACTERÍSTICAS, CULTIVO E USO

NA MEDICINA VETERINÁRIA

Gabrielle Rosemblit Martins¹*, Maria Fátima da Silva Teixeira2, Rosivaldo Quirino

Beserra Junior3, Ronaldo Pereira Dias4, Tereza D’ávila de Freitas Aguiar5, Rebeca

Cavalcante Marinho6, Ana Raquel Almeida Pinheiro7.

_________________________________________________________________________ Resumo: As células-tronco mesenquimais são células adultas indiferenciadas com grande

plasticidade, capazes de originar tecidos mesodermais e não mesodermais, produzindo

qualquer tipo celular necessário num processo de reparação. Devido a essas características

essas células vêm ganhando muito atenção das pesquisas voltadas tanto para humanos como

para animais, buscando-se protocolos padrões de separação, cultivo e diferenciação das

mesmas para que possam ser utilizadas em diversas terapias celulares. O principal foco

atual de interesse da terapia celular é a medicina regenerativa, em que se busca a

substituição de células ou tecido lesado, senescentes ou perdidos para restaurar sua função,

sendo as terapias com células-tronco, as que despertam mais interesse na sociedade.

Atualmente, as pesquisas em Medicina Veterinária têm utilizados camundongos, ratos,

gatos, cães, cavalos, ovelhas e cabras, isolando esse tipo celular, principalmente, da medula

óssea, tecido adiposo, cordão umbilical e fluido amniótico.

Palavras-chave: Medula óssea, animais, terapias, multipotentes.

MESENCHYMAL STEM CELLS: CHARACTERISTICS, CULTIVATION AND

USE IN VETERINARY MEDICINE

Abstract: The mesenchymal stem cells are undifferentiated adult cells with high plasticity,

capable of causing tissue mesodermais and not mesodermais, producing any cell type

needed in the repair process. Due to such characteristics these cells have been gaining much

attention from research directed both to humans and to animals, seeking standards protocols

to separation, cultivation and differentiation of the same so that they can be used in various

cell therapies. The main current focus of interest in the cell therapy is regenerative

medicine, which seeks to replace damaged cells or tissue, senescent or lost to restore their

function, and therapies with stem cells, those that arouse more interest in society. Currently,

research in veterinary medicine have used mice, rats, cats, dogs, horses, sheep and goats,

isolating this cell type, mainly bone marrow, adipose tissue, umbilical cord and amniotic

fluid.

Keywords: Bone marrow, animals, therapies, multipotent

_________________________

1 3 4 5 Programa de Pós-graduação em Ciências Veterinárias da Faculdade de Veterinária da

Universidade Estadual do Ceará (UECE), email: [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected]

2 Doutora responsável pelo Laboratório de Virologia do Programa de Pós-graduação em

Ciências Veterinárias da Faculdade de Veterinária da Universidade Estadual do Ceará

(UECE), orientadora, email: [email protected], Médica Veterinária

6 Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Ciências Veterinárias da Faculdade de

Veterinária da Universidade Estadual do Ceará (UECE), email: , email:

[email protected], Médica Veterinária

7 Aluna de iniciação cientifica do Programa de Pós-graduação em Ciências Veterinárias da

Faculdade de Veterinária da Universidade Estadual do Ceará (UECE), email:

[email protected], curso: Medicina Veterinária

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Introdução

Células-tronco são células indiferenciadas que possuem capacidade de

autorrenovação, sendo capazes de se multiplicar mantendo o seu estado indiferenciado,

proporcionando uma reposição ativa de sua população nos tecidos; além de ter

capacidade de se diferenciar em diversos tipos celulares, possuindo, desta forma, um

papel regenerativo quando estes sofrem uma lesão ou injúria (BLAU et al., 2001;

FODOR, 2003).

A proliferação das células-tronco (autorrenovação) ocorre por meio de mitoses

sendo responsável por garantir um número adequado de células-tronco em determinado

local do organismo. Com relação à regeneração de tecidos esta ocorre quando as

células-tronco presentes em diversos locais do organismo recebem sinais específicos

para que ocorram divisão e reposição de células perdidas, como no caso de uma lesão

tecidual. A diferenciação é a capacidade particular que estas células apresentam de gerar

tipos celulares distintos, sob o estimulo bioquímico, hormonal e mecânico adequado, in

vitro ou in vivo (CSAKI et al., 2007).

Tomando-se como referencial os aspectos relativos ao potencial de diferenciação

das células-tronco estas podem ser classificadas em: pluripotentes - podem gerar todos

os diferentes tipos celulares, como as células da massa celular interna do blastocisto, e

multipotentes - precursoras de diferentes tipos celulares de uma mesma linhagem do

tecido onde se insere, como por exemplo, as células-tronco hematopoiéticas. As células-

tronco ainda podem ser classificadas como oligopotentes, que podem originar células de

diferentes linhagens celulares de um mesmo tecido, como as células-tronco neurais.

Existem também aquelas que originam apenas um tipo celular, com função repositora,

como as células-tronco da epiderme, chamadas unipotentes (FRIEL et al., 2005).

Essa série de características particulares das células-tronco determina o seu

importante papel na terapia de diversas doenças, sendo utilizadas tanto na medicina

humana, como na medicina veterinária, e em sua maioria obtidas, pós-natal, de amostras

da medula óssea (BYDLOWSKI et al., 2009).

Existem dois tipos de células-tronco potencialmente úteis para medicina:

células-tronco embrionárias e células-tronco adultas. O potencial de diferenciação das

primeiras está bem caracterizado em camundongos e em humanos, no entanto seu uso

em terapia celular e em pesquisa tem sido dificultado por questões de

histocompatibilidade, segurança e ética. Em contraste, as células-tronco adultas não

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apresentam estes empecilhos, apesar da extensão de sua plasticidade ainda estar sob

investigação (PEREIRA, 2008).

As células-tronco embrionárias são classificadas como totipotentes ou

pluripotentes, sendo encontradas durante o desenvolvimento do pré-embrião. Já as

células-tronco adultas ou células-tronco somáticas, são multipotentes, não

especializadas e já foram identificadas em diferentes órgãos e tecidos, como sangue

periférico, tecido adiposo, sistema nervoso central, músculo, epitélio intestinal, pele,

dente e medula óssea, onde participam da homeostase tecidual, gerando novas células

devido à renovação fisiológica ou injúria sofrida (BJORNSON et al., 1999; CLARKE et

al, 2000; CSAKI et al., 2007). As primeiras células-tronco adultas identificadas foram

às precursoras hematopoiéticas, responsáveis pela produção das células sanguíneas na

medula óssea (ZAGO, 2005).

Atualmente, dentre as células-tronco adultas estudadas, as células-tronco

mesenquimais (CTM) apresentam maior plasticidade, originando tecidos mesodermais e

não mesodermais (ZAGO & COVAS, 2004; MEIRELLES et al., 2006). São células

multipotentes, com alta capacidade de se renovar e diferenciar em células de diversas

linhagens de tecido conjuntivo (BITTENCOURT et al., 2006) como osteoblastos,

condrócitos e adipócitos (KADIYALA et al., 1997a), além de poderem ser obtidas de

diferentes tecidos como medula óssea e tecido adiposo (REBELATTO et al., 2008).

Células-tronco mesenquimais (CTM)

As CTM tem particular importância na medula óssea, sendo responsável pela

manutenção do “nicho da célula-tronco hematopoiética”, regulando sua autorrenovação

e diferenciação in vivo (WILSON & TRUMPP, 2006), estas CTM são formadas por um

grupo heterogêneo de células não hematopoiéticas, que inclui fibroblastos, adipócitos,

precursores osteogênicos e células reticulares (LAZZAROTTO-SILVA, 2009).

A presença de células-tronco não hematopoiéticas na medula óssea foi

primeiramente sugerida pelo patologista alemão Julius Clonheim, em 1867, quando

sugeriu que a medula óssea pudesse ser a fonte de fibroblastos que depositam fibras

colágenas como parte do processo normal de reparo (BYDLOWSKI et al., 2009).

Porém, a comprovação da existência desse tipo de célula na medula óssea só

ocorreu após os estudos de (FRIEDENSTEIN et al., 1966), através da demonstração de

uma cultura de células da medula óssea que tinha capacidade de aderir ao plástico,

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formar colônias em formato de fuso e semelhante a fibroblastos, sendo estas colônias

derivadas de uma única célula precursora, designada Unidade Formadora de Colônia

Fibroblásticas (UFC-F) (PROCKOP, 1997).

As CTM são consideradas uma linhagem de células-tronco somáticas e estão

presentes em pequenas quantidades em regiões perivasculares de todos os tecidos

adultos, incluindo a medula óssea, o tecido adiposo, o periósteo, o tecido muscular e os

órgãos parenquimatosos (MAMBELLI et al., 1999; MEIRELLES et al., 2008;

ZUCCONI et al., 2009). A medula óssea constitui um dos principais sítios doadores

dessas células, assim como de células-tronco hematopoiéticas e endoteliais

(PITTENGER et al., 1999; MINGUELL et al., 2000).

