R. Periodontia - Dezembro 2009 - Volume 19 - Número 04 APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA DE MICROARRAYS EM PERIODONTIA The use of microarray´s technique in Periodontics Schittine K1, Hirata R2, Fischer RG3 & Figueredo CMS4 RESUMO O objetivo deste estudo foi revisar a literatura sobre a utilização da tecnologia de microarrays e sua aplicação na Periodontia. A tecnologia de microarrays, ou microarranjos, tem demonstrado importante papel nas pesquisas, influenciando na determinação de novos conceitos no campo da etiopatogenia e diagnósticos moleculares e definindo padrões de expressão gênica e proteica. Abrange o estudo de processos biológicos moleculares importantes na patogênese de doenças complexas, notadamente nas áreas relacionadas a doenças metabólicas, auto- imunes, oncológicas, cardiovasculares, sendo mais recentemente aplicada nas pesquisas em Periodontia. Nesta área a aplicação dessa técnica tem auxiliado no entendimento das interações celulares nos processos de saúde e doença, e também na diferenciação de respostas a estímulos específicos, como a interação com micro-organismos, apontando diferenças entre as expressões gênicas nessas diferentes condições. Sendo assim, concluímos que a aplicação da tecnologia de microarrays em Periodontia pode sugerir um perfil gênico de susceptibilidade à doença. No entanto, há a necessidade de uma padronização da técnica para validar os resultados obtidos. UNITERMOS: periodontite; microarrays; expressão gênica. R Periodontia 2009; 19:44-50. 1 Mestranda em Periodontia/ Faculdade de Odontologia UERJ 2 Professor Adjunto / Faculdade de Ciências Médicas UERJ 3 Professor Adjunto / Faculdade de Odontologia UERJ 4 Professor Titular / Faculdade de Odontologia UERJ Recebimento: 24/04/09 - Correção: 24/08/09 - Aceite: 11/11/09 INTRODUÇÃO A doença periodontal (DP) manifesta-se como consequência de interações entre o biofilme bacteriano e a resposta imunológica do hospedeiro (Bartold, 2006), com variações individuais na expressão do perfil da doença, podendo também ser influenciada por fatores extrínsecos (i.e. tabagismo) e sistêmicos (i.e. diabetes mellitus) (Bergstrom, 2006; Kornman, 2008 ;Michalowicz et al, 2000; Offenbacher et al, 2007; Southerland et al, 2006;Taubman et al, 2007). A DP é dividida, de forma simplificada, em gengivite, onde se observa inflamação do tecido gengival sem comprometimento do ligamento periodontal e de osso circunjacente, e periodontite, caracterizada pela migração apical do epitélio juncional e perda de estrutura óssea (Page & Schroeder,1976; Page, 1986). Uma série de recursos diagnósticos permite distinguir as condições periodontais de saúde e doença, desde o estabelecimento de variáveis clínicas, como o sangramento à sondagem, e avaliações radiográficas, até o estabelecimento de variáveis histológicas, microbiológicas (Socransky et al,1988) e bioquímicas (Figueredo et al,2000). Atualmente tem-se dado bastante importância às 44 periodez2009 01-02-10.pmd 44 6/8/2010, 10:19 AM R. Periodontia - 19(4):44-50 técnicas genéticas de diagnóstico, incluindo tecnologia de microarrays. A técnica de microarray, também denominada análise em microarranjos, avalia as diferentes expressões de genes específicos em micro-organismos e células oriundas de tecidos vivos ou cultura a partir de DNA ou RNA selecionados e hibridizados com sondas padronizadas. Pode mostrar a expressão exacerbada ou inibida de determinados genes sob condições específicas (McCulloch, 2006; Mello-Coelho & Hess, 2005). Sua principal aplicação tem sido na medição da expressão gênica celular sob diferentes estímulos (Grant & Hakonarson, 2008; Rosamond & Allsop, 2000; Hess et al, 2004). Sua utilização tem demonstrado um importante papel nas pesquisas biológicas básicas e aplicadas, influenciando na determinação de novos conceitos no campo da etiopatogenia, diagnósticos moleculares e definindo padrões de expressão gênica e proteica. Essa técnica tem melhorado o entendimento da patogênese de doenças complexas, notadamente nas áreas relacionadas a doenças metabólicas, auto- imunes, oncológicas, cardiovasculares, e vem sendo recentemente aplicada nas pesquisas em Periodontia (Weeraratna et al, 2004; Demmer et al, 2008). O isolamento de tecidos e a separação, quantificação e análise sequencial de genes e proteínas, têm mostrado que os perfis gênicos de células periodontais saudáveis, de células estimuladas por micro-organismos, além de processos inflamatórios e de cicatrização, podem apresentar variações significativas entre si (Shu et al, 2008; Beikler et al, 2008; Kato et al, 2008; Milward et al, 2007). Sendo assim, o objetivo deste estudo foi revisar a literatura sobre a utilização da tecnologia de microarrays e sua aplicação na Periodontia. 