The efects of low-dose ionizing radiation on angiogenesis

Tese de doutoramento, Biologia (Biologia Celular), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Angiogenesis is the formation of new blood vessels from pre‐existing ones. This process is regulated by a balance between pro‐ and anti‐angiogenic molecules and is derailed in various diseases, such as cancer. Radiotherapy is a commonly‐used treatment for cancer. However, recent studies suggest that ionizing radiation (IR) doses delivered inside the tumor target volume during fractionated radiotherapy can stimulate invasion and metastasis through effects on cancer cells but also on other elements of the microenvironment. Furthermore, radiotherapy results also in the delivery of doses lower that the therapeutic ones to the tissues surrounding the tumor area, and the biological effects of these low IR doses remain largely undetermined. Our overall goal was to investigate the effects of these low IR doses on angiogenesis, and consequently in tumor progression and metastasis. We showed that low‐dose IR induces an angiogenic response both in vitro and in vivo. Doses equal or lower than 0.8 Gy promote endothelial cell migration without causing cell cycle arrest or apoptosis, activate vascular growth factor (VEGF) receptor‐2 and upregulate the expression of VEGF. In zebrafish, low‐dose IR accelerates sprouting angiogenesis during development and enhances angiogenesis during regeneration. In mice, we showed that low‐dose IR promotes angiogenesis resulting in accelerated tumor growth and metastasis formation in a VEGFR‐dependent manner. Additionally, we demonstrated that low‐dose IR modulates the gene expression of molecular mediators involved in the angiogenic response. Our observations provide novel insights into the biological effects of low‐dose IR relevant to tumor biology, which may serve as basis for the prevention of possible tumorpromoting effects of current radiotherapy protocols. Therefore, according to our findings low‐dose IR induces angiogenesis in vivo but, there is no evidence that it produces therapeutic angiogenesis in ischemic disease patients. In the second part of this work we showed that low‐dose IR potentiates the pro‐angiogenic effect of vasoprost®, commonly used in the treatment of peripheral arterial disease treatment (PAD). Our results suggest that the combinatory use of both vasoprost® and low‐dose IR should be considered for future studies concerning its clinical therapeutic potential in pathologies such as PAD.A angiogénese é o processo de formação de novos vasos sanguíneos a partir de vasos pré‐existentes. Em situações fisiológicas a angiogénese ocorre durante o desenvolvimento embrionário, crescimento de órgãos e, no adulto, em processos de cicatrização de feridas e ciclo reprodutivo. Nestas condições, o processo angiogénico é fortemente controlado por um equilíbrio complexo entre factores estimuladores (próangiogénicos) e inibidores (anti‐angiogénicos). A angiogénese pode, no entanto, ocorrer em situações patológicas onde há uma perda do equilíbrio entre factores pró‐ e anti‐angiogénicos, resultando numa vascularização excessiva ou deficiente. O cancro é uma das patologias que se caracterizam por um excesso de angiogénese. A radioterapia é frequentemente aplicada ao tratamento do cancro. Porém, tem vindo a ser observado que doentes submetidos a esta terapia têm um risco aumentado de desenvolver metástases. Esta situação constitui um desafio para a clínica e os mecanismos celulares e moleculares que estão na origem deste problema têm vindo a ser investigados. É geralmente assumido que a metastização e recidiva tumoral após a terapia se devem ao aparecimento de células tumorais resistentes à radiação ionizante. No entanto, há evidências de que doses terapêuticas de radiação ionizante promovem alterações ao nível do microambiente tumoral, podendo também contribuir para o processo de radioresistência. A vasculatura providencia oxigénio e nutrientes ao tumor, sendo essencial para o seu desenvolvimento. Contudo, favorece também a metastização, na medida em que as células tumorais entram em circulação através de vasos sanguíneos. A contribuição da vasculatura irradiada na invasão e metastização após radioterapia é, portanto, de extrema importância. Por este motivo, ao longo dos últimos anos, têm surgido diversos estudos com o objectivo de perceber através de que mecanismos, doses de radiação ionizante induzem a angiogénese na área tumoral e qual poderá ser a sua contribuição no processo de invasão e metastização. Estes estudos têm‐se focado em doses de radiação ionizante que são administradas diariamente, em pequenas fracções, até que a dose potencialmente curativa seja acumulada no interior da área a tratar, com o objectivo de minimizar o dano provocado nos tecidos saudáveis. Para além disso, a administração em baixas doses e a convergência de diversos feixes que garantem a distribuição homogénea das curvas de isodose em radioterapia externa, contribuem para a existência de uma menor dose de radiação ionizante fora da área a tratar. Os efeitos biológicos e moleculares destas baixas doses de radiação ionizante nos tecidos que rodeiam a área a tratar são ainda desconhecidos. O nosso trabalho centrou‐se, de forma inovadora, na vasculatura