Zöldhályog-műtétek komplikációihoz vezető sebgyógyulási problémák proteomikai vizsgálata
Title in English
Proteomic alterations related to impaired wound healing leading to glaucoma surgery complications
Keywords in Hungarian
segbyógyulás, proteomika, gyulladás, zöldhályog,
Keywords in English
wound healing, proteomics, inflammation, glaucoma
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)
80 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Cytochemistry
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Department of Biochemistry and Molecular Biology (University of Debrecen)
Starting date
2016-01-01
Closing date
2018-12-31
Funding (in million HUF)
8.464
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A zöldhályog a retina ganglion sejtjeinek pusztulásával és a látóideg neuropátiájával járó neurodegeneratív betegség. A terápia során a cél, mindmáig az egyetlen befolyásolható tényező, a szemnyomás csökkentése helyi gyógyszeres kezeléssel. Amennyiben a gyógyszeres kezelés nem elégséges, sebészeti beavatkozásra van szükség. A sebészeti beavatkozás sikere nagymértékben függ a megfelelő sebgyógyulási folyamatoktól, és sok esetben a túlzott sebgyógyulás miatt a beavatkozás sikertelen. Munkám során tanulmányozni szeretném a globális fehérje szintű változásokat a sebgyógyulás különböző fázisaiban és össze kívánom hasonlítani a fehérje profil változását a citokin és kemokin profil változásokkal. A célom, hogy megértsem a sebgyógyulás során bekövetkező patológiás kisiklást, amely túlzott sebgyógyuláshoz és a műtét sikertelenségéhez vezet. Az irodalomban közölt kísérletek nagy része a csarnokvizet vizsgálja, amely csak a műtét során hozzáférhető. A megfelelő nyomon-követéshez szükség van egy flexibilisebb, könnyen gyűjthető mintaforrásra, amely elég információt tud szolgáltatni. Emiatt célul tűztem ki a könny, mint lehetséges információforrás tanulmányozását a sebgyógyulás különböző fázisai során és a könny proteóm és citokin profil összehasonlítását a csarnokvízben található fehérje és citokin értékekkel. A shotgun és célzott proteomikai vizsgálatokkal nyert adatok integrálásával azokat a kulcsfontosságú fehérjéket és útvonalakat szeretném meghatározni, amelyek túlzott sebgyógyuláshoz vezetnek és diagnosztikus biomarkerként használhatók a sebgyógyulási komplikációk esetében vagy terápiás célpontként szolgálhatnak.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A sebgyógyulás komplex folyamata a véralvadási, gyulladási, proliferatív és remodellációs fázisok során megakadályozza a vérvesztést a sérülés helyén, lehetővé teszi a sérült szövet teljes vagy részleges regenerációját és az eredeti funkciók helyreállítását. A véralvadási problémák a véralvadás bármelyik fázisában jelentkezhetnek és a folyamatot elégtelenné vagy túlzottá tehetik. A zöldhályog-műtétek során fellépő túlzott sebgyógyulás lényegesen csökkenti a műtéti eljárás, a trabekulektómia, sikerességét elégtelen zöldhályog-kezelést eredményezve. Számos kutatás során tanulmányozták a citokinek szintjét a zöldhályogban szenvedő betegek üvegtesti mintáiban, de könnyet csak kevés esetben vizsgáltak. Ebben a tanulmányban a műtét során gyűjtött csarnokvíz mellett a műtét előtt és után, hét különböző időpontban gyűjtött könnyminta fehérje és citokin profilját kívánom megvizsgálni trabekulektómia utáni sebgyógyulási komplikáció nélküli, illetve komplikációt mutató betegek esetében. A nagymennyiségű adatot szolgáltató shotgun, illetve célzott proteomikai vizsgálatokkal lehetőség van könnyben és csarnokvízben a trabekulektómia utáni fehérje és citokin változások kvalitatív és kvantitatív időfüggésének vizsgálatára. A proteomikai adatok útvonalelemzésével és hálózat analízisével több információt szeretnék nyerni a sebgyógyulás egyes fázisait illetően, különös tekintettel a gyulladásos és proliferatív fázisok közötti átmenetre. A komplex adatelemzés információt nyújt a kulcsfontosságú fehérjékről és útvonalakról, amelyeknek szerepük van a megváltozott sebgyógyulási folyamatokban és segít jobban megérteni a sebgyógyulási zavarokhoz vezető patofiziológiás kisiklást.