2. REVISÃO DA LITERATURA 2.1- Descrição da Técnica O primeiro passo para a aplicação da tecnologia de microarrays é a identificação e coleta de DNA ou RNA (para a síntese de DNA complementar- cDNA ou RNA complementar- cRNA) ou de oligonucleotídeos curtos que contenham os genes a serem estudados. O estudo dessa técnica pode ser direcionado a um tecido específico, células em cultura, cromossomo, família gênica, doença, características funcionais ou pode não estabelecer um foco específico na sua análise (Covani et al, 2008; Lallier & Spencer, 2007). Os genes de interesse são identificados através de um banco de dados de genes, que possui vários clusters de sequência gênicas com informações e localização cromossômica de cada gene. Atualmente existem bancos de dados disponibilizados e sondas produzidas por diferentes fabricantes. Esse artifício possibilita também fazer correlações com a expressão específica de proteínas em cada gene. Cada cluster contém uma série de clones que podem ser utilizados na construção dos arranjos de cDNA ou de RNA. Os microarranjos são fixados em lâminas de vidro ou membranas de nylon ou nitrocelulose pré – tratadas. Dependendo do tipo de material utilizado, a tecnologia de microarrays pode comportar centenas e até milhares de genes (Weeraratna et al, 2004). Depois de fixado, inicia-se o processo de hibridização do DNA, que compreende a reassociação do oligonucleotídeo de DNA utilizado como sonda com o DNA extraído da célula ou tecido em estudo. As sondas são purificadas e incubadas em uma solução estável por 16 a 24 horas, juntamente com o filamento originário; após a hibridização são lavadas e a quantidade de sinais incorporados em cada marcador é medida por sistema de imagens ou de leitura especializados (Mello-Coelho & Hess, 2005). A análise dos dados não obedece a um padrão universal, havendo diversos métodos utilizados, dependendo do objetivo do estudo. A leitura pode ser realizada através de sensibilização por fluorescência ou radioatividade, e são usados softwares específicos para reconhecer e conferir um valor numérico para cada ponto dos microarranjos. As diferenças nas expressões dos genes são estatisticamente avaliadas através de análises exploratórias multivariadas ou análise de clusters e outras técnicas estatísticas, que incluem mapas auto-organizados (Kasahara et al, 2006), k- cluster e processos matemáticos baseados nos desenhos das redes neurais (Khan et al, 2001; Ringner & Peterson, 2003). Em função disso é realizada a replicação das amostras e a validação do método de microarranjos através de outras técnicas, como a da Reação em Cadeia da Polimerase (PCR) em tempo real. Também são validadas as análises de expressão gênica dos níveis de proteínas, através de Imunohistoquímica ou Imunoblotting. A padronização da tecnologia de microarrays vem sendo estudada como forma de viabilizar futuros estudos clínicos de longo prazo (Ball et al, 2002; Carlisle et al, 2000). 2.2 - APLICAÇÃO EM PERIODONTIA 2.2.1- Estudos Microbianos Micro-organismos relacionados com o desenvolvimento da Doença Periodontal vêm sendo analisados com a utilização tecnologia de microarrays. Para avaliar o impacto da vi45 periodez2009 01-02-10.pmd 45 6/8/2010, 10:19 AM R. Periodontia - 19(4):44-50 rulência da Porphyromonas gingivalis sobre os mecanismos celulares que desencadeiam a reação inflamatória no tecido periodontal, foram extraídos lipopolissacarídeos dessa bactéria e, após sua purificação, aplicados sobre células do ligamento periodontal. A análise dos RNAs através dos microarranjos, mostrou, in vitro, a estimulação de cinco genes, entre eles, a Interleucina- 8 e Galectina- 9 (Kasamatsua et al, 2005).Também com essa técnica, Kuramitsu et al (2005) sugeriram uma interação sinérgica entre o Treponema denticola e a Porphyromonas gingivalis no biofilme. Gemmell et al (2006) examinaram, com a tecnologia de microarrays, a resposta de células T CD4 e CD8 ao Porphyromonas gingivalis em camundongos imunizados. Observaram que a expressão gênica celular estava inibida, principalmente nos genes relacionados às respostas Th1, e de Interleucina- 6 e -10 e que as Imunoglobulinas G-1 e G2 estavam estimuladas. A expressão de genes em linhagens de células