Mesenchymal stem cells derived extracellular vesicles for COVID-19 treatment

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dc.contributor.advisorWink, Márcia Rosangela
dc.contributor.advisor-coBertoni, Ana Paula Santin
dc.contributor.advisor-coBoilard, Eric
dc.contributor.authorSchultz, Iago Carvalho
dc.contributor.departmentPrograma de Pós-Graduação em Biociências
dc.date.accessioned2024-08-16T15:02:19Z
dc.date.available2024-08-16T15:02:19Z
dc.date.date-insert2024-08-16
dc.date.issued2024-05-29
dc.descriptionTese (Doutorado)-Programa de Pós-Graduação em Biociências, Fundação Universidade Federal de Ciências da Saúde de Porto Alegre.
dc.description.abstractA Coronavirus Disease 2019 (COVID-19), causada pelo SARS-CoV-2, é uma doença sistêmica caracterizada por uma inflamação maciça e um desequilíbrio do sistema imunológico. Apesar dos esforços globais, o acesso a vacinas e tratamentos antivirais continua desigual. Portanto, terapias complementares de múltiplos alvos facilitariam o manejo dos pacientes. As células-tronco mesenquimais (CTMs) são conhecidas pelo seu potencial imunomodulador através da liberação de proteínas e outras moléculas no espaço extracelular, seja como elementos solúveis ou transportados por vesículas extracelulares (VEs). As VEs surgiram como uma opção terapêutica devido às suas propriedades intrínsecas, como o diâmetro nanométrico, e o seu conteúdo heterogêneo, incluindo pequenas sequências não codificantes envolvidas na repressão ou degradação de genes pós-transcricionais, como os microRNAs. O principal objetivo deste doutorado foi avaliar se as VEs das CTMs poderiam desempenhar um papel terapêutico durante o desenvolvimento da COVID-19. Primeiramente, através de análise bioinformática, analisamos quatro conjuntos de dados de miRNA utilizando diferentes fontes de tecido de células-tronco (medula óssea, cordão umbilical e tecido adiposo) e cruzamos seu conteúdo. Cinquenta e oito miRNAs se sobrepuseram nos quatro conjuntos de dados de miRNA analisados. Sequencialmente, esses miRNAs presentes em pelo menos dois conjuntos de dados foram submetidos ao software miRWalk, que previu 258, 267 e 148 miRNAs direcionados ao 3'UTR de citocinas e quimiocinas, genes de morte celular e cascatas de coagulação, respectivamente. Sequencialmente, para validar os achados in silico, obtivemos CTMs de tecido adiposo humano e avaliamos in vitro o potencial antiinflamatório de suas VEs durante a infecção por SARS-CoV-2. As VEs das CTMs foram isoladas dos sobrenadantes de culturas celulares utilizando centrifugação diferencial seguida de cromatografia de exclusão por tamanho (SEC) e caracterizadas por citometria de fluxo, Análise de Rastreamento de Nanopartículas e imunoblotting. A microscopia confocal confirmou que as VEs das CTMs foram internalizadas pela linha celular alveolar, A549-hACE2, e se localizaram ao longo da via endocítica. Para determinar sua funcionalidade, as células A549-hACE2 foram infectadas com SARS-CoV-2 e tratadas com 3, 10, 30, 100 e 300 VEs das CTMs/célula por 24 horas, e os sobrenadantes das culturas celulares foram coletados. A análise multiplex de 30 VEs das CTMs/célula foi suficiente para alterar 32 de 48 mediadores imunológicos. Entre estes, MCP-1, IL-6 e IL8 foram confirmados por ELISA, resultando em uma redução dependente da dose. Além disso, a atividade antiviral das VEs das CTMs foi avaliada. Concentrações mais baixas (3, 10 e 30 VEs das CTMs/célula) não tiveram efeito na redução da replicação viral, embora concentrações mais altas (100 e 300 VEs/célula) mostraram reduções significativas.
dc.description.abstract-enThe Coronavirus Disease 2019 (COVID-19), caused by SARS-CoV-2, is a systemic disease characterized by massive inflammation and immune system imbalance. Despite global efforts, access to vaccines and antiviral treatments remains unequal. Therefore, complementary multi-target therapies would facilitate patient management. Mesenchymal stem cells (MSCs) are known for their immunomodulatory potential through the release of proteins and other molecules into the extracellular space, either as soluble elements or carried by extracellular vesicles (EVs). EVs have emerged as a therapeutic option due to their intrinsic properties, such as nanosized diameter, and their heterogeneous cargo, including small noncoding sequences involved in posttranscriptional gene repression or degradation, such as microRNAs. The main objective of this PhD was to evaluate whether MSC-EVs could play a therapeutic role during COVID-19 development. Firstly, through bioinformatics analysis, we analyzed four datasets of miRNA using different stem cell tissue sources (bone marrow, umbilical cord, and adipose tissue) and crossed their content. Fifty-eight miRNAs overlapped in the four miRNA analyzed datasets. Sequentially, those miRNAs present in at least two datasets were submitted to miRWalk software, which predicted 258, 267, and 148 miRNAs targeting the 3’UTR of cytokines and chemokines, cell death genes, and coagulation cascades, respectively. Sequentially, to validate in silico findings, we obtained MSCs from human adipose tissue and evaluated in vitro the anti-inflammatory potential of their EVs during SARS-CoV-2 infection. MSC-EVs were isolated from cell-culture 13 supernatants using differential centrifugation followed by size exclusion chromatography (SEC) and characterized by flow cytometry, Nano Tracking Analysis, and immunoblotting. Confocal microscopy confirmed that MSC-EVs were internalized by the alveolar cell line, A549-hACE2, and they localized along the endocytic pathway. To determine their functionality, A549-hACE2 cells were infected with SARS-CoV-2 and treated with 3, 10, 30, 100 and 300 MSC-EVs/cell for 24 hours, and cell culture supernatants were collected. Multiplex analysis of 30 MSC-EV/cell, sufficed to alter 32 of 48 immune mediators. Among these, MCP-1, IL-6, and IL-8 were confirmed by ELISA, resulting in a dose-dependent reduction. Also, antiviral activity of MSC-EVs was evaluated. Lower concentrations (3, 10, and 30 MSC-EVs/cell) had no effect on reducing viral replication, although higher concentrations (100 and 300 EVs/cell) showed significant reductions.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufcspa.edu.br/handle/123456789/2922
dc.language.isoen
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dc.rightsAcesso Embargadopt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/
dc.subjectCélulas-Tronco Mesenquimaispt_BR
dc.subjectVesículas Extracelularespt_BR
dc.subjectCOVID-19pt_BR
dc.subject[en] Mesenchymal Stem Cellsen
dc.subject[en] Extracellular Vesiclesen
dc.subject[en] COVID-19eb
dc.titleMesenchymal stem cells derived extracellular vesicles for COVID-19 treatment
dc.typeTese
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