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Actividades do grupo

O Grupo de Toxicologia Mitocondrial e Doença estuda os efeitos tóxicos de várias moléculas na fisiologia mitocondrial e no metabolismo, assim como investigar o papel deste organelo na iniciação e na progressão de doenças. As mitocôndrias são consideradas a fonte de energia das células, produzindo a maioria da energia química usada pelas células. O avanço mais justificativo foi a descoberta do seu importante desempenho em processos de morte celular.
Sendo as mitocôndrias participantes activas no controlo da homeostasia do cálcio citosólico e no metabolismo intermédio, é pertinente questionar se diferentes moléculas, que interagem com sistemas vivos, ou diferentes patologias, promovem o seu efeito biológico através da mitocôndria. Os recursos financeiros incluem a Fundação Para a Ciência e a Tecnologia, o European Research Council e varias entidades.
O nosso grupo tem várias linhas de investigação orientadas por diferentes investigadores seniores, tais como:

1) MITOLAB: Modulação da função e dinâmica mitocondrial: estratégias comuns para a prevenção da doença

(PIs: Carlos Palmeira, Anabela Rolo)

Objectivos:
Esta linha de investigação coordenada por Carlos Palmeira e Anabela Rolo aborda vias de prevenção de disfunção mitocondrial e modulação da dinâmica mitocondrial relacionadas com doenças metabólicas, isquémia/reperfusão e cancro.
O grupo investiga os seguintes temas:
a) Intercomunicação entre sirtuínas e óxido nítrico: o PGC-1alfa como mediador comum de biogénese mitocondrial e memória hiperglicémica; b) berberina e FXR como estratégias terapêuticas para doenças metabólicas; c) fígado gordo em cirurgia e transplantação: précondicionamento e tolerância mitocondrial como estratégias úteis para ultrapassar o dano de isquémia/reperfusão; c) vias metabólicas como alvos para a terapêutica anti-cancerígena: o efeito de Warburg (colaboração com o IPATIMUP); d) o efeito de nanopartículas de prata e ouro: avaliação da toxicidade mitocondrial; e) disfunção mitocondrial induzida por poluentes.
Os modelos utilizados incluem cultura de células de mamíferos e estudos in vivo com roedores, usados para a identificação de vias sinalizadoras, componentes transcripcionais, alterações na expressão de genes do metabolismo e dinâmica mitocondrial (função, biogénese e eliminação), que resultam em alterações de vias metabólicas em condições de doença. Em modelos genéticos e dietários de esteatose hepática, descrevemos uma diminuição severa na funcionalidade da fosforilação oxidativa mitocondrial como responsável pela falha energética hepática. Adicionalmente, demonstrámos que condições hiperglicémicas levam a uma diminuição na biogénese mitocondrial, e portanto por uma capacidade bioenergética reduzida.

Colaborações internacionais:
David A. Sinclair, Escola de Medicina de Harvard, Boston, EUA (a)
Joan Rosseló-Catafau, CSIC, Barcelona, Espanha (c)
Fabio Di Lisa, Universidade de Pádua, Pádua, Itália (c)
Luca Scorrano, Instituto de Medicina Molecular Veneziano, Pádua, Itália (f)
Kendall B. Wallace, Universidade do Minnesota-Duluth, EUA (a)
Saber Hussain, Escola Universitária de Medicina de Wright State, Dayton, EUA (e)

Colaborações nacionais:
Valdemar Máximo e Jorge Lima (IPATIMUP)
Fernando Remião e Vera Costa (Departamento de Farmácia, Universidade do Porto)

Publicações recentes:
Rolo AP, Teodoro JS, Peralta C, Rosello-Catafau J, Palmeira CM. (2009) Prevention of I/R injury in fatty livers by ischemic preconditioning is associated with increased mitochondrial tolerance: the key role of ATPsynthase and mitochondrial permeability transition. Transpl. 22:1081-1090.
Rolo AP, Palmeira CM, Cortopassi GA. (2009) Biosensor plates detect mitochondrial physiological regulators and mutations in vivo. Anal. Biochem. 385:176-178.

2) Toxicidade mitocondrial de anti-cancerígenos

(PIs: Paulo J. Oliveira, José Custódio)