que rodeia o tumor e que recebe doses relativamente baixas de radiação ionizante. O principal objectivo, foi investigar o efeito destas baixas doses de radiação ionizante na angiogénese, e compreender a sua contribuição para a recidiva tumoral, invasão e metastização. Investigámos assim o efeito das baixas doses de radiação ionizante in vitro, em células endoteliais humanas de microvasculatura de pulmão (HMVEC‐L, lung human microvascular endothelial cells) e células endoteliais de veia umbilical (HUVEC, human umbilical vein endothelial cells). Constatámos que doses iguais ou inferiores a 0.8 Gy promovem a migração de células endoteliais, sem afectar a sobrevivência e o ciclo celular, activam o receptor‐2 do factor de crescimento endotelial vascular (VEGF, vascular endothelial growth factor) e, em condições de hipóxia, promovem o aumento da expressão do próprio VEGF. A utilização do peixe‐zebra como modelo de estudo permitiu‐nos confirmar in vivo a indução da angiogénese em resposta a baixas doses de radiação ionizante. Observámos que doses de 0.5 Gy aceleram o processo angiogénico durante o desenvolvimento embrionário e promovem um aumento do número de vasos durante a regeneração da barbatana caudal dos adultos. Para estudarmos a contribuição das baixas doses de radiação ionizante no crescimento tumoral e metastização, utilizámos dois modelos experimentais de ratinho: um modelo de leucemia, e um modelo metastático de cancro de mama. Verificámos que baixas doses de radiação ionizante promovem o crescimento tumoral e metastização através de um mecanismo dependente do receptor do VEGF. O efeito das baixas doses de radiação no desenvolvimento tumoral também foi estudado utilizando um modelo de melanoma em peixe‐zebra. Neste modelo, os peixes‐zebra mutantes em p53 (protein 53) e BRAF (raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1) são expostos a baixas doses de radiação ionizante antes do melanoma ser detectado. De acordo com os nossos resultados, não publicados, é desenvolvido um maior número de melanomas em peixes zebra irradiados. Verificámos igualmente, que os melanomas nestes peixes irradiados apresentam um tamanho superior em relação aos melanomas desenvolvidos em peixes‐zebra não irradiados. Estudos adicionais estão a ser efectuados com o objectivo de caracterizar os melanomas que surgem em ambos os grupos experimentais. Finalmente, e com o objectivo de identificar os mecanismos através dos quais as baixas doses de radiação ionizante induzem uma resposta pró‐angiogénica, investigámos o perfil de expressão génica de HMVEC‐L irradiadas versus não irradiadas. Os nossos resultados indicam a modulação da expressão génica de mediadores moleculares envolvidos na resposta angiogénica. No seu conjunto, o nosso trabalho permite compreender o efeito das doses de radiação ionizante que estão presentes nos tecidos que rodeiam a área tumoral e sua importância na angiogénese, e consequentemente na progressão tumoral e metastização, pelo que poderá ser um contributo importante na optimização dos actuais protocolos de radioterapia. Assim, de acordo com os nossos resultados as baixas doses de radiação ionizante induzem angiogénese in vivo; não existe, contudo, prova de que induzam angiogénese terapêutica em doentes com doença isquémica, sendo este um dos objectivos de investigação do nosso laboratório. A isquémia crítica dos membros inferiores é uma das manifestações clínicas da doença arterial periférica em que se descreve doentes com dor em repouso ou com lesões tróficas cutâneas, sejam elas úlceras ou gangrena. A Isquemia crítica dos membros inferiores envolve uma perturbação grave tanto ao nível da microcirculação como da macrocirculação. O vasoprost® é frequentemente utilizado no tratamento da doença arterial periférica. O princípio activo do vasoprost® é a prostaglandina E1 (alprostadil), cujas propriedades hemodinâmicas e acção anti‐agregante plaquetária justificam a sua indicação no tratamento da doença vascular periférica grave. No entanto, a literatura não é unânime quanto à sua função como indutor angiogénico. Por este motivo, e através da realização de um conjunto de ensaios in vitro, em HUVEC, começámos por clarificar este assunto. Os nossos resultados sugerem que o vasoprost® funciona como um agente pró‐angiogénico, induzindo a migração, proliferação e sobrevivência endotelial. O uso de vasoprost® na clínica apresenta, contudo, limitações terapêuticas. Assim, a amputação surge como última alternativa terapêutica, apesar das taxas de morbilidade e mortalidade associadas. O objectivo de preservar o membro tem estimulado a investigação de tratamentos alternativos, incluindo a angiogénese terapêutica. Propusemo‐nos então a averiguar se baixas doses de radiação ionizante poderiam potenciar os resultados obtidos pelo tratamento com o vasoprost®. Avaliámos a acção combinada destes dois agentes e verificámos in vitro que doses de radiação ionizante inferiores a 0.8 Gy potenciam o efeito pró‐angiogénico do vasoprost®. Os nossos resultados sugerem deste modo, que a combinação da radiação ionizante e vasoprost® devem ser considerados em estudos futuros, de forma a avaliar o seu potencial terapêutico na doença arterial periférica.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH / BD / 27541 / 2006