Inicialmente as CTM foram isoladas do baço e timo. Subsequentemente,

aspirados da medula óssea foram considerados amostras de eleição, por serem mais

acessíveis e apresentarem fontes ricas em CTM. Atualmente, essas vêm sendo isoladas

de vários locais do organismo humano e animal, incluindo cartilagem, periósteo,

sinóvia, líquido sinovial, músculos e tendões (FRIEDENSTEIN et. al., 1966), cérebro

(UCHIDA et al., 2000), tecido adiposo (ZUK et al., 2001), sangue do cordão umbilical

(LEE et al., 2004), e em tecidos fetais como sangue, fígado, medula óssea e do rim

(MIAO et al., 2006). Todavia, apresentam pouca quantidade desse tipo celular

comparado com a medula óssea, além de ainda não estarem bem estabelecidas às

condições ideais de cultivo (WEXLER et. al., 2003).

As CTM caracterizam-se por ser uma população de células multipotentes

capazes de se diferenciar e produzir qualquer tipo celular necessário num processo de

reparação, como osteoblastos, condroblastos, hepatócitos, neurônios, células epiteliais,

renais, cardíacas, dentre outras (PITTENGER et al., 1999). Tais características de

plasticidade sugerem que esse tipo celular é o responsável pela manutenção de todos os

tecidos do organismo (CAPLAN, 2009).

As CTM expressam um grande número de moléculas bioativas como as

moléculas de adesão, as proteínas de matriz extracelular, as citocinas e os receptores

para fatores de crescimento, permitindo interações com demais células (HUSS, 2000;

BOBIS et al., 2006). Essas moléculas atuam modulando a resposta inflamatória,

angiogênese e mitose das células envolvidas no processo de reparação tecidual (WAN et

al., 2008; CAPLAN, 2009).

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As CTM, uma vez isoladas, independente do tecido de origem, podem ser

utilizadas principalmente em terapias celulares. A forma mais antiga de terapia celular é

a transfusão de componentes sanguíneos, um dos procedimentos terapêuticos mais

amplamente utilizados no mundo todo. Porém, o principal foco atual de interesse da

terapia celular é a medicina regenerativa, em que se busca a substituição de células ou

tecidos lesado, senescentes ou perdidos para restaurar sua função. As formas de terapia

celular que despertam as maiores esperanças da comunidade científica e da sociedade

em geral são as terapias com células-tronco (ZAGO, 2005).

Cultivo de células-tronco

O cultivo celular é um conjunto de técnicas que permitem cultivar ou manter

células isoladas fora do organismo, e tem como objetivo a expansão do número dessas

células. Essa expansão é realizada pela manutenção das células em frascos ou placas de

cultivo, em meio apropriado, suplementado com diversos fatores, até que estas atinjam

80-85% de confluência, quando são submetidas à tripsinização, processo no qual são

transferidas e expandidas para mais frascos ou frascos maiores, técnica denominada de

passagem celular, que permite a ampliação do estoque celular e sua utilização em

pesquisas cientificas (FRESHNEY, 2005).

As células isoladas e destinadas ao cultivo celular são mantidas em incubadora a

37ºC com 5% CO2, o que facilita a manutenção do pH do meio, permitindo que as

trocas das células com o meio sejam mais eficientes (FRESHNEY, 2005). Diversos

meios de cultivo já foram testados para manutenção das CTM, dentre eles MEM, Meio

Essencial Mínimo modificado por Dulbeccos (DMEM), RPMI-1640, Meio Basal de

Eagle (BME), dentre outros, acrescidos de Soro Fetal Bovino (SFB), normalmente na

concentração de 10- 20%, sendo a escolha do meio uma variável importante para o

sucesso do crescimento e diferenciação das CTM em cultivos celulares in vitro (TAPP

et al., 2009).

As CTM podem ser cultivadas em meio de cultivo completo, em frascos ou

placas de cultura, nos quais elas se aderem, começam a se proliferar e formam as UFC-

F (KRAMPERA et al., 2006). Essas células se tornam uma população aderente cada vez

mais homogênea e de acordo com estudos de caracterização com CTM humanas, tem

potencial para se proliferarem sem se diferenciarem por até 40 passagens (HORWITZ et

al., 1999; PITTENGER et al., 1999).

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A separação de células para o cultivo pode ser efetuada através de diversos

gradientes de densidade de alto peso molecular. Dentre eles estão o Ficoll-Hypaque®,

Histopaque®, Isolymph® e Nycomed®, os quais apresentam a função de isolar

linfócitos e células mononucleares do sangue periférico e da medula óssea (ISLAM,

1995). O gradiente de densidade Ficoll tem merecido destaque, por ser de fácil

aplicabilidade, rápido e favorecer a concentração de células mononucleares, atingindo

altos níveis de rendimento celular (OLIVEIRA, 2009). O princípio da técnica de

separação baseia-se na densidade do gradiente em relação aos linfócitos, monócitos e

plaquetas, os quais não conseguem penetrar pelo gradiente. Esses se depositam na

interface entre o Ficoll e o plasma, formando o chamado “anel celular”. A migração

celular durante o processo de centrifugação com o Ficoll resulta na formação de

camadas contendo diferentes tipos celulares (Amersham BIOSCIENCES, 2002).

Nos primeiros estudos para separação de células-tronco foi utilizado Percoll®,

que apresenta o mesmo funcionamento dos outros gradientes de densidade

apresentados. Com o mesmo propósito, WAGNER et al. (2005) utilizaram Biocoll®,

com sucesso, para isolamento da medula óssea de humanos e DVORAKOVA et al.

(2008) utilizaram Ficoll-paque®. Sung et al. (2008) realizaram isolamento das CTM da

medula óssea de camundongos com Histopaque®.

Em uma variação do protocolo original de separação e isolamento de células-

tronco, a medula óssea coletada de camundongo é centrifugada e as células resultantes

são lavadas com meio de cultivo e então semeadas em frasco de cultivo (TROPEL et al.,

2004; Lennon & Caplan, 2006). Nesse caso, as células não aderentes são removidas

após três dias, removendo-se dessa forma as células sanguíneas e excluindo-se o uso de

um separador por gradiente de densidade.

O cultivo de CTM é feito selecionando-se as células com propriedade de adesão

ao plástico, sendo que as células que permanecem em suspensão são facilmente

removidas. Os outros tipos celulares “contaminantes” como os macrófagos, são

eliminados após um determinado número de passagens em cultura (JAVAZON et. al.,

2004). Estas células aderentes são heterogêneas e ficam inativas por dois a quatro dias,

quando começam a proliferar rapidamente. Após várias passagens em cultura, as células

aderentes se tornam fibroblastóides (BYDLOWSKI et al., 2009).

Toda CTM não diferenciada exibe morfologia fibroblástica e padrão

característico de marcadores de superfície (MARTIN et al., 2002). Esses critérios,

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juntamente com a habilidade de se diferenciar em diversos tipos celulares, têm sido

usados para definição de um protótipo de fenótipo para CTM que seja consistente entre

as diferentes espécies (MARTIN et al., 2002), incluindo rato (WOODBURY et al.,

2000), camundongo (PHINNEY et al., 1999), cão (KADIYALA et al., 1997b) e

humano (PITTENGER et al., 1999).

O padrão ouro para a identificação das CTM foi estabelecido por PITTENGER

et al. (1999) como “fibroblastos capazes de se diferenciarem em três linhagens

principais: osteoblástica, adipocítica e condrocítica”. Essa definição funcional permite a

afirmação da natureza de uma população das CTM na ausência de marcadores

específicos. Além desses tipos, as CTM podem ser expandidas ex vivo e induzidas in

vitro a se diferenciar em diferentes tipos celulares esqueléticos encontrados em vários

estágios do desenvolvimento, assim como em sítios anatômicos específicos. Tais tipos

celulares incluem osteoblastos (osso), condrócitos (cartilagem), adipócitos (estroma

medular), fibroblastos (periósteo), e células reticulares (estroma medular) (BIANCO et

al. 2008). Além de sofrer diferenciação não convencional tanto in vitro como in vivo,

formando células do tipo neural, endodermal, e cardiomiócitos, derivadas, portanto, de

folhetos embrionários diferentes do mesenquimal.

Laboratorialmente, as células mesenquimais isoladas e posteriormente

expandidas podem ser conduzidas a diferenciação em múltiplas linhagens fenotípicas,

quando cultivadas em meios específicos contendo fatores de crescimento ou outras

substâncias como dexametasona, indometacina, hidrocortisona e fatores de crescimento

de transformação (TGF-β) (JONES et. al., 2002).

Apesar dos avanços obtidos no emprego de células-tronco como auxiliares no

tratamento de inúmeras enfermidades, muitos questionamentos ainda não foram

esclarecidos. Assim, é possível argumentar que a grande preocupação acerca dos fatores

de sucesso e insucesso dos procedimentos de cultura celular tem relação com o número

de células obtidas nas colheitas, sua diferenciação e viabilidade nos meios utilizados

(PEREIRA et al., 2008), principalmente, quando se trata das células com potencial

reparador, as chamadas células-tronco mesenquimais (PROCKOP et al., 2003).