As estratégias terapêuticas actuais para o tratamento do melanoma e do cancro da mama apresentam inúmeras limitações, tornando-se urgente o desenvolvimento de terapias mais eficazes que conduzam a um aumento do tempo de sobrevivência. O envolvimento da mitocôndria nas vias de morte e transformação celulares torna este organelo celular um importante candidato a alvo de terapias anti-cancro. Nesta linha de investigação, estudámos o papel da mitocôndria como um possível alvo de agentes quimioterapêuticos sintéticos e naturais, em células de melanoma e cancro da mama. Demonstrou-se a selectividade do efeito citotóxico de dois alcalóides naturais, berberina e sanguinarina, em células de melanomas metastáticos, tendo como alvo a mitocôndria. Estes resultados fornecem dados importantes para o desenvolvimento de tratamentos em estádios avançados de melanomas.
Avaliámos ainda os efeitos de novas terapias combinadas no crescimento e capacidade de migração de linhas celulares de melanomas e cancro de mama, bem como nos mecanismos envolvidos nestes processos. Para tal, foram efectuados estudos toxicológicos in vitro com mitocôndrias isoladas de ratinhos, assim como ensaios in vivo, incluindo o estudo de biomarcadores bioquímicos e hematológicos em sangue e soro de animais tratados. Foram também avaliadas as alterações mitocondriais nos diferentes órgãos dos referidos animais. Todos estes estudos propocionam importantes informações ao nível dos efeitos toxicológicos e farmacológicos destas novas associações terapêuticas, tendo a mitocôndria como alvo celular.

Colaborações internacionais:
Jon Holy (Universidade do Minnesota-Duluth, USA)
Faustino Mollinedo (CIC – Universidade de Salamanca, Spain)
Edward Perkins (Mercer University, USA)
Patricia Scott (University of Minnesota-Duluth, USA)
Teresa Rose-Hellekant (Universidade do Minnesota-Duluth,, USA)
Mariusz Wieckowski (Instituto Nencki, Poland)

Colaborações nacionais:
Susana Braga (Universidade de Aveiro, Portugal)
Maria Paula Marques (Universidade de Coimbra, Portugal)
REQUIMTE (Universidade do Porto, Portugal)
Maria Alice Martins (Universidade do Porto, Portugal)
Petronila Rocha Pereira (Universidade da Beira Interior, Portugal)

Publicações recentes:
Serafim TL, Matos JA, Sardão VA, Pereira GC, Branco AF, Pereira SL, Parke D, Perkins EL, Moreno AJ, Holy J, Oliveira PJ (2008). Sanguinarine Cytotoxicity on Mouse Melanoma K1735-M2 Cells – Nuclear versus Mitochondrial Effects. Biochem. Pharmacol. 76: 1459-1475.
Custódio JB, Cardoso CM, Santos MS, Almeida LM, Vicente JA, Fernandes MA (2009). Cisplatin impairs rat liver mitochondrial functions by inducing changes on membrane ion permeability: prevention by thiol group protecting agents. Toxicology. 259(1-2):18-24.

3) Toxicidade mitocondrial cardíaca e doença

(PI: Paulo J. Oliveira)

O músculo cardíaco é altamente dependente do fornecimento mitocondrial de ATP em consequência da elevada demanda metabólica. Várias doenças e compostos são conhecidos por afectar negativamente a função mitochondrial cardíaca, contribuindo para a degeneração deste tecido.
Entres vários tópicos de investigação, temos estudado os mecanismos mitocondriais envolvidos na cardiotoxicidade selectiva, cumulativa e dependente da dose da doxorubicina (DOX), um agente usado na prática clínica como anti-cancerígeno. A cardiomiopatia induzida pela DOX tem sido justificada por um aumento do stress oxidativo mitochondrial, tendo nós identificado vários alvos mitocondriais no coração que explicam a toxicidade da DOX, incluindo o translocador de nucleótidos de adenina. Neste contexto, temos usado diferentes modelos biológicos, incluindo ratos tratados com protocolos sub-crónicos e agudos, onde diferentes tecidos são analisados em termos de função mitocondrial e stress oxidativo. Igualmente, temos usado modelos com células cardíacas em cultura para investigar os efeitos da DOX independentes do estresse oxidativo, nomeadamente devido à activação do eixo p53/Bax, que resulta num aumento do dano mitocondrial. Outros interesses de investigação incluem: a) efeitos da hiperglicémia na mitocôndria cardíaca, nomeadamente na indução de apoptose; b) efeito protector das sirtuinas mitocondriais durante a toxicidade cardíaca induzida por fármacos; c) protecção mitocondrial cardíaca durante isquémia e reperfusão; d) efeitos da diferenciação de mioblastos na toxicidade de vários agentes; e) efeitos da manipulação da dieta durante a gravidez na fisiologia mitocondrial da descendência.

Colaborações internacionais:
Kendall B. Wallace (Universidade do Minnesota-Duluth, EUA)
Piero Portincasa (Universidade de Bari, Itália)
Mariusz Wieckowski (Instituto Nencki, Polónia)
Mark Nijland (Texas Health Science Center, EUA)
Michael Sack (National Heart, Blood and Lung Institute, EUA)
Yvonne Will (Pfizer R&D, USA)

Colaborações nacionais:
António Ascensão (Universidade do Porto, Portugal)
José Magalhães (Universidade do Porto, Portugal)

Publicações recentes:
Sardão VA, Oliveira PJ, Holy J, Oliveira CR, Wallace KB (2009) “Doxorubicin-induced mitochondrial dysfunction is secondary to nuclear p53 activation in H9c2 cardiomyoblasts”. Cancer Chemother Pharmacol. 64(4), 811-827.
Sardão VA, Pereira SL, Oliveira PJ. Drug-induced Mitochondrial Dysfunction in Cardiac and Skeletal Muscle Injury. Exp. Opin. Drug Safety. 7(2):129-46.