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A zöldhályog egy krónikus szembetegség, amely megfelelő kezelés hiányában vaksághoz vezethet és világszerte egy komoly egészségügyi és szociális problémává vált. Mindmáig az egyetlen mód a zöldhályog kezelésében a szemnyomás csökkentése akár helyi gyógyszeres kezelés, akár műtéti beavatkozás, pl. trabekulektómia révén. A műtéti beavatkozás sikere csökken, amikor a túlzott sebgyógyulás hatástalanítja a trabekulektómiát. A munkám során alkalmazott kísérleti rendszer lehetővé teszi nagymennyiségű, a sebgyógyulási folyamatban szerepet játszó fehérjékre, citokinekre és kemokinekre vonatkozó kvalitatív és kvantitatív adatok gyűjtését. Ezeket az információkat felhasználva megérthetjük a sebgyógyulás folyamatát és azonosíthatjuk azokat a fehérjéket és útvonalakat, amelyek a normál és túlzott sebgyógyulás közötti különbségekért felelősek. A különböző időpontokban gyűjtött könny és a műtét során gyűjtött csarnokvíz vizsgálatával nyomon követhetjük a sebgyógyulás egyes fázisaiban a fehérje, citokin és kemokin változásokat és ugyanakkor megvizsgálhatjuk a könny alkalmazhatóságát prediktív célokra. A túlzott sebgyógyuláshoz vezető patofiziológiás kisiklásban kulcsfontosságú fehérjék és útvonalak azonosításával megvizsgálhatjuk e molekulák biomarkerként történő hasznosíthatóságát. A folyamatosan termelődő és nem invazív módon gyűjtött könnyben levő biomarkerek vizsgálata a kontrollok során lehetőséget ad a szemésznek a trabekulektómián átesett betegek hatékonyabb követésére. Ugyanakkor információt szolgálhat a szakemberek számára, akik szükség esetén elkezdhetik a sebgyógyulási komplikációk kialakulását gátló antimitotikus vagy gyulladásellenes kezelést. Az azonosított kulcsfontosságú fehérjék gyógyszer célpontként is szolgálhatnak új terápiás módszerek kifejlesztése során.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A zöldhályog világszerte a visszafordíthatatlan vaksághoz vezető leggyakoribb betegség. Számos kockázati tényezőt azonosítottak, de mindmáig az egyetlen befolyásolható tényező a szemnyomás. Zöldhályogban a szemnyomás általában magas és a terápia során megkísérlik a szemnyomás csökkentését így lassítva vagy megállítva a betegség előrehaladását. A jól bevált műtéti eljárás, a trabekulektómia, alkalmazásával egy csatornát képeznek, amely elősegíti a csarnokvíz elfolyását és így csökkenti a szemnyomást. A leggyakoribb műtéti komplikáció a korai sebgyógyulás, amely hegesedést és a csatorna záródását okozza, hatástalanná téve ezáltal a műtéti beavatkozást. A műtét utáni sebgyógyulás alatt a véralvadás megakadályozza a vérvesztést, majd a gyulladásos fázisban aktiválódnak az immunsejtek. A proliferatív fázisban a sejtosztódás pótolja a sérült és elvesztett sejteket, míg a remodellációs fázisban az eredeti állapot rekonstrukciója következik be. Korszerű proteomikai technológiák alkalmazásával a célom a sebgyógyulás egyes fázisaira jellemző fehérje változások vizsgálata és a sebgyógyulási problémákban kulcsfontosságú fehérjék azonosítása. A könnyen gyűjthető könnyben levő fehérjék, amelyek megjósolhatják a sebgyógyulási komplikációk kialakulását potenciális biomarkerként használhatók, míg más fehérjék gyógyszermolekulák támadáspontjai lehetnek. Ez utóbbinak azért van nagy jelentősége, mert sok esetben a műtét során alkalmazott antimitotikus ágensek nem kellően hatékonyak, emiatt nagy az igény a további terápiás lehetőségekre.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Glaucoma is a neurodegenerative disease associated with the progressive loss of retinal ganglion cells and neuropathy of the optic nerve. During therapy the aim is to lower the high intraocular pressure - until now, the only modifiable factor - by topical medication. In case of insufficient results surgical intervention is necessary. The surgical success highly depends on proper wound healing mechanisms and in many cases the excessive wound healing makes the intervention ineffective. I would like to study the proteome-wide changes in the different states of the wound healing process and to correlate the proteome changes with cytokine and chemokine profiles. My aim is to understand the molecular mechanism underlying the pathopysiological shift leading to excessive wound healing and thus to surgical failure. Most of the experiments reported in the literature use the aqueous humor as study material which is available only during surgery. A more flexible and easier-to collect sample source providing enough information is necessary. Therefore the other aim of this study is to examine the usefulness of the tears as source of information during different phases of wound healing process by comparing the proteome and cytokine profile of tears and aqueous humor. By integrating shotgun and targeted proteomics data I would like to identify the key proteins or pathways leading to excessive wound healing and proteins which can be utilized either as diagnostic biomarkers for wound healing complications or as drug targets for future therapies.