Uso das CTM na Medicina Veterinária

Diversos estudos vêm sendo realizados na Medicina Veterinária com o intuito de

isolar e caracterizar as CTM a partir de amostras de vários tecidos celulares, e de

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diferentes animais. Essas pesquisas têm como objetivos elaborar protocolos padrões

para separação, isolamento, cultivo e caracterização destas células, de forma a contribuir

para o seu uso em terapias humanas e animais, principalmente no tocante a tratamentos

visando à recuperação de lesões, sejam elas ósseas, epiteliais, dentre outras.

Inicialmente, os trabalhos envolvendo animais como ratos e camundongos foram

realizados, principalmente, com objetivo de utilizar um modelo animal para pesquisas

com humanos, como os trabalhos de BARROS et al. (2001) que utilizaram células-

tronco na reparação de falhas experimentais em rádio de coelhos, e de ARGÔLO NETO

(2009) e MONTEIRO (2009) que utilizaram culturas de CTM marcadas pela proteína

fluorescente verde em aplicações autógenas in situ, no tratamento de lesões epiteliais de

pacientes diabéticos e de lesões ósseas na calota craniana, demonstrando cicatrização

das feridas cutâneas em camundongos diabéticos e reparação de defeitos ósseos críticos,

respectivamente.

Atualmente, as pesquisas em Medicina Veterinária têm utilizado felinos,

caninos, equinos, ovinos e caprinos. Em gatos, MARTIN et al. (2002) realizaram o

isolamento e caracterização de CTM provenientes de amostras da medula óssea.

Estudos realizados com cães isolaram estas células da medula óssea (CSAKI et al.,

2007), tecido adiposo e medula óssea (Silveira et al., 2009) e do cordão umbilical (LEE

et al., 2013).

Em equinos já foi comprovado o isolamento deste tipo celular em tecido adiposo

(CARVALHO et al., 2009), cordão umbilical (REED & JONHSON, 2012), e medula

óssea (Seo et al., 2012), sendo realizadas diversas pesquisas voltadas para o uso de

células-tronco na reparação de lesões como de tendões, articulações e ligamentos

(PACINI et al., 2007; GODWIN et al., 2012; SOLE et al., 2012; FERRIS et al., 2013).

Isolamento de células-tronco também foram realizados em ratos (KADIYALA et

al., 1997ª; LENNON & CAPLAN, 2006), camundongos (BITTENCOURT et al., 2006;

YAMAMOTO et al., 2007; SUNG et al., 2008), ovinos, sendo utilizadas amostra de

tecido adiposo e cordão umbilical (FADEL et al., 2011) e em tecido adiposo e fluido

amniótico de caprinos (REN et al., 2012; PRATHEESH et al., 2013).

Considerações finais

A capacidade de se diferenciar em diversos tipos celulares das células-tronco

mesenquimais é de grande interesse da comunidade cientifica devido, principalmente, a

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sua importância para o sucesso das terapias celulares, reestabelecendo de maneira mais

rápida o funcionamento normal de tecidos lesados.

Atualmente, com o avanço do conhecimento sobre células-tronco e das técnicas

moleculares, a ciência conseguiu gerar informações importantes para o diagnóstico e

tratamento de diversas doenças. Dessa forma, os avanços nas pesquisas sobre terapias

celular têm colaborado para o bem-estar animal, proporcionando uma melhor qualidade

de vida, redução da dor e do período de recuperação dos mesmos.

Considerando a vasta capacidade das CTM, pesquisas mais abrangentes,

destinadas a outros interesses médico-veterinários, poderiam ser realizadas com o

intuito de ampliar a utilização e importância destas células. A implementação de

linhagens de células-tronco como ferramenta para o isolamento de patógenos em cultivo

celular se apresenta como potencial alternativa as pesquisas com células

indiferenciadas, não se restringindo apenas ao seu uso em terapias regenerativas.

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Recebido em 10/03/2014

Aceito em 14/05/2014

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44

7. CAPÍTULO 2

ISOLATION, CULTURE AND CHARACTERIZATION OF MULTIPOTENT

MESENCHYMAL STEM CELLS FROM GOAT UMBILICAL CORD BLOOD

Periódico: Pesquisa Veterinária Brasileira, aceito para publicação em 13 de outubro de

2016.

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ABSTRACT

Mesenchymal stem cells (MSC) reside in small numbers in many adult tissues and

organs, and play an active role in the homeostasis of these sites. Goat derived

multipotent MSC have been established from bone marrow, adipose tissues and

amniotic fluid. Umbilical cord blood (UCB) is considered an important source of these

cells. However, it has not been demonstrated the MSC isolation from the goat UCB.

Therefore, the aims of the present study were to isolate, culture and characterize goat

umbilical cord blood derived mesenchymal stem cells. MSC were isolated from UCB

by Ficoll-Paque density centrifugation and cultured in DMEM supplemented with 10%

or 20% FBS. It was performed FACS analysis and induction lineage differentiation for

characterize these cells. These cells exhibited two different populations in flow

cytometry, and revealed the positive expression of CD90, CD44 and CD105, but

negative staining for CD34 in larger cells; and positive stained for CD90 and CD105,

but negative for CD44 and CD34, in the smaller cells. MSC from goat UCB showed

capability to differentiate in chondrocytes and osteoblasts when incubated with specific

differentiation medium. Present study establishes that goat mesenchymal stem cells can

be derived successfully from umbilical cord blood.

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Isolation, culture and characterization of multipotent mesenchymal stem cells

from goat umbilical cord blood

Gabrielle R. Martins2*, Rebeca C. Marinho

2, Rosivaldo Q. Bezerra-Junior

2, Lilia M. C.

Câmara3, Luiz C. Albuquerque-Pinto

3, Maria F. S. Teixeira

2,4

ABSTRACT - Gabrielle R. Martins2*, Rebeca C. Marinho2, Rosivaldo Q. Bezerra-

Junior2, Lilia M. C. Câmara3, Luiz C. Albuquerque-Pinto3, Maria F. S. Teixeira2,4.

2016. Isolation, culture and characterization of multipotent mesenchymal stem cells

from goat umbilical cord blood. Laboratório de Virologia, Núcleo de Pesquisa em

Sanidade Animal, Programa de Pós-graduação em Ciências Veterinárias, Universidade

Estadual do Ceará, Av. Dr. Silas Munguba, 1700, CEP 60.714.903, Fortaleza, CE,

Brazil. Email corresponding author: [email protected].

Mesenchymal stem cells (MSC) reside in small numbers in many adult tissues and

organs, and play an active role in the homeostasis of these sites. Goat derived

multipotent MSC have been established from bone marrow, adipose tissues and

amniotic fluid. Umbilical cord blood (UCB) is considered an important source of these

cells. However, it has not been demonstrated the MSC isolation from the goat UCB.

Therefore, the aims of the present study were to isolate, culture and characterize goat

umbilical cord blood derived mesenchymal stem cells. MSC were isolated from UCB

by Ficoll-Paque density centrifugation and cultured in DMEM supplemented with 10%

or 20% FBS. It was performed FACS analysis and induction lineage differentiation for

characterize these cells. These cells exhibited two different populations in flow

cytometry, and revealed the positive expression of CD90, CD44 and CD105, but

negative staining for CD34 in larger cells; and positive stained for CD90 and CD105,

but negative for CD44 and CD34, in the smaller cells. MSC from goat UCB showed

capability to differentiate in chondrocytes and osteoblasts when incubated with specific

differentiation medium. Present study establishes that goat mesenchymal stem cells can

be derived successfully from umbilical cord blood.

INDEX TERMS: MSC, caprine, flow cytometry, stem cell, lineage differentiation.

_______________________

1- Received on June 06, 2016.

Accepted for publication on October 13, 2016.

2- Laboratório de Virologia, Núcleo de Pesquisa em Sanidade Animal; Programa

de Pós-graduação em Ciências Veterinárias, Universidade Estadual do Ceará, Av. Dr.

Silas Munguba, 1700, Itapery, Fortaleza, CE, CEP 60.714.903, Brazil. * Email

corresponding author: [email protected].

3- Laboratório de Imunologia, Programa de Pós-graduação em Microbiologia

Médica, Universidade Federal do Ceará, Rua Alexandre Baraúna, 994, Rodolfo Teófilo,

Fortaleza, CE, CEP 60430-160, Brazil.

4- Bolsista Produtividade em Pesquisa-CNPq

RESUMO. – [Isolamento, cultura e caracterização de células tronco mesenquimais

multipotentes provenientes do sangue do cordão umbilical caprino.] As células tronco

mesenquimais (MSC) residem em pequenas quantidades em muitos tecidos e órgãos

adultos, desempenhando um papel ativo na homeostase destes locais. O isolamento de

MSC já foi demonstrado em amostras de medula óssea, tecido adiposo e fluido

amniótico de cabras. O sangue de cordão umbilical é considerado uma fonte importante

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desse tipo de células. No entanto, até o presente momento, não foi demonstrado o

isolamento de MSC provenientes do sangue de cordão umbilical de cabras. Dessa

forma, o objetivo do presente estudo foi isolar, cultivar e caracterizar células tronco

mesenquimais provenientes do sangue do cordão umbilical caprino. As MSC foram

isoladas utilizando o gradiente de densidade Ficoll-Paque e cultivadas em DMEM

suplementado com 10% ou 20% de FBS. A caracterização desse tipo celular foi

realizada através de análise por citometria de fluxo e diferenciação em linhagens

celulares mesodermais. A analise no citômetro de fluxo demonstrou a presença de duas

populações distintas, um grupo com células maiores e outro com células menores;

observando expressão positiva de CD90, CD44 e CD105, e negativa para CD34 nas

células maiores; enquanto que as menores foram positivas para CD90 e CD105, mas

negativas para CD44 e CD34. As células isoladas demonstraram capacidade de se

diferenciar em condrócitos e osteoblastos quando incubadas com meio de diferenciação

específico. O presente estudo demonstrou que células tronco mesenquimais podem ser

obtidas com sucesso do sangue do cordão umbilical caprino.