History, chance and selection during phenotypic and genomic experimental evolution : replaying the tape of life at different levels

Publisher PDFPeer reviewe

Manual de mentoria : Programa do Politécnico de Viseu

A implementação dos princípios da educação inclusiva no Ensino Superior (ES) é um desafio à própria academia, docentes e estudantes, concretizável através da implementação de Programas de Tutoria/Mentoria. A educação inclusiva foi originalmente desenvolvida para estudantes mais jovens, antes da sua aplicação ao ES. No entanto, à medida que aumenta a heterogeneidade de estudantes no ES, tem aumentado também a necessidade de implementação de práticas inclusivas neste contexto académico. A missão das instituições de ES centra-se na promoção do desempenho e na preparação dos estudantes para a competitividade global, promovendo a excelência educacional e garantindo a igualdade no acesso. Cada vez mais as instituições de ensino superior (IES) têm incentivado e atraído estudantes de diversas origens e experiências, requerendo esforços para criar comunidades académicas inclusivas e acolhedoras para todos os estudantes. Com esta nova realidade, as IES têm procurado desenvolver estratégias de inclusão educativa em que as premissas passam por reconhecer a importância de um trabalho centrado na diversidade, equidade, inclusão de todos os estudantes, e restante comunidade académica, independentemente das suas características pessoais, situacionais ou culturais (Newman & Conway, 2016, pp. 100-101). No contexto de práticas inclusivas no ES, assume toda a importância fornecer aos estudantes o acesso a orientações que os levem a sentir-se plenamente incluídos, tendo em conta a prevalência da diversidade dos estudantes que ingressam no ES. A mentoria/tutoria pode ser eficaz no tratamento de questões-chave e problemas que as instituições do ES atualmente enfrentam, incluindo a necessidade de aumentar as taxas de conclusão dos cursos, reduzir o abandono escolar e as desigualdades nos resultados em grupos sub-representados, bem como ampliar a participação de todos os estudantes na vida académica, sem qualquer exclusão. Por outro lado, os estudantes também enfrentam muitos desafios, decorrentes do desconhecimento da organização e dinâmica institucional, como carga horária, quantidade e diversidade de matéria lecionada, ambiente académico e meio envolvente, processo no qual, a experiência prévia do mentor pode ser fundamental. Os estudantes envolvidos em programas de mentoria/tutoria desenvolvem mais conhecimento teórico e prático, com aplicação na futura vida profissional (Arnesson & Albinsson, 2017, pp. 202-203). Os programas de mentoria/tutoria definem-se como uma troca de conhecimentos e experiências entre mentor e mentorado. Além disso, a orientação é descrita como um processo democrático em que os pensamentos, as reflexões e os conhecimentos são aprofundados e resultam em práticas inclusivas. Um mentor é uma pessoa que contribui com o seu conhecimento, experiência e perspetivas, ou seja, está subjacente a ideia de que o mentor dá orientação ao mentorado no seu desenvolvimento pessoal e académico. O mentor, neste processo, desenvolve-se profissionalmente e o mentorado desenvolve-se a nível psicossocial. O mentor também pode ser descrito como uma pessoa sensata que tem interesse no apoio às pessoas menos experientes. Na prática, a mentoria/tutoria pode ser resumida como uma combinação de apoio emocional e prático (Arnesson & Albinsson, 2017, p. 203).info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Low Doses of Ionizing Radiation Promote Tumor Growth and Metastasis by Enhancing Angiogenesis