de medulas de ratos sob o estímulo de cepas de Porphyromonas gingivalis sugeriu que a gingipaína, proteína produzida por essa bactéria, estaria envolvida na indução de respostas proinflamatórias, na expressão de fatores de crescimento e de Matriz de Metaloproteinase (MMP) - 9 e -13 (Ohno et al, 2006). Kato et al (2008) cultivaram cepas de Porphyromonas gingivalis e colonizaram células da medula de ratos nas fases iniciais do ciclo celular. Com a aplicação da tecnologia de microarrays associada ao PCR e Imunoblotting, mostraram que a infecção pelo microorganismo inibia a proliferação celular e causava imunossupressão local. Também foram realizadas culturas celulares de epitélio oral para analisar a via de ativação intracelular do Fator Nuclear-kβ (NF-kβ) sob o estímulo das bactérias periodontopatogênicas Fusobacterium nucleatum e Porphyromonas gingivalis (Milward et al, 2007). Os resultados mostraram que citocinas e quimiocinas relacionadas com a regulação pela via NF-kβ, como a Interleucina-1α (IL-1α), Interleucina- 8(IL-8) e Fator de Necrose Tumoral- α (TNF-α) estavam com sua expressão estimulada após a exposição aos patógenos. Sun et al (2008), avaliando patógenos Gram – negativos que interagem com receptores específicos Toll- like da superfície celular de tecido periodontal, e as consequências dessa interação sobre a expressão da resposta imune, observaram a expressão exacerbada dos receptores Toll- like 4 nas amostras submetidas ao estímulo microbiano, nos genes de citocinas pró- inflamatórias, e nos relacionados às vias de sinalização, receptor de membrana celular Jun- Kinase (JNK) e à Interleucina-10. 2.2.2- Estudos em Imunologia e Biologia Celular Pacientes com perfil de periodontite resistente ao tratamento, pacientes periodontais controlados e em manutenção tiveram o tecido subepitelial removido de sítios periodontais comprometidos e clinicamente saudáveis, respectivamente. As amostras foram armazenadas em uma substância estabilizadora de RNA e submetidas à tecnologia de microarrays com confirmação por análise de PCR. Os resultados obtidos mostraram diferenças nos perfis de expressão gênica entre os dois grupos. No grupo de amostras teciduais de sítios com atividade de doença, foram observadas expressões exacerbadas de genes relacionados com a Interleucina- 24, lactoferrina, caspase-10, MMP -1 e -3, enquanto grupos gênicos inibidos para desmocolina-1 e keratinase tipo2 foram encontrados (Kim et al,2006). Tecidos gengivais de pacientes apresentando periodontite e de pacientes periodontalmente saudáveis (papila interproximal) foram biopsiados e acondicionados em uma solução estabilizadora de RNA. Após a leitura e análise de microarranjos, os resultados mostraram diferenças significativas entre as expressões gênicas nos dois grupos. Essas diferenças estavam mais especificamente relacionadas aos genes responsáveis por resposta humoral antimicrobiana, regulação de processos metabólicos, apresentação de antígenos, sinais de transdução, apoptose e angiogênese (Demmer et al, 2008). Beikler et al (2008), com biópsias de tecidos periodontais em pacientes portadores de periodontite crônica severa e em pacientes clinicamente saudáveis observaram, além de diferenças entre os perfis gênicos desses grupos, diferenças nos perfis do grupo de pacientes doentes antes e após a terapia periodontal não cirúrgica, onde, após a terapia, encontraram genes ativados relacionados ao reparo tecidual . Sorensen et al (2008) aplicaram a tecnologia de microarrays para avaliar células mononucleares de sangue periférico de pacientes com periodontite agressiva comparados a controles. Os pacientes com periodontite agressiva localizada apresentavam grupos específicos de genes relacionados à resposta imune e processos inflamatórios, com perfil exacerbado de expressão. Interações entre lipopolissacarídeos bacterianos e resposta imune do hospedeiro foram demonstradas em culturas celulares de macrófagos conservados em meio hiperglicêmico e estimulados com lipopolissacarídeos de Escherichia coli. A análise das concentrações de proteínas obtidas pela tecnologia de microarrays mostrou que macrófagos expostos à hiperglicemia e sob estímulo de lipopolissacarídeos bacterianos podem responder exacerbadamente em relação 46 periodez2009 01-02-10.pmd 46 6/8/2010, 10:19 AM R. Periodontia - 19(4):44-50 às amostras de macrófagos em meio normoglicêmico (Iwata et al, 2007). Células de ligamento periodontal e tecido gengival cultivadas in vitro tiveram seus perfis de expressão gênica comparados pela tecnologia de microarrays de DNA, mostrando diferenças nos seus padrões de expressão gênica (Han & Amar, 2002). Diferenças foram também observadas entre a expressão de genes de células do epitélio gengival e de fibroblastos gengivais, cultivados e submetidos à técnica, com maior expressão de genes relacionados à queratina e desmocolina nas células epiteliais (Abiko et al, 2004). Kurashige et al (2008) isolaram células epiteliais de ligamento periodontal e de tecido gengival e mostraram que no tecido periodontal as células epiteliais apresentavam maior diversidade de genes, com expressão exacerbada de proteínas. 