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The complex process of wound healing with its four main phases (coagulative, inflammatory, proliferative and remodeling) prevents blood loss at the site of injury and makes possible the complete or partial regeneration of injured tissue and restoration of initial functions. Wound healing complications can occur at each step making the process either inefficient or excessive. In case of glaucoma surgery the excessive wound healing markedly decreases the success of trabeculectomy, leading to poor glaucoma management. Different studies have examined the changes in cytokine levels in the aqueous humor of glaucoma patients but there are only few studies examining the tear protein or cytokine changes. In this study, along with the aqueous humor collected during surgery, I would like to examine the protein changes and cytokine profile of tear samples collected at 7 time-points before and after surgery from patients with or without wound healing complications following trabeculectomy. Using powerful shotgun and targeted proteomics assays the time-course of qualitative and quantitative protein and cytokine changes will be monitored in tears and compared to the protein and cytokine levels in aqueous humor. By pathway and network analysis of the proteomics data I would like to get more insights regarding the wound healing phases with high emphasis on the transition between the inflammatory and proliferative phases. The complex data analysis will give information about the key proteins and pathways having role in the impaired wound healing process and help to better understand the pathophysiological shift leading to wound healing complications.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Glaucoma is a chronic eye disease which in lack of proper treatment could lead to blindness emerges into a serious health and social problem worldwide. Until recently the only way of glaucoma management is the lowering of the high intraocular pressure either by the administration of topical medications or by surgical intervention. The success rate of the surgical intervention fails when excessive wound healing makes the trabeculectomy inefficient. In this study the experimental design makes possible the collection of huge amount of qualitative and quantitative information regarding the proteins, cytokines and chemokines playing role in the wound healing process. Using this information we can get a better understanding of the wound healing process and we can identify the proteins and pathways leading to the shift between the normal and excessive wound healing. By analyzing tear samples collected at different time-points and aqueous humor collected during surgery we can monitor the tear protein, cytokine and chemokine changes in the different phases of wound healing and in the same time we can examine the usefulness of tear samples for predictive purposes. By identifying the key pathways and proteins leading to the pathological shift in wound healing the utility of tear biomarkers able to predict wound healing complications can be studied. The examination of biomarkers in the non-invasively collected, continuously available tear by the ophthalmologists at the controls makes possible a more efficient follow-up of the patients having trabeculectomy. This can provide information for the health care specialist to start antimitotic or anti-inflammatory therapies if necessary to prevent wound healing complications. The identified key proteins can be further used as targets for drug design and for the development of novel therapeutic procedures.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. Several risk factors have been associated to it but the only risk factor which can be modified is the intraocular pressure (IOP). In glaucoma the IOP is usually high and the treatment strategies are to lower the high IOP and in this way slowing down or stop the progression of the disease. The state-of-the-art surgical intervention is trabeculectomy when a channel is constructed leading to the drainage of the aqueous humor thus lowering the IOP. The most common complication related to trabeculectomy is the premature wound healing leading to scar formation and channel closure thus making the surgical intervention ineffective. Following surgery the wound healing process will stop the blood loss by coagulation which is followed by the inflammatory phase when immune cells are activated. In the proliferative phase cell proliferation will supply the lost cells and in the remodeling phase the initial state is reconstructed. Using the state-of the art proteomics technologies in this study my aim is to study the proteomic changes characteristic to the different stages of wound healing process and to identify the key proteins having role in the impaired wound healing. Those proteins from the easy-to-collect tear fluid which can predict the wound healing complications can be used as biomarker candidates while some other proteins can be used as drug targets for further therapies. This later would be of high importance as far as the application of anti-inflammatory or antimitotic agents during the surgery in many cases are not sufficiently effective increasing the need for further therapeutic possibilities.