TERMOS DE INDEXAÇÃO: MSC, caprino, citometria de fluxo, células tronco,

diferenciação em linhagens.

INTRODUCTION

Mesenchymal stem cells (MSC), first obtained from bone marrow aspirate, have

a great plasticity and are able to differentiate into bone, cartilage, fat tissue and even

muscle (Pountos and Giannoudis, 2005). MSC was originally described for Friedenstein

et al. (1968) in bone marrow as a component of the marrow stromal cell population that

collectively supports hematopoietic stem cell persistence and differentiation. However,

since this initial description, it is now recognized that MSC reside in small numbers in

many adult tissues and organs, and play an active role in the homeostasis of these sites.

These cells can be isolated from others different tissues, such as the umbilical cord

blood and matrix, adipose tissue, synovial membranes, embryonic tissue, and amniotic

fluid (Chang et al. 2006; Lee et al. 2013; Orbay et al., 2012; Pratheesh et al., 2013; Ren

et al., 2012; Reed and Jonhson, 2012).

Umbilical cord blood (UCB) is considered an important source of many types of

stem cells, including hematopoietic stem cells (HSC), endothelial progenitors,

mesenchymal stem cells (MSC), very small embryonic/epiblast-like (VSEL) stem cells,

and unrestricted somatic stem cells (USSC), potentially suitable for use in regenerative

medicine (Pelosi et al., 2012). Researches with UCB stem cells still face some

difficulties, mainly during the isolation process (Mareschi et al., 2001; Wexler et al.,

2003). MSC was isolated from umbilical cord of human (Chang et al., 2006; Lee et al.,

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2004), sheep (Fadel et al., 2011), equine (Reed and Johnson, 2012) and canine (Lee et

al., 2013).

Minimum criteria for the characterization of human MSC were created. These

should present adherence to the plastic, positive expression for the surface markers

CD105, CD73 and CD90, negative expression for the markers CD45, CD34, CD14 or

CD11b, CD79a or CD19 and the HLA-DR surface molecules, and present the capability

to differentiate into osteoblasts, adipocytes and chondrocytes in vitro (Dominici et al.,

2006). However, one major difficulty in characterizing MSC in veterinary medicine is

due to the low number of specific monoclonal antibodies available and evidence that

certain markers from human and mouse do not present a cross-reaction with others

species (Taylor et al., 2007). There is a large number of a positive marker described, but

each group of investigators using different markers, none specific or single. Perhaps the

differences between studies may be attributed to variations in culture methods or stage

of cells differentiation (Bydlowski et al., 2009).

Mesenchymal stem cells have low immunogenicity, thus allowing their potential

use in regenerative medicine. Human MSC (hMSC) are characterized by the low

expression of the major histocompatibility complex class I and are described by their

immunomodulatory effect on immune system cells. Additionally, hMSC fail to induce

proliferation of allogeneic or xenogeneic lymphocytes, causing effects on B lymphocyte

function, inhibiting its differentiation into plasma cells, and showed to interfere with

dendritic cell differentiation, maturation, and function (Krampera et al., 2003; Jiang et

al., 2005). In equines, preliminary studies examining the use of umbilical cord and

placentally derived MSC have suggested that such cells do not incite a cellular immune

response, even after repeated injections (Carrade et al., 2011a,b). It is important to

recognize that MSC from neonatal sources are likely more immune-privileged than

those derived from adult sources. MSC are remarkable potential as a cell mediate repair

and regenerative medicine for fatal or incurable diseases, such as spinal cord injury,

arthritis, and ischemic heart injury, has been demonstrated in the field of stem cell

therapy (Hatami et al., 2009; Pittenger and Martin, 2004; Sharp et al., 2010).

Goat derived multipotent MSC have been established from bone marrow (Zhang

et al., 2012), adipose tissues (Ren et al., 2012), and amniotic fluid (Pratheesh et al.,

2013). However, it has not demonstrated the isolation of mesenchymal stem cells from

the goat umbilical cord blood. Therefore, the aims of the experiments in this study were

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to isolate, phenotypically characterize and investigate the differentiation potentials of

goat umbilical cord blood derived mesenchymal stem cells.

MATERIALS AND METHODS

Animals and samples. All experiments were approved by the Ethics Committee for

Animal Use at the State University of Ceará, protocol number 127.769.79-0. For this

study, mongrel pregnant goats were used, aged between two and three years and free of

infection by SRLV. Blood samples were collected during calving. After birth, the goat

umbilical cord was clamped in the end next to the fetus, and the umbilical cord blood

(UCB) was harvested by syringe aspiration and packed in sterile tube with EDTA

(Ethylenediamine tetraacetic acid). The samples were transported within 2h to the

laboratory, packed in isothermal box with ice.

Isolation and culture. Mesenchymal stem cells were isolated from goat UCB by

Ficoll-Paque density centrifugation (600g for 10 min) and cultured in low glucose

DMEM (Dulbecco’s Modified Eagle Medium) (Gibco®, Grand Island, NY, USA)

supplemented with 300 U/mL penicillin, 300 µg/mL streptomycin, 0,5 mg/mL

amphotericin and 10% FBS (Fetal bovine serum, Gibco®, Grand Island, NY, USA).

The cells were seeded in A25 cell culture flasks and cultured at 37 °C in a CO2

incubator (5% CO2). After 4-5 days growth, fibroblast-like plastic-adherent cells were

observed. The media was changed after 5 days to avoid any mechanical stress, and

thereafter, it was replenished every third day until obtain confluent cell monolayer. It

was observed slow growth, due to this; it was increased FBS concentration for 20%,

promoting a better cell growth. At 80% confluence, cells were trypsinized (0,25%

Trypsin-EDTA, Gibco®, Grand Island, NY, USA) and reseeded in new cell culture

flask for expand the cell stock. For all the experiments, mesenchymal stem cells were

taken from third passage, whereas rest of the cells was allowed to grow further.

Chondrogenic differentiation. Chondrogenic differentiation was induced in

micromass cultures by seeding 5 μL droplets of cell solution (1.6 × 107 viable cells/mL)

in the center of 24-well plate. The cells were incubated with DMEM supplemented with

300 U/mL penicillin, 300 µg/mL streptomycin, 0,5 mg/mL amphotericin and 10% FBS

for 2 hours. Afterward, the cells were fed with a specific chondrogenesis differentiation

medium (StemPro®, Gibco®, Grand Island, NY, USA). The medium was replaced

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every 2-3 days. After 14 days, chondrogenic differentiation was confirmed by staining

for Alcian Blue (Sigma-Aldrich®,St. Louis, MO, USA).

Osteogenic differentiation. To induced osteogenic differentiation, the cells from the

confluent monolayer of the third passage (5 x 103 cells/cm²) were seeded in to a 24-well

plate and incubated with DMEM supplemented with 300 U/mL penicillin, 300 µg/mL

streptomycin, 0,5 mg/mL amphotericin and 10% FBS. After 24h, the medium was

discarded, and cells were cultured in StemPro® Osteocyte Differentiation Basal

Medium (StemPro®, Gibco®, Grand Island, NY, USA). The medium was replaced

every 2-3 days. After 14 days of culture, osteogenic differentiation of stem cells was

confirmed by Alizarin Red S staining (Sigma-Aldrich®,St. Louis, MO, USA).

Adipogenic differentiation. For adipogenic differentiation, trypsinized cells (1 x 104

cells/cm²) were seeded into a 24-well plate and incubated with DMEM supplemented

with 300 U/mL penicillin, 300 µg/mL streptomycin, 0,5 mg/mL amphotericin and 10%

FBS. After 24 h, the medium was discarded, and the cells were incubated with

StemPro® Adipogenesis Differentiation Basal Medium (Gibco®, Grand Island, NY,

USA). The differentiation medium was replaced every 3-4 days. After 14 days of

culture, the cells were fixed with 10% formalin at room temperature, washed with PBS,

and stained with 0,5% Oil-Red O (Sigma-Aldrich®,St. Louis, MO, USA) for 15 min

and Mayer’s Hematoxylin (Sigma-Aldrich®,St. Louis, MO, USA) for 5 min to visualize

lipid droplets.

FACS analysis. FACS analysis was performed to investigate the expression of the

surface markers CD90 FITC, CD105 APC, CD44 PE and CD34 APC in goat umbilical

cord blood derived MSC after the third passage. The cells were harvested and aliquoted

at a density of 3,2 x 106 cells/mL for each marker assay. These cells were incubated

with antibodies against surface markers [mouse anti-Human CD90 FITC, CD105 APC,

CD44 PE and CD34 APC (BD Biosciences®, USA)] for 30 min at 4 °C in the dark.