4) Mitocôndria, carcinogénese e toxicidade do Crómio

(PI: Carmen Alpoim)

Os compostos de crómio hexavalente [Cr(VI)] estão largamente disseminados no ambiente, devido à sua utilização em larga escala a nível industrial. São reconhecidamente agentes carcinogénicos estando epidemiologicamente associados oa cancro de pulmão de não-pequenas células, Contudo, o tipo de carcinoma induzido pelo Cr(VI) tem características genéticas muito diferentes dos carcinomas pulmonares induzidos pelo fumo de tabaco, níquel ou ainda asbestos, apresentando como características dominantes a instabilidade de microsatélites, hipermetilação do promotor do p16INK4a e só muito raramente mutações no p53.
Apesar dos numerosos estudos realizados, são ainda praticamente desconhecidos os mecanismos moleculares conducentes a este tipo de carcinoma devido, fundamentalmente, à inexistência de um sistema celular que reproduza in vitro as condições que se observam in vivo (i.e. exposições prolongadas a concentrações sub-citotóxicas e linhas celulares adequadas e não malignas). Contudo, no nosso laboratório foi possível implementar recentemente um sistema que mimetiza as condições in vivo e obter a transformação maligna de células do epitélio bronquial humano por exposição a Cr(VI). O objectivo fundamental é agora o de estudar as principais alterações citogenéticas e metabólicas envolvidas no processo, incluindo o papel da mitocondria na motilidade e invasão das células neoplásicas. O facto de o processo de malignização envolver alterações citogenéticas significativas nomeadamente a transição diplóide-aneuplóide pretendemos avaliar os mecanismos envolvidos no processo.
Tendo em mente que o processo de transformação maligna envolve uma extensa rede de intercomunicação entre as células epiteliais iniciadas e o meio ambiente que as rodeia, nomeadamente os diversos componentes do estroma, pretendemos avaliar o papel dos fibroblastos bronquiais humanos senescentes na carcinogénese do Cr(VI).

Colaborações internacionais:
Mark Chanson (Geneve University, Switzerland);
Anatoly Zhitkovich (Brown University, Providence, USA)

Colaborações nacionais:
Isabel Marques Carreira (Universidade de Coimbra, Portugal)
Maria Filomena Botelho (Universidade de Coimbra, Portugal)
Anabela Sarmento Ribeiro (Universidade de Coimbra, Portugal)
Lina Carvalho (Universidade de Coimbra, Portugal)
António Cabrita (Universidade de Coimbra, Portugal)
Carolino Monteiro (Universidade de Lisboa, Portugal)

Publicações recentes:
Costa AN, Moreno V, Prieto MJ, Urbano AM, Alpoim MC. Induction of Morphological Changes in BEAS-2B Human Bronchial Epithelial Cells Following Chronic Sub-Cytotoxic and Mildly Cytotoxic Hexavalent Chromium Exposures. Mol. Carcinogenesis (In Press).
Rodrigues CF, Urbano AM, Matoso E, Carreira I, Almeida A, Santos P, Botelho F, Carvalho L, Alves M, Monteiro C, Costa AN, Moreno V, Alpoim MC (2009) Human bronchial epithelial cells malignantly transformed by hexavalent chromium exhibit an aneuploid phenotype but no microsatellite instability. Mutat Res 670, 42-52.

5) Interacções de estrogénios e fitoestrogénios em células e mitocôndrias

(PIs: Vilma Sardão, José Custódio, Sancha Santos)

É reconhecido há bastante tempo que o cancro da mama é uma patologia dependente da presença de estrogénio. O tamoxifen (TAM), o primeiro agente terapêutico clínico utilizado na modulação dos receptors de estrogénio, constitui o tratamento endocrinológico mais comum nas mulheres com cancro da mama pós-menopausa.
A nossa equipa demonstrou anteriormente que o TAM e o estradiol interagem no local de ligação do mononucleótido flavina ao Complexo I mitocondrial, levando à falha da actividade mitocondrial, constituindo assim uma explicação mecanística para os múltiplos efeitos citotóxicos do TAM, incluindo a sua capacidade para destruir, na presença de E2 (-estradiol), células cancerígenas mamárias resistentes a TAM.
Actualmente, caracterízamos efeitos de diversos fitoestrogénios nas mitocôndrias, que podem afectar a função mitochondrial em células tumorais e não-tumorais.
Neste último contexto, a nossa equipa desenvolveu modelos alternativos para estudar a forma como os fitoestrogénios seleccionados interagem com células tumorais, incluindo modelos celulares 3D em matrizes de colagénio. O objectivo principal deste estudo é a identificação de fitoestrogénios (PE) com efeito toxicológico baixo e com alto potencial terapêutico para diversas patologias, de forma a serem incluídos, com segurança, como aditivos em certos produtos alimentares que compõem a dieta da população ocidental.