Final report
Results in Hungarian
A zöldhályog kezelés egyik legfontosabb formája a magas szemnyomás csökkentése. Ennek érdekében először szemcseppeket alkalmaznak, de amikor ezek hatástalannak bizonyulnak, szükségessé válik a műtéti beavatkozás. A leggyakrabban alkalmazott műtét a trabekulektómia, amely esetében viszonylag magas a komplikációk kialakulásának esélye, és ezáltal a műtét sikertelensége.
Jelen kutatás során komplex proteomikai és metabolomikai stratégiákat alkalmaztam könny és csarnokvíz vizsgálatára annak érdekében, hogy jobban megértsem a komplikációhoz vezető folyamatokat.
Először a könnyet hasonlítottam össze a csarnokvízzel. Eredményeim alapján a könny nem egyenértékű minta a csarnokvízzel, de követéses vizsgálatokra jól alkalmazható. A preoperatív könnyben sikerült három prediktív biomarekert (IL5, IFNg, GMCSF) azonosítani, amely segítségével előre jelezhető a késő komplikációk megjelenése.
Ezt követően a könny fehérje profil változások időfüggését tanulmányoztam és összehasonlítottam a szemészeti adatokkal. A késői komplikációk megjelenését előidéző legfontosabb folyamatok feltehetően a sebgyógyulás korai fázisaiban történnek, amikor a gyulladásos folyamatok dominálnak. Valószínűleg a felborult pro- és antiinflamatórikus egyensúly és a sebgyógyulásban szerepet játszó fehérjék mennyiségének és előfordulásának a megváltozása az első néhány posztoperatív nap alatt vezet a késői (1 év) komplikációk megjelenéséhez.
Results in English
The most important form of glaucoma treatment is the reduction of high intraocular pressure. Patients are first treated with eye drops but when the desired effect cannot be reached surgery is required. The gold standard surgery is trabeculectomy with relatively high complication and failure rate. In this study a complex proteomics and metabolomics strategy was applied to study the protein profile changes in the tear and aqueous humour (AH) collected from patients who underwent trabeculectomy, in order to better understand the phenomena leading to the appearance of complications.
First we compared tear to AH and observed that they are not identical from inflammatory point of view, however, tear can be used instead of AH for the follow-ups. At the same time we could identify tear IL5, IFNg and GMCSF as potential predictive biomarkers for the appearance of complications in the preoperative tear samples.
The time-course of the tear protein profiles was examined and correlated to the ophthalmological data. Based on our results, the most important events in the appearance of late complications are related to the early phases of ocular wound healing when the proinflammatory processes dominate. Most probably a shifted pro - antiinflammatory balance along with the change in the amount and abundance of proteins having role in wound healing leads to an altered wound healing starting in the first few postoperative days and finalizing with the appearance of late (1 year) complications.
Csosz E, Deak E, Kallo G, Csutak A, Tozser J: Diabetic retinopathy: Proteomic approaches to help the differential diagnosis and to understand the underlying molecular mechanisms., J PROTEOMICS 150: 351-358, 2017
Csosz E, Kallo G, Jakob B, Deak E, Csutak A, Tozser J: Quantitative body fluid proteomics in medicine - A focus on minimal invasiveness., J PROTEOMICS 153: 30-43, 2017
Kalló Gergő, Emri Miklós, Varga Zsófia, Ujhelyi Bernadett, Tőzsér József, Csutak Adrienne, Csősz Éva: Changes in the Chemical Barrier Composition of Tears in Alzheimer's Disease Reveal Potential Tear Diagnostic Biomarkers, PLOS ONE 11: (6) 1-14, 2016
Csosz E, Deak E, Kallo G, Csutak A, Tozser J: Diabetic retinopathy: Proteomic approaches to help the differential diagnosis and to understand the underlying molecular mechanisms., J PROTEOMICS -: &, 2016
Csosz E, Kallo G, Jakob B, Deak E, Csutak A, Tozser J: Quantitative body fluid proteomics in medicine - A focus on minimal invasiveness., J PROTEOMICS -: &, 2016
Éva Csősz, Eszter Deák, Gergő Kalló, Adrienne Csutak, József Tőzsér: Tear protein analysis in the different phases of wound healing following glaucoma surgery, HUPO Dublin Congress Program Book, 2017
Éva Csősz, Eszter Deák, Adrienne Csutak, József Tőzsér: Tear analysis of cytokine level changes in the different phases of wound healing following glaucoma surgery, Hungarian Molecular Life Sciences 2017, Programme and Book of Abstracts, 2017