Thereafter, the cells were washed twice with FACS buffer washes, fixed with

formaldehyde buffer (PBS with formaldehyde 1%) and analyzed using a flow cytometer

(FACS Calibur BD, BD Biosciences®). The negative control was processed in similar

manner but without antibodies. The data obtained was analyzed using Flowjo® software

and plotted as single parameter histogram.

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RESULTS

Growth and culture characteristics of MSC

MSC from goat umbilical cord blood began to adhere after 4-5 days of culture,

first with a small, round, polygons and fibroblast-like cells, with some others types of

blood cells (Fig. 1A). Gradually, they extended into small or large spindles, with

uniform fibroblast-like morphology (Fig. 1B). Initially, the cells were being grown in

DMEM supplemented with 10% FBS, however, the cells showed slow growth, not

reached confluence, even after 15 days of incubation. In order to provide the best

growth of these cells, the FBS concentration was changed for 20%. Cells culture in 20%

FBS reached to 80-85% confluence faster about 8 days than those in 10% FBS in the

same inoculation condition (Fig. 1C). MSC showed a typical fibroblast-like morphology

after passage, with mix of short and long spindles. Cells at passage 3 were used in the

differentiation and FACS analysis tests, whereas rest of the cells were allowed to grow

further, and it observed that the growth and proliferation activity reduced with aging.

Chondrogenic differentiation

The chondrogenic potential of MSC from goat umbilical cord blood was

evaluated by in vitro micromass cultures of these cells in a specific differentiation

medium. After 14 days of incubation, the accumulation of sulfated proteoglycans was

visualized by positive Alcian Blue staining (Fig. 2A).

Osteogenic differentiation

In osteogenic differentiation, cells proliferated and reached to complete

confluence after 8-10 days of incubation with differentiation medium. The cellular

aggregates were then observed and were characterized by calcium deposits, which

demonstrated by positive Alizarin Red stain (Fig. 2B).

Adipogenic differentiation

Adipogenic differentiation of goat umbilical cord blood derived mesenchymal

stem cells was not confirmed. After incubated these cells with adipogenic-inducing

medium for 14 days, sparsely small lipid droplets or even no lipid droplets were

observed in the cytoplasm by Oil Red-O staining (Fig. 2C).

Surface antigen profile by FACS analysis

The study of cells by flow cytometry revealed the presence of two distinct

populations of cells. The populations differed in size, being characterized as small or

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large cells according to the characteristics of size and granularity observed. It evaluated

the immunophenotypic characteristics through presence of surface molecules comparing

both groups to negative control group.

FACS analysis revealed the positive expression of CD90 (52%), CD44 (19%) and

CD105 (15%), but negative staining for CD34 (2%) in larger cells. The smaller cells

were positive for CD90 (32%) and CD105 (12%), but negative for CD44 (3%) and

CD34 (1%). It observed difference about the fluorescent intensity in the groups. The

larger cells showed major fluorescent intensity to CD90 than small cells. Negative

control group of cells, which was processed in similar manner but without antibodies in

the incubation, didn’t show any expression of surface molecules analyzed. Negative

control wasn’t shown expression, It was represented in the graph area with fluorescent

intensity less than 10¹ (Fig.3).

DISCUSSION

Umbilical cord blood represents a potentially important source of mesenchymal

stem cells. These cells can be defined as multipotent stem cells capable of

differentiating into different tissue cell types, including adipocytes, osteocytes,

chondrocytes, myocytes and neuron-like cells. The main source of MSC is represented

by marrow; however, UCB represents an important alternative source for generation of

MSC (Lee et al., 2004). The umbilical cord is composed of several different parts

(amniotic membrane, umbilical cord matrix, umbilical cord vein, and umbilical cord

blood) that are available as source of MSC (Lee et al., 2013). In this study, MSC was

isolated from goat umbilical cord blood and first, cultured in DMEM supplemented with

10% FBS, however, the cells showed slow growth. In order to provide the best growth

of these cells, the FBS concentration was changed for 20% that demonstrated high

efficiency to maintenance the culture, and contributed for quick amplification of cell

stock. Several culture media have been tested for maintenance of MSC as MEM,

DMEM, RPMI-1640 and Basal Medium Eagle (BME), supplemented with FBS,

generally at concentration of 10-20%. The choice of the medium culture is important to

success of MSC growth in the in vitro cell culture (Tapp et al., 2009). MSC were highly

dependent on serum for growth. Cells cultured in 20% FBS reached to 80–85%

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confluence faster than those in 10% FBS in the same inoculation density (Im et al.,

2005).

This is a first study that isolated MSC from goat UCB. It was observed different

morphologic phenotypes in primary culture of MSC from goat UCB, but, gradually the

cells exhibited uniform fibroblast-like morphology. Goat derived multipotent MSC have

been established from bone marrow (Zhang et al., 2012), adipose tissues (Ren et al.,

2012), and amniotic fluid (Pratheesh et al., 2013) that observed similar morphology in

the same culture conditions.

Phenotypic characterization was performed by flow cytometry. The general

strategy for identifying in vitro cultivated mesenchymal stem cells as per ISCT

(International Society for Cytotherapy) is to analyze the expressions of cell-surface

markers such as CD-73, CD-44, CD-90 and CD-105 (Dominici et al., 2006; Donzelli et

al., 2007). During the FACS analysis was observed two different populations, small and

large MSC. Large MSC are positive for CD90, CD105 and CD44, whereas negative for

CD34 surface marker. Small MSC are positive for CD90, CD105, but negative for

CD44 and CD34. Differences in fluorescent intensity were observed, and large cells

showed more intensity than small cells, mainly in CD90 marker expression. This result

can be compared with others studies, Ren et al. (2012) described MSC from goat

adipose stained positively for vimentin, CD49d and CD13, and negatively for CD34 and

CD106. Caprine mesenchymal stem cells derived from amniotic fluid were positive for

CD90, CD105, CD73, and negative for CD34 (Pratheesh et al., 2013). Fadel et al.

(2011) isolated MSC of ovine umbilical cord that were positive for CD44 and negative

for CD38, CD41/61 and CD45. Lee et al. (2013) demonstrated by FACS analysis that

canine umbilical cord matrix derived MSC were positive for CD44, CD90, CD 105, and

CD184, whereas negative for the other CD markers such as CD29, CD33, CD34 and

CD45.

CD90 has been known as a negative regulator for hematopoietic proliferation

(Mayani and Lansdrop, 1994), its expression associate CD34 negative staining confirm

that there was no evidence of hematopoietic precursors in this culture. The levels

expression of surface markers are also different in others studies. Chang et al. (2006)

isolated cells from human UCB, and observed two different morphologic phenotypes:

flattened fibroblastic clones and spindle-shaped fibroblastic clones. CD90 was

differently expressed by these two cell populations. Spindle-shaped clonogenic MSC

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expressed a high level of CD90, while flattened clonogenic MSC showed negative

expression of CD90.

CD105 is usually express in mesenchymal stem cells. CD34 is a surface marker

of hematopoietic stem cells (HSC) and is expressed in lymph nodes, bone marrow HSC,

and various endothelial cells. CD34 negative staining demonstrated that cells were not

derived from circulating stem cells (Peng and Huard, 2004; Pittenger et al., 1999).

CD44 is a hyaluronate receptor. The positive staining for CD44 antibody in flow

cytometry argued with that published by Barry et al. (1999) and Martínez et al. (2009).

These studies showed that CD44 is an antibody that characterizes mesenchymal cells

for human and sheep fat tissue derived cells. In case of rabbits, CD44 is negative,

according to researches published by Martínez et al. (2009).

The differentiation potentials of MSC from goat UCB were investigated. These

cells showed capability to differentiate in chondrocytes and osteoblasts when incubated

with specific differentiation medium. Pratheesh et al. (2013) demonstrated that MSC

from goat amniotic fluid, like their marrow counterparts, were able to differentiate into

adipose cells in addition to osteogenic and chondrogenic lineages. Goat adipose-derived

stem cells showed the same differentiation potential (Ren et al., 2012). Chang et al.,

2006 investigated the same capability in MSC from human UCB and results showed

that both types of clonogenic MSC (flattened fibroblastic clones and spindle-shaped

fibroblastic clones) could differentiate into osteogenic and chondrogenic lineages under

appropriate conditions. However, in adipogenic induction, the spindle shaped MSC

exhibited many typical neutral lipid vacuoles within the cells as mature adipocytes,

while the flattened MSC only contained sparsely small lipid droplets or even no lipid

droplets at all. It was reported that UCB-derived MSC showed a reduced capability to

undergo adipogenesis (Bieback et al., 2004). Recently, we have also found that UCB-

derived MSC have lower adipogenic potential than bone morrow-derived MSC in vitro

(Chang et al., 2006). In this study, it was observed similar results, the MSC from goat

UCB have lower adipogenic potential. However, the cell showed high capability to

undergo chondrogenesis and osteogenesis.

CONCLUSION

Present studies establishes that goat mesenchymal stem cells can be derived

successfully from umbilical cord blood, which exhibit morphology, growth characters,

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immunophenotype and lineage differentiation potential similar with MSC of other

origins. These results collaborate to advances in research and treatments using stem

cells, demonstrating the potential and isolation as protocol of this cell type in goats.