2.2.3- Estudos em Reparo e Regeneração Estudos com biópsias gengivais detectaram a ativação de genes relacionados ao reparo e regeneração tecidual em pacientes com periodontite crônica severa após a terapia periodontal não cirúrgica (Beikler et al, 2008) e em pacientes em manutenção periodontal (Kim et al, 2006) através da associação de microarranjos e PCR. Hakki et al (2005) comparando biópsias gengivais entre pacientes apresentando fibromatose gengival e um grupo sem essa alteração detectaram diferenças na morfologia celular dos fibroblastos e diferenças nas expressões gênicas dos genes relacionados a moléculas de adesão, matriz extracelular e colágeno tipo IV, todos reduzidos no grupo portador da fibromatose . A expressão gênica das diversas células do ligamento periodontal foi comparada entre células em cultura e células vivas (Lallier & Spencer, 2007), mostrando similaridade na maioria das sondas examinadas. Nas células de tecido vivo, genes relacionados à formação de tecido mineralizado encontravam- se significativamente com maior expressão, assim como as suas proteínas relacionadas, e havia maior expressão de fatores de crescimento de fibroblastos. 5. DISCUSSÃO A tecnologia de microarrays vem sendo aplicada na Periodontia com a análise de: (1) células in vivo ou cultivadas in vitro (Lallier & Spencer, 2007; Han & Amar, 2002; Abiko et al, 2004; Hakki et al, 2005), e (2) material gênico de várias origens, sejam elas sangue, tecido periodontal conjuntivo e epitelial (Sorensen et al, 2008; Demmer et al, 2008;Beikler et al, 2008). A variedade dos materiais analisados nos estudos disponíveis dificulta a comparação de resultados e ainda é precoce o estabelecimento de evidências baseadas na utilização dessa técnica. A metodologia aplicada também apresenta diferenças nas formas de extração e conservação do RNA, o que, devido à sua instabilidade, pode afetar os resultados dos genes analisados (Kasahara et al, 2006). Também possíveis variações entre os fabricantes das sondas e softwares disponíveis podem ser observadas. Em seu estudo com linhagens celulares estimuladas por cepas de P. gingivalis, Ohno et al (2006) utilizaram dois sistemas de diferentes fabricantes de microarranjos e softwares, mostrando equivalência entre os resultados obtidos; no entanto, apesar de equivalentes quanto à ativação ou inibição de genes determinados, os resultados apresentaram diferenças numéricas quanto à intensidade da alteração em algumas categorias gênicas analisadas, e esse aspecto pode ser determinante dependendo do objetivo do estudo. A detecção de genes relacionados a substâncias próinflamatórias após estímulo bacteriano em células humanas in vitro (Sun et al, 2008; Milward et al, 2007; Kasamatsua et al, 2005) ou em células de ratos (Kato et al, 2008; Kuramitsu et al, 2005; Gemmell et al, 2006; Ohno et al, 2006) parece ser bem estabelecida por essa técnica, o que permite detalhar e comparar o impacto de diferentes microorganismos sobre a expressão gênica de células periodontais. Milward et al (2007), compararam os perfis de expressão gênica de células orais epiteliais expostas ao Porphyromonas gingivalis (Pg) e ao Fusobacterium nucleatum(Fn), apontando uma maior ativação de genes da via NF-kβ e de genes pró- inflamatórios nas células estimuladas pelo Fn. A sensibilidade da tecnologia de microarrays fica clara quando a expressão da IL-10 foi avaliada em dois estudos distintos sob o estímulo de patógenos Gram-negativos (Sun et al, 2008; Gemmel et al, 2006). Ambos apresentaram resultados positivos, porém com diferenças na intensidade da expressão dos genes correspondentes. Esses achados podem futuramente permitir a formulação de drogas mais específicas para determinados micro-organismos periodontais, seja para sua eliminação ou para a modulação específica do hospedeiro. Iwata et al (2007) observaram que macrófagos expostos à hiperglicemia e sob estímulo de lipopolissacarídeos bacterianos responderam exacerbadamente em relação às amostras de macrófagos sob o mesmo estímulo em meio normoglicêmico. Podemos especular que, além dos estímulos locais, fatores sistêmicos e de susceptibilidade individual podem efetivamente influir nos aspectos celulares específicos e determinar diferentes padrões gênicos. Isso pode explicar a existência de pacientes que, sob estímulos 47 periodez2009 01-02-10.pmd 47 6/8/2010, 10:19 AM R. Periodontia - 19(4):44-50 microbianos comuns, apresentam diferentes perfis de periodontite. Levando em consideração os estudos em Periodontia, observamos que não há um conceito estabelecido de qual seja o padrão de normalidade de perfil gênico em células periodontais. Objetivando estabelecer um perfil gênico relativo ao periodonto saudável, Demmer et al ( 2008), compararam as expressões de genes a partir de biópsias de tecido periodontal saudável e com periodontite, e mostraram diferenças acentuadas entre eles. O estabelecimento dos perfis gênicos presentes no periodonto saudável pode permitir a criação de marcadores genômicos sinalizando precocemente a doença, antes do aparecimento dos seus sinais clínicos e radiográficos. No entanto, para se estabelecer esse padrão gênico de periodonto normal, são necessários mais estudos em periodonto saudável e com subpopulações celulares específicas. Com relação ao tratamento periodontal, trabalhos recentes mostram a ativação de genes relacionados ao reparo e regeneração teciduais após o tratamento, reforçando a sua eficácia (Beikler et al, 2008; Kim et al,2006). Beikler et al (2008) observaram a inibição dos genes relacionados aos mecanismos imunológicos referentes a danos teciduais e exacerbação dos genes referentes a reparo tecidual após o tratamento, enquanto Kim et al (2006) mostraram, através dessa técnica, que pacientes resistentes ao tratamento, ainda que sob rigoroso programa de manutenção periodontal, apresentavam genes relacionados à resposta inflamatória ativados, quando comparados a pacientes sem perfil refratário da doença, também sob manutenção. Sendo assim, concluímos que a aplicação da tecnologia de microarrays em Periodontia pode auxiliar no estabelecimento de perfis gênicos de susceptibilidade à doença, com a detecção precoce e prevenção do seu desenvolvimento. No entanto, devido às diferentes metodologias aplicadas, há a necessidade de uma padronização da técnica nos estudos para que seus resultados possam gerar evidências. ABSTRACT The aim of this study was to review the literature about the microarray technology and its application in periodontics. Microarray analysis has been important for researchers helping the development of new concepts in the field of etiopathogenisis and molecular diagnostic, and also defining standards for gene and protein expression. It embraces the study of important molecular process, which is part of the pathogenesis of complex diseases, such as metabolic, selfimmunes, oncologic and cardiovascular diseases. Recently, microarray analysis has also been applied in periodontal research. The use of such technique has helped understanding the cellular interactions during periodontal health and disease, and also defining different responses to specific stimuli patterns, i.e, interactions between microorganisms and host cells. Differences in gene’s expression profiles can also be seen in those conditions. In conclusion, the use of microarrays technique in periodontics might be useful to indicate gene profiles related to disease susceptibility. However, it’s necessary the standardization of this technique to validate its results. UNITERMS: periodontitis; microarrays; gene expression 48 periodez2009 01-02-10.pmd 48 6/8/2010, 10:19 AM R. Periodontia - 19(4):44-50 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1- McCulloch CA. Proteomics for the periodontum: current strategies and future promise. Periodontol 2000 2006; 40(1):173-83. 2- Mello-Coelho V, Hess KL. A conceptual and practical overview of cDNA microarray technology: implications for basic and clinical sciences. Braz J of Med and Biol Res 2005;38: 1543-52. 3- Grant SF; Hakonarson H. Microarray technology and applications in the arena of genome- wide association. Clin Chem 2008; 54(7): 1116-24. 4- Rosamond J; Allsop A. Harnessing the power of the genome in the search for new antibiotics. 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