Radiotherapy is a widely used treatment option in cancer. However, recent evidence suggests that doses of ionizing radiation (IR) delivered inside the tumor target volume, during fractionated radiotherapy, can promote tumor invasion and metastasis. Furthermore, the tissues that surround the tumor area are also exposed to low doses of IR that are lower than those delivered inside the tumor mass, because external radiotherapy is delivered to the tumor through multiple radiation beams, in order to prevent damage of organs at risk. The biological effects of these low doses of IR on the healthy tissue surrounding the tumor area, and in particular on the vasculature remain largely to be determined. We found that doses of IR lower or equal to 0.8 Gy enhance endothelial cell migration without impinging on cell proliferation or survival. Moreover, we show that low-dose IR induces a rapid phosphorylation of several endothelial cell proteins, including the Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) Receptor-2 and induces VEGF production in hypoxia mimicking conditions. By activating the VEGF Receptor-2, low-dose IR enhances endothelial cell migration and prevents endothelial cell death promoted by an anti-angiogenic drug, bevacizumab. In addition, we observed that low-dose IR accelerates embryonic angiogenic sprouting during zebrafish development and promotes adult angiogenesis during zebrafish fin regeneration and in the murine Matrigel assay. Using murine experimental models of leukemia and orthotopic breast cancer, we show that low-dose IR promotes tumor growth and metastasis and that these effects were prevented by the administration of a VEGF receptor-tyrosine kinase inhibitor immediately before IR exposure. These findings demonstrate a new mechanism to the understanding of the potential pro-metastatic effect of IR and may provide a new rationale basis to the improvement of current radiotherapy protocols

Molecular Changes In Cardiac Tissue As A New Marker To Predict Cardiac Dysfunction Induced By Radiotherapy

International audienceThe contribution of radiotherapy, per se , to late cardiotoxicity remains controversial. To clarify its impact on the development of early cardiac dysfunction, we developed an experimental model in which the hearts of rats were exposed, in a fractionated plan, to clinically relevant doses of ionizing radiation for oncological patients that undergo thoracic radiotherapy. Rat hearts were exposed to daily doses of 0.04, 0.3, and 1.2 Gy for 23 days, achieving cumulative doses of 0.92, 6.9, and 27.6 Gy, respectively. We demonstrate that myocardial deformation, assessed by global longitudinal strain, was impaired (a relative percentage reduction of >15% from baseline) in a dose-dependent manner at 18 months. Moreover, by scanning electron microscopy, the microvascular density in the cardiac apex was significantly decreased exclusively at 27.6 Gy dosage. Before GLS impairment detection, several tools (qRT-PCR, mass spectrometry, and western blot) were used to assess molecular changes in the cardiac tissue. The number/expression of several genes, proteins, and KEGG pathways, related to inflammation, fibrosis, and cardiac muscle contraction, were differently expressed in the cardiac tissue according to the cumulative dose. Subclinical cardiac dysfunction occurs in a dose-dependent manner as detected by molecular changes in cardiac tissue, a predictor of the severity of global longitudinal strain impairment. Moreover, there was no dose threshold below which no myocardial deformation impairment was detected. Our findings i) contribute to developing new markers and exploring non-invasive magnetic resonance imaging to assess cardiac tissue changes as an early predictor of cardiac dysfunction; ii) should raise red flags, since there is no dose threshold below which no myocardial deformation impairment was detected and should be considered in radiation-based imaging and -guided therapeutic cardiac procedures; and iii) highlights the need for personalized clinical approaches