MSC have low immunogenicity, thus allowing their potential use in regenerative

medicine.

Acknowledgements.- This work was supported by the National Council of Scientific

and Technological Development (CNPq), grant numbers 487425/2012-0 and

308995/2013-9, and by Personnel Improvement Coordination higher level (CAPES),

which provided a PhD scholarship. The authors are thankful to the Post Graduate

Program in Veterinary Science (PPGCV) of the State University of Ceará for supporting

the implementation of the experiments; to the Federal University of Ceará, particularly

to Lilia Maria Carneiro Câmara, PhD, for unconditional support in performing the

FACS analysis; and to Marcos Fábio Gadelha Rocha, PhD, and Júlio Sidrim, PhD (Post

Graduate Medical Microbiology – UFC). The authors also express their gratitude to

owners of the farms that allowed the use of their animals for this study.

Conflict of interest statement.- The authors have no competing interests.

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Fig.1. Morphological features of MSC derived from goat UCB. (A) Primary culture

after 4-5 days. (B) Short or long spindles, with uniform fibroblast-like morphology. (C)

Typical fibroblast-like morphology with 80-85% confluence.

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Fig.2. (A) Positive staining of Alcian Blue showed the chondrogenic differentiation. (B)

Positive Alizarin Red stain showed osteogenic differentiation. (C) Sparsely small lipid

droplets or even no lipid droplets in the cytoplasm, showed lower adipogenic potential.

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Fig.3. Comparison of cell surface marker profiles between two types of MSC. (A) Large

fibroblastic MSC. (B) Small fibroblastic MSC. Both types of MSC at passage 3 were

analyzed by flow cytometry with antibodies against the indicated antigens. Calibrated

histogram representing standard number of events in the Y-axis; and fluorescent

intensity on X-axis. Negative control was shown in the graph area with fluorescent

intensity less than 10¹.

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8. CAPÍTULO 3

GOAT UMBILICAL CORD CELLS ARE PERMISSIVE TO SMALL

RUMINANT LENTIVIRUS INFECTION IN VITRO

Periódico: Brazilian Journal of Microbiology, volume 48, págs. 125-131, 2017.

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ABSTRACT

Small ruminant lentiviruses isolated from peripheral blood leukocytes and target organs

can be propagated in vitro in fibroblasts derived from goat synovial membrane cells.

These cells are obtained from tissues collected from embryos or fetuses and are

necessary for the establishment of the fibroblast primary culture. A new alternative type

of host cells, derived from goat umbilical cord, was isolated and characterized

phenotypically with its main purpose being to obtain cell monolayers that could be used

for the diagnosis and isolation of small ruminant lentiviruses in cell culture. To

accomplish this goal, cells were isolated from umbilical cords; characterized

phenotypically by FACS analysis; differentiate into osteogenic, chondrogenic and

adipogenic lineage; and submitted to viral challenge. The proliferation of goat umbilical

cord cells was fast and cell monolayers formed after 15 days. These cells exhibited

morphology, immunophenotype, growth characteristics, and lineage differentiation

potential similar to MSCs of other origins. The goat umbilical cord derived cells stained

positive for vimentin and CD90, but negative for cytokeratin, CD34 and CD105

markers. Syncytia and cell lysis were observed in cell monolayers infected by CAEV-

Cork and MVV-K1514, showing that the cells are permissive to small ruminant

lentivirus infection in vitro. These data demonstrate the proliferative competence of

cells derived from goat umbilical cords and provide a sound basis for future research to

standardize this cell lineage.

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GOAT UMBILICAL CORD CELLS ARE PERMISSIVE TO SMALL

RUMINANT LENTIVIRUS INFECTION IN VITRO

Gabrielle R. Martins¹, Rebeca C. Marinho¹, Rosivaldo Q. Bezerra Junior¹;

Antoniel de O. Alves¹, Lilia M. C. Câmara², Luiz C. Albuquerque-Pinto², Maria F.

da S. Teixeira¹

1- Laboratório de Virologia, Programa de Pós-graduação em Ciências Veterinárias,

Universidade Estadual do Ceará, Fortaleza, CE, Brazil

2- Laboratório de Imunologia, Programa de Pós-graduação em Microbiologia

Médica, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE, Brazil

Abstract

Small ruminant lentiviruses isolated from peripheral blood leukocytes and target organs

can be propagated in vitro in fibroblasts derived from goat synovial membrane cells.

These cells are obtained from tissues collected from embryos or fetuses and are

necessary for the establishment of the fibroblast primary culture. A new alternative type

of host cells, derived from goat umbilical cord, was isolated and characterized

phenotypically with its main purpose being to obtain cell monolayers that could be used

for the diagnosis and isolation of small ruminant lentiviruses in cell culture. To

accomplish this goal, cells were isolated from umbilical cords; characterized

phenotypically by FACS analysis; differentiate into osteogenic, chondrogenic and

adipogenic lineage; and submitted to viral challenge. The proliferation of goat umbilical

cord cells was fast and cell monolayers formed after 15 days. These cells exhibited

morphology, immunophenotype, growth characteristics, and lineage differentiation

potential similar to MSCs of other origins. The goat umbilical cord derived cells stained

positive for vimentin and CD90, but negative for cytokeratin, CD34 and CD105

markers. Syncytia and cell lysis were observed in cell monolayers infected by CAEV-

Cork and MVV-K1514, showing that the cells are permissive to small ruminant

lentivirus infection in vitro. These data demonstrate the proliferative competence of

cells derived from goat umbilical cords and provide a sound basis for future research to

standardize this cell lineage.

Key-words: CAEV, MVV, CELL CULTURE, MSC, FLOW CYTOMETRY

Introduction

The small ruminant lentivirus (SRLV) comprises two types of viruses, the

Caprine Arthritis Encephalitis virus (CAEV) and the Maedi Visna virus (MVV); both of

which are widely distributed throughout the world. CAEV and MVV share genetic

similarities, molecular mechanisms of replication, morphology and similar biological

interactions in their hosts. These lentiviruses cause persistent infections, including

encephalitis, arthritis, progressive pneumonia, and mastitis in goats and sheep. Like

other lentiviruses, CAEV and MVV infect cells of the monocyte/macrophage lineage

and dendritic cells.1,2

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CAEV and MVV can replicate in primary fibroblasts derived from synovial

membranes or from choroid plexus cultures,3,4

and can also replicate in the

immortalized TIGEF cell line (T Immortalized Goat Embryonic Fibroblast).5 These

cells are obtained from the tissues collected from embryos or fetuses and are necessary

for the establishment of the fibroblast primary culture.

An alternative method would involve using cells derived from goat umbilical

cords, which is an invaluable tool that does not use embryos or fetuses. Generally, the

umbilical cord would be discarded after calving. However, it is an excellent source

material, rich in cells that are able to originate several cell types. The umbilical cord is a

well-known source of mesenchymal stem cells (MSCs), which have been isolated and

characterized in umbilical cord samples from canine,6 equine

7 and ovine

8 species. MSCs

are a multipotent adult stem cell.9

Undifferentiated MSCs exhibit fibroblast-like morphology and are characterized

phenotypically by the expression of surface markers; however, the characterization of

these cells has not yet been fully defined. There are several positive markers described,

and there is a consensus that undifferentiated MSCs should be positive for CD29,

CD44, CD90, CD105, CD73 and negative for CD34, CD45, CD14 and CD3.10,11

MSCs

are multipotent stromal cells capable of differentiating to mesenchymal lineages,

including tissues such as adipose tissue, bone, cartilage and muscle.9,12

The aims of the experiments in this study were to isolate, phenotypically

characterize and investigate the differentiation potentials of cells from goat umbilical

cords (cGUCs), with the main purpose being to obtain cell monolayers for use in the

diagnosis of small ruminant lentiviruses via isolation in cell culture.

Materials and methods

Samples

All experiments were approved by the Ethics Committee for Animal Use at the

State University of Ceará, protocol number 127.769.79-0. For this study, mongrel

pregnant goats were used, aged between two and three years and free of infection by

SRLV.

Three umbilical cord samples were collected during calving. After birth, the goat

umbilical cords were clamped at both ends, i.e., next to the fetus and the goat, and then

cut and packed in the transport medium. The solutions used during transport were low

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glucose DMEM (Dulbecco’s Modified Eagle Medium) (Gibco®, Grand Island, NY,

USA), MEM-E (Minimum Essential Medium with Earle’s salt and L-glutamine)

(Gibco®, Grand Island, NY, USA), PBS (phosphate buffered saline) and saline solution

0,9% (SS), supplemented with 300 U/mL penicillin, 300 µg/mL streptomycin, 0,5

mg/mL amphotericin and 10% FBS. The samples were transported within 2 h to the

laboratory, packed in an isothermal box with ice.

Isolation and culture of cGUCs

The tissue samples were processed in a laminar flow cabinet. The umbilical cord

was washed with PBS to remove blood. The amniotic epithelium surrounding the

umbilical cord was dissociated using sterile scissors and forceps. Tissue samples of

umbilical cord matrix were cut into pieces of 0,5 – 1 cm (explants) and were plated in

A25 cell culture flasks and 6-well culture plates using DMEM-low glucose or MEM-E

supplemented with 300 U/mL penicillin, 300 µg/mL streptomycin, 0,5 mg/mL

amphotericin and 10% FBS and cultured at 37 °C in a CO2 incubator (5% CO2).