Colaborações internacionais:
Jon Holy (Universidade do Minnesota-Duluth, USA)

Publicações recentes:
Moreira PI, Custódio J, Moreno A, Oliveira CR, Santos MS (2006) Tamoxifen and estradiol interact with the flavin mononucleotide site of complex I leading to mitochondrial failure. J. Biol. Chem. 281(15):10143-52.
Moreira PI, Custódio JB, Nunes E, Moreno A, Seiça R, Oliveira CR, Santos MS. (2007) Estradiol affects liver mitochondrial function in ovariectomized and tamoxifen-treated ovariectomized female rats. Toxicol Appl Pharmacol. 221(1):102-10.

6) Perfil metabólico e toxicologia

(PI: Rui Carvalho)

Os principais interesses desta linha de investigação incluem o desenvolvimento de métodos não invasivos para o estudo de metabolismo intermediário, baseados na administração de isótopos estáveis e subsequente análise por RMN, bem como a avaliação de alterações metabólicas associadas a várias doenças. Entre as estratégias adoptadas, inlcui-se uma análise simples e directa de biópsias de tecidos (HR-MAS) e biofluidos e a análise de extractos de tecidos após exposição a isótopos estáveis. Estas metodologias têm sido aplicadas a diversos níveis de complexidade, desde sub-celular (mitocôndrias isoladas) a organismos completos (modelos animais de diversas doenças) passando mesmo, em última instância, pela sua utilização em humanos. Diversos trabalhos de colaboração estão a decorrer, com ênfase particular em análise metabonómica de: a) modelos animais de estágios pré-clínicos da doença de Alzheimer; b) biópsias de tumores; c) saliva de diabéticos tipo I; d) perfil metabólico cardíaco durante a isquémia e isquémia/reperfusão. O derradeiro objectivo destas análises é o de correlacionar as alterações metabólicas com a doença no sentido de propor mecanismos de reversão do fenótipo metabólico capazes de tratar a patologia ou pelo menos inibir a sua progressão.

Colaborações internacionais:
Rolf Gruetter (EPFL, Lausane)
Gary Lopaschuk (Mazankowski Alberta Heart Institute, Universidade de Alberta, Edmonton, Canadá)
Gregory Stephanopoulos (MIT, USA)
Gerald Shulman (Escola Médica de Yale, Universidade de Yale, USA)

Colaborações nacionais:
Francisco Veiga (Universidade de Coimbra, Portugal)
Elisiário Silva (Universidade de Coimbra, Portugal)
Miguel Pardal (Universidade de Coimbra, Portugal)
Artur Valente (Universidade de Coimbra, Portugal)
Alberto Pais (Universidade de Coimbra, Portugal)
Rui Fausto Lourenço (Universidade de Coimbra, Portugal)
Abílio Sobral (Universidade de Coimbra, Portugal)
Maria Ramos (Universidade de Coimbra, Portugal)
Hugh Burrows (Universidade de Coimbra, Portugal)
Maria Helena Gil (Universidade de Coimbra, Portugal)
Jorge Coelho (Universidade de Coimbra, Portugal)
Pedro Simões (Universidade de Coimbra, Portugal)
Maria Botelho (Universidade de Coimbra, Portugal)
Manuel Santos Rosa (Universidade de Coimbra, Portugal)
Rodrigo Cunha (Universidade de Coimbra, Portugal)
António Cabrita (Universidade de Coimbra, Portugal)
Francisco Ambrósio (Universidade de Coimbra, Portugal)
Fernando Remião (Universidade do Porto)
Maria Fernanda Borges (Universidade do Porto)
Maria Sá-Correia (IST, Universidade Técnica de Lisboa)

Publicações recentes:
Soares AF, Veiga FJ, Carvalho RA, Jones JG (2009) Quantifying Hepatic Glycogen synthesis by direct and indirect pathways in rats under normal ad libitum feeding conditions. Magn Reson Med 61, 1-5.
Alves TC, Nunes PM, Palmeira CM, Jones JG, Carvalho RA (2008) Estimating gluconeogenesis by NMR isotopomer distribution analysis (NMR-IDA) of [13C]bicarbonate and [1-13C]lactate. NMR Biomed 21, 337-344.

Informação Adicional

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