The cell cultures were observed in an inverted microscope every day, until

proliferation of the first cells from the explants had occurred. The media was changed

after 5 days to avoid any mechanical stress, and thereafter, it was replenished every

third day. At 80% confluence, cells were trypsinized (0,25% Trypsin-EDTA, Gibco®,

Grand Island, NY, USA) and reseeded in new cell culture flasks.

Virus infectivity assay

The cells from the confluent monolayer after the third passage were infected

with either the CAEV-Cork or MVV-K1514 strains, provided by Dr. Roberto Soares de

Castro (Federal Rural University of Pernambuco - UFRPE). These strains originated

from the Institut National de la Recherche Agronomique, Lyon-France. The virus

infectivity assay was performed in duplicate for each of three separate experiments. The

cells were incubated with viral suspension 105 TCID50 at a MOI of 1 for 1 h at 37 °C in

a 5% CO2 incubator. Thereafter, the supernatant was discarded and the growth medium

was added (DMEM supplemented with 300 U/mL penicillin, 300 µg/mL streptomycin,

0,5 mg/mL amphotericin and 2% FBS).

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The cell monolayers were observed in an inverted microscope every day until

the cytopathic effect caused by the virus was evident, proving that the cells were

permissive for infection by SRLV.

FACS analysis

FACS analysis was performed to investigate the expression of the surface

markers CD90, CD105, CD34, and the intracellular markers vimentin and cytokeratin in

cGUCs after the third passage. The cells were harvested and aliquoted at a density of

106 cells/ml for each marker assay. First, these cells were incubated with antibodies

against surface markers [mouse anti-Human CD90 FITC, CD105 APC and CD34 APC

(BD Biosciences®, USA)] for 30 min at 4 °C in the dark. Then, the cells were

permeabilized with fixation/permeabilization solution (BD Cytofix/Cytoperm

Fixation/Permeabilization Kit, BD Biosciences®, USA) for 20 min at 4 °C in the dark.

Permeabilized cells were incubated with antibodies against intracellular markers [mouse

anti-Human vimentin PE and cytokeratin PE (BD Biosciences®, USA)] for 30 min at 4

°C in the dark. Thereafter, the cells were washed twice with BD perm/wash buffer (BD

Biosciences®, USA), fixed with formaldehyde buffer (PBS with 1% formaldehyde) and

analyzed using a flow cytometer (FACS Calibur BD, BD Biosciences®). A gate was

defined and the minimum number of events constituting was set to 10,000. The negative

control was processed in a similar manner but without antibodies. The data obtained

was analyzed using Cell Quest Pro software and plotted as a histogram.

Adipogenic Differentiation

For adipogenic differentiation, trypsinized cells (1 x 104 cells/cm²) were seeded

into a 24-well plate and incubated with DMEM supplemented with 300 U/mL

penicillin, 300 µg/mL streptomycin, 0,5 mg/mL amphotericin and 10% FBS. After 24 h,

the medium was discarded, and the cells were incubated with StemPro® Adipogenesis

Differentiation Basal Medium (Gibco®, Grand Island, NY, USA). The differentiation

medium was replaced every 3-4 days. After 14 days of culture, the cells were fixed with

10% formalin at room temperature, washed with PBS, and stained with 0,5% Oil-Red O

(Sigma-Aldrich®,St. Louis, MO, USA) for 15 min and Mayer’s Hematoxylin (Sigma-

Aldrich®,St. Louis, MO, USA) for 5 min to visualize lipid droplets.

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Chondrogenic Differentiation

Chondrogenic differentiation was induced in micromass cultures by seeding 5

μL droplets of cell solution (1.6 × 107 viable cells/mL) in the center of a 24-well plate.

The cells were incubated with DMEM supplemented with 300 U/mL penicillin, 300

µg/mL streptomycin, 0,5 mg/mL amphotericin and 10% FBS for 2 hours. Afterward,

the cells were fed with a specific chondrogenesis differentiation medium (StemPro®,

Gibco®, Grand Island, NY, USA). The medium was replaced every 2-3 days. After 14

days, chondrogenic differentiation was confirmed by staining for Alcian Blue (Sigma-

Aldrich®,St. Louis, MO, USA).

Osteogenic Differentiation

To induce osteogenic differentiation, the cells from the confluent monolayer of

the third passage (5 x 103 cells/cm²) were seeded into a 24-well plate and incubated with

DMEM supplemented with 300 U/mL penicillin, 300 µg/mL streptomycin, 0,5 mg/mL

amphotericin and 10% FBS. After 24 h, the medium was discarded, and cells were

cultured in StemPro® Osteocyte Differentiation Basal Medium (StemPro®, Gibco®,

Grand Island, NY, USA). The medium was replaced every 2-3 days. After 14 days of

culture, the osteogenic differentiation of stem cells was confirmed by Alizarin Red S

staining (Sigma-Aldrich®,St. Louis, MO, USA).

Results

Growth and culture characteristics

Goat umbilical cord cells started to migrate out of explants after 3 – 6 days of

culture, and the cells gradually grew into small colonies. In the samples transported in

DMEM and MEM-E, cell proliferation started 3 days after beginning the incubation,

whereas samples transported in PBS started proliferating after 5 days and the samples

packed in SS after 6 days. These data demonstrated that DMEM and MEM-E enable

better preservation of the samples and, consequently, enable better acquisition of cells.

During the initial days of incubation, cells displayed a non-fibroblastic, rounded,

epithelial cell-like phenotype (Fig. 1A). Later, cells attained a typical fibroblast-like

spindle-shaped structure (Fig. 1B). As growth continued, adjacent colonies

interconnected with each other, and a confluent monolayer was obtained (Fig. 1C). Cell

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monolayers derived from goat umbilical cords were used in viral challenge assays, for

immunotyping by flow cytometry, and in mesodermal lineage differentiation assays.

The growth media used in this study (DMEM or MEM-E supplemented with

10% FBS) were highly suitable to sustaining the cells, resulting in high rates of growth

and expansion of the cell stock. After 15 days, cells had grown to 80% confluence, at

which time the first passage was performed. In later passages, cultured cells reached 80-

90% confluence faster, in approximately 3-4 days.

Cytopathicity of SRLV in cGUCs

The cGUCs are highly permissive to SRLV infection in vitro. The cytopathic

effects appeared 7 days after inoculation. Classical giant multinucleated cells (syncytia)

were observed in the monolayers infected with CAEV-Cork virus (Fig. 2B). The cells

infected with MVV-K1514 virus underwent syncytia formation and cell lysis. The

cytopathic effects progressed, resulting in the progressive destruction of the cell

monolayer (Fig. 2A). The negative control for the viral infectivity assay is shown in

figure 2C.

Figure 1 - Primary culture of cGUCs: morphological features and cell monolayers formed. (A) Epithelial cell-like phenotype. (B) Typical fibroblastoid shape. (C) cGUCs exhibiting a large, flattened fibroblast-like morphology after the third passage.

Figure 2 - Cytopathic effects caused by MVV and CAEV. (A) Cell lysis and syncytia caused by MVV. (B)

Giant multinucleated cells caused by CAEV. (C) Negative control for the viral infectivity assay.

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Immunophenotypic characterization by flow cytometry

In vitro cultured, third-passage cGUCs were analyzed by FACS. FACS analysis

revealed that these cells were positive for the expression of vimentin (91,6%) and CD90

(23%) but were negative when staining for CD105 (3,66%), CD34 (2,95%) and

cytokeratin (1,67%) (Figure 3).

Mesodermal lineage differentiation

Adipogenic differentiation of cGUCs was confirmed by Oil Red-O staining.

After incubating these cells with adipogenic-inducing medium for 14 days, small lipid

droplets were present in the cytoplasm (Fig. 4A).

The chondrogenic potential of cGUCs was evaluated by in vitro micromass

culture of these cells in a specific differentiation medium. After 14 days of incubation,

the accumulation of sulfated proteoglycans was visualized by Alcian Blue staining (Fig.

4B).

In the osteogenic differentiation assay, the cells proliferated and reached

complete confluence after 8-10 days of incubation with differentiation medium. The

cellular aggregates were then observed and were characterized by calcium deposits,

which were demonstrated by positive Alizarin Red staining (Fig. 4C).

Figure 3 - FACS analysis of Vimentin and CD90, in vitro culture, third passage cGUCs. (A) Vimentin PE. (B)

CD90 FITC. Calibrated histogram representing the number of events on the Y-axis and fluorescent intensity

on the X-axis. The red area histogram indicate negative control.

Figure 4 - Mesodermal lineage differentiation. Adipogenic Differentiation. (A) Chondrogenic Differentiation.

(B) Osteogenic Differentiation. (C)

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71

Discussion

The umbilical cord is composed of several different components (amniotic

membrane, umbilical cord matrix, umbilical cord vein, and umbilical cord blood) that

can be used as sources of MSCs.6 In this study, cGUCs were isolated from the umbilical

cord matrix and were cultured in DMEM or MEM supplemented with 10% FBS. These

conditions were found to be very well suited for the maintenance of the cultured cells,

and contributed to quick amplification of the cell stock. Several culture media have been

tested for the maintenance of MSCs, such as MEM, DMEM, RPMI-1640 and Basal

Medium Eagle (BME), supplemented with FBS, generally at a concentration of 10 -

20%. The choice of the culture medium is important for the successful growth of MSCs

during in vitro cell culture.13

During the initial days of incubation, the population of cells was heterogeneous,

including both epithelial-like and fibroblast-like cells. However, after passaging, the

epithelioid cell population disappeared from the culture and most of the cells exhibited a

fibroblast-like appearance. These data are consistent with the observations of Pratheesh

et al.14

who observed similar morphological features in caprine mesenchymal stem cells

derived from amniotic fluid (cAF-MSCs) and also with Ren et al.15

in their study with

goat adipose-derived stem cells (ADSCs). In addition, the fibroblast-like cells derived

from goat umbilical cord matrix are similar to MSCs in their general features.

The aim of the present study was to investigate the capacity of cells from goat

umbilical cord matrix to generate cell monolayers that could be used for viral diagnosis

in cell culture assays. It was demonstrated that these cells are highly permissive to

SRLV infection in vitro. Syncytia and cell lysis were observed after 7 days of

inoculation with the CAEV-Cork strain, and similar results were observed with the

MVV-K1514 strain. These results resemble the effects observed after infection of

synovial membrane cells, which are the cells traditionally used for this purpose.

High amounts of small ruminant lentivirus can be produced in vitro using fibro-

epithelial synovial membrane cells or choroid plexus cells from goats or sheep.16,17

However, the disadvantage is that these types of cells can only be obtained from

embryos or fetuses, whereas goat umbilical cords offer a great alternative for the

generation of fibroblasts because the umbilical cord would be discarded after calving

and thus represents a highly convenient source material for generation of cells.

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72

Other cell types permissive for small ruminant lentivirus infection are

microglia;18

dendritic cells;² epithelial cells from the lung;19

mammary gland;²0 third eye

lid;²1 kidney;

22 uterus and epididymis

23,24 and endothelium; smooth myocytes;

25,19

granulosa cells;26

and parenchyma cells from the liver and heart.27

The phenotypic characterization of cGUCs was performed by flow cytometry.

The general strategy for identifying in vitro cultivated mesenchymal stem cells was

executed as per the ISCT recommendation (International Society for Cytotherapy),

which is to analyze the expression of cell-surface markers such as CD-73, CD-44, CD-

90 and CD-105.28,29,30,31

It was demonstrated that the cGUCs are positive for vimentin

and CD90, whereas they were negative for cytokeratin, CD105 and CD34. These results

can be compared with those of other studies. Ren et al. 15

described MSCs from goat

adipose that stained positively for vimentin, CD49d and CD13 and negatively for CD34

and CD106. Caprine mesenchymal stem cells derived from amniotic fluid were positive

for CD90, CD105, CD73, and negative for CD34.14

Vimentin is present in normal and pathological mesenchymal tissues and is an

important marker of the mesoderm. Positive vimentin staining verified that the cGUCs

were derived from mesodermal stem cells.32

Cytokeratin-negative staining demonstrated

the predominance of fibroblast-like cells and is consistent with the observation that the

epithelial-like cells disappeared from culture and could no longer be found from third

passage onward. Additionally, most of the cells exhibited a fibroblast-like appearance.

CD34 is a surface marker of hematopoietic stem cells (HSCs) and is expressed in lymph

nodes, bone marrow HSCs, and various endothelial cells. CD34-negative staining

demonstrated that cGUCs were not derived from circulating stem cells.9,33

The cGUCs from umbilical cord matrix are negative for CD105. This marker is

usually expressed in mesenchymal stem cells; however, there is not yet a definitive

marker for MSCs. There are a large number of positive markers described, but each

group of investigators uses different markers, none of which are specific or used singly.

Perhaps the differences between studies may be attributed to variations in culture

methods or the stage of cell differentiation.34

In this study, FACS analysis revealed low levels of CD90 marker expression

(23%) in comparison to Vimentin (91,6%). CD90 is known to be a negative regulator of

hematopoietic proliferation.35

Its expression, in association with CD34-negative

staining, confirms that there was no evidence of hematopoietic precursors in this

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culture. The expression levels of surface markers are also different in other studies.

Chang et al.36

isolated cells from umbilical cord blood (UCB) and observed the

following two different morphologic phenotypes: flattened fibroblastic clones and

spindle-shaped fibroblastic clones. CD90 was expressed differently by these two cell

populations. Spindle-shaped, clonogenic MSCs expressed a high level of CD90, while

flattened, clonogenic MSCs did not express CD90. These data might explain the

inconsistent results regarding CD90 expression in UCB-derived MSCs in various

reports.37,38,39

The differentiation potential of cGUCs was investigated. These cells showed a

capacity to differentiate into adipocytes, chondrocytes or osteoblasts when incubated

with the appropriate differentiation medium. Pratheesh et al.14

demonstrated that MSCs

from goat amniotic fluid, such as their marrow counterparts, were able to differentiate

into adipose cells in addition to differentiating into osteogenic and chondrogenic

lineages. Goat adipose-derived stem cells showed the same differentiation potential.15

Goat-derived multipotent MSCs have been established from bone marrow and

successfully induced to differentiate into osteogenic and adipogenic lineages under

specific culture conditions.40

The present study establishes that goat umbilical cord cells are permissive for

small ruminant lentivirus infection in vitro, can be successfully used in cell culture

diagnosis, and represent a new alternative source of host cells for virus isolation. These

cells exhibit a fibroblast morphology, and immunophenotype, growth characteristics

and mesodermal lineage differentiation potential that are all similar to MSCs. These

cGUCs also express vimentin and CD90 but are negative for CD34. These data

demonstrate the proliferative capacity of cells from goat umbilical cords, and they

establish a sound basis for future research aimed at standardizing the cell lineage and

using these cells for the diagnosis of several diseases.

Acknowledgements

This work was supported by the National Council of Scientific and

Technological Development (CNPq), grant numbers 487425/2012-0 and 308995/2013-

9, and by Personnel Improvement Coordination higher level (CAPES), which provided

a PhD scholarship. The authors are thankful to the Post Graduate Program in Veterinary

Science (PPGCV) of the State University of Ceará for supporting the implementation of

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the experiments; to the Federal University of Ceará, particularly to Lilia Maria Carneiro

Câmara, PhD, for unconditional support in performing the FACS analysis; and to

Marcos Fábio Gadelha Rocha, PhD, and Júlio Sidrim, PhD (Post Graduate Medical

Microbiology – UFC). The authors also express their gratitude to owners of the farms

that allowed the use of their animals for this study.

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9. CONCLUSÕES

1. Os meios DMEM baixa glicose (Meio essencial mínimo modificado por

Dulbeccos) e MEM (Meio Essencial Mínimo), acrescidos de

penicilina/estreptomicina, anfotericina, e soro fetal bovino demonstraram ser

os melhores meios para transporte das amostras de tecido do cordão

umbilical caprino ao laboratório.

2. Os meios de cultivo DMEM baixa glicose (Meio essencial mínimo

modificado por Dulbeccos) e MEM (Meio Essencial Mínimo) são eficientes

na manutenção das células-tronco mesenquimais provenientes do cordão

umbilical caprino no cultivo celular.

3. A concentração de 10% de soro fetal bovino acrescida aos meios de cultivo

DMEM e MEM foi eficiente na manutenção e promoção do crescimento das

células-tronco mesenquimais provenientes do tecido do cordão umbilical

caprino, enquanto que a manutenção e crescimento das células-tronco

mesenquimais isoladas do sangue do cordão umbilical caprino somente foi

eficiente quando acrescido 20% de soro fetal bovino ao meio de cultivo

DMEM.

4. Células-tronco mesenquimais podem ser isoladas do tecido e sangue do

cordão umbilical caprino, exibindo morfologia fibroblastóide, características

imunofenotípicas, de crescimento e diferenciação celular similar a células-

tronco mesenquimais isoladas de outros tecidos.

5. Células provenientes do tecido do cordão umbilical caprino são permissíveis

à infecção pelos lentivirus de pequenos ruminantes, podendo ser utilizadas

para o diagnóstico e isolamento desses vírus em cultivo celular.

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10. PERSPECTIVAS

A pesquisa envolvendo células-tronco constitui um dos mais promissores campos

de investigação que contribuem para a compreensão do desenvolvimento celular. O

isolamento das células-tronco mesenquimais do cordão umbilical caprino e seu uso

como ferramenta para o diagnóstico em cultivo celular apresenta-se como nova

alternativa de obtenção de células destinadas a esse objetivo, evitando problemas éticos

envolvidos no uso da membrana sinovial de fetos. Esse trabalho fornece bases para

maiores estudos, podendo-se utilizar essas células para isolamento de lentivirus de

pequenos ruminantes em amostras de campo, produção de antígenos, vacinas, linhagem

celulares imortalizadas, entre outros. Além de contribuir para tratamentos regenerativos,

sendo utilizadas em terapias celulares, principalmente devido a sua característica de

baixa imunogenicidade.

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