Mesterséges funkcionális 3D humán tímusz korai optimalizációja
Title in English
Initial optimisation of artificial functional 3D human thymus
Keywords in Hungarian
tímusz, 3D, mesterséges
Keywords in English
thymus, 3D, human
Discipline
Clinical pharmacology, gene therapy, cell therapy, regenerative medicine (Council of Medical and Biological Sciences)
60 %
Clinical pharmacology, gene therapy, cell therapy, regenerative medicine (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Immunology (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Immunology
Panel
European Reserach Council (ERC)
Department or equivalent
Gyógyszerészi Biotechnológia Intézet (University of Pécs)
Starting date
2017-06-01
Closing date
2017-09-30
Funding (in million HUF)
2.950
FTE (full time equivalent)
0.33
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 tímusz öregedése változó sebességgel, következik be. A tímusz öregedése csökkenti a naív T-sejt termelést, melynek eredménye a fokozott hajlam fertőzések, daganatok, autoimmun betegségek kialakulására. Környezeti tényezők gyorsíthatják az öregedést. A kronológiai korhoz képest a tímusz biológiai kora lehet előrehaladott, ha annak öregedése gyorsult ütemben zajlik egyes vegyületek, hormonok, fertőzések hatására. Hosszú távú célunk olyan komplex protokoll optimalizálása, melynek eredményeként funkcionális, személyre szabott tímusz szövetet állítható elő. Ez értékes eszközt biztosít immunológiai kutatásokhoz és a tímusz csökkent funkciójának pótlására, lehetőséget teremtve a fenti betegségek megelőzésére. Eddigi eredményeink egér sejtekkel bíztatók. Az ERC mobility grant támogatásával megkezdem a rendszer adaptálását emberi sejtek felhasználására egy ERC által támogatott kutatócsoport tapasztalatát felhasználva.
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. Előzetes egér eredményeink alapján lehetséges funkcionális tímusz szövet mesterséges létrehozása. Ennek kialakítása során azonban több ponton eltértünk a pályázat végcéljától, sokkal egyszerűbb pilot kísérletet végeztünk. Példaként: az alkalmazott 3D vázszerkezet anyaga nem bomlik le biológiai úton, a tímusz epitélt egy sejtvonal szolgáltatta primer sejtek helyett, újszülött timocitákat alkalmaztunk perifériás-vér eredetű progenitor (CD34+ HSC) helyett. Kutatásunk fő kérdése, hogy optimalizálás révén elérhető-e kitűzött végcélunk: emberi perifériás vér eredetű, funkcionális személyre szabott tímusz mesterséges létrehozása. Ennek kialakításához több lépcsőben tervezzük az optimalizálást, melyek kezdeti lépéseit tervezem elvégezni az ERC mobility grant által támogatott külföldi tanulmányút során.
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 tímusz öregedése korán kezdődik, pubertáskori hormonális hatások felgyorsítják, üteme egyéni. Ha a tímusz öregedése gyorsult ütemű, biológiai kora megelőzi a kronológiai kort. Hosszú távú célunk olyan mesterségesen, személyre szabott 3D tímusz szövet létrehozása, mely alkalmas mind orvosbiológiai kutatási felhasználásra, mind autológ visszaültetésre az immunrendszer támogatása céljával. Ennek jelentősége mindkét esetben kiemelkedő, autológ felhasználás esetén hozzájárulhat az időskori fertőzéses, daganatos és autoimmun betegségek incidenciájának csökkentéséhez. Ennek jelentős társadalmi és gazdasági hozadéka lehet, növelheti az egészségtartamot, kitolhatja az aktív kort. Az egyén szintjén jelentősen növelheti az időskori életminőséget. Kísérleti egérben leírtak ektópiás rendszerben történő T-sejt érést. Azonban nem kivitelezhető az egérben alkalmazott módszer emberi felhasználása, emberi léptékben nem reprodukálható. Emberben nem ismert hasonló rendszer. Fokozatosan szeretném létrehozni a rendszer emberi megfelelőjét, melynek kezdeti lépéseit az ERC által támogatott csoport közreműködésével tervezem.
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 csecsemőmirigy (tímusz) az immunrendszer egy központi szövete. A tímuszban történik egy fehérvérsejt alcsoport (T-sejtek) érése. A T-sejtek fontosak fertőző és daganatos betegségek leküzdésében. A tímusz hiányos működése növeli ezek esélyét, míg hibás működése az autoimmun betegségek gyakoriságát növeli. A tímusz öregedése mindhárom betegségcsoport előfordulását megnöveli. Ha a tímusz öregedése az átlagosnál gyorsabb, biológiai kora megelőzi az életkort. A tímusz öregedésének kutatása fontos feladat, idő előtti elöregedése esetén az immunrendszer támogatása lehet szükséges. Hosszú távú célunk olyan mesterségesen létrehozott tímusz létrehozása, mely alkalmas mind kutatásra, mind orvosi felhasználásra az immunrendszer támogatása céljával. Ennek jelentősége kiemelkedő, hozzájárulhat az időskori fertőzéses, daganatos és autoimmun betegségek gyakoriságának csökkentéséhez. A kezdeti optimalizációs lépések kidolgozását egy ERC által támogatott csoport bevonásával tervezem.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Thymic aging occurs in every person, although at different pace. Thymic aging significantly decreases the production of naive T-cells, resulting in increased incidence of infections, cancer and autoimmune diseases. Some external factors may increase thymic aging. Thymic biological age may be more advanced than chronological age due to certain chemicals (copper-chelators), hormones (androgens), infections (viruses, fungi, protozoa). Our long-term goal is to optimize a protocol that allows for the establishment of functional, personalized thymus, starting from peripheral blood. This would provide a valuable tool for immunological research, and also to compensate lacking thymic function, preventing the above diseases. Our preliminary results using murine cells are promising. I plan to begin adaptation for using human cells with support of the ERC mobility grant based on expertise to gained from an ERC-funded research group.
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. Based on our preliminary mouse results it is feasible to establish functional artificial thymus tissue. However, preliminary experiments were simplified at several points compared to our final goal: the pilot experiment was a lot easier. For example: the utilized 3D scaffold was not absorbable, thymic epithelium was provided by cell-line instead of primary cells, newborn thymocytes were used instead of peripheral progenitor cells (CD34+ HSCs). Our main research question is whether the final goal is achievable through optimization: to establish functional artificial personalized thymus tissue from peripheral blood. For achieving this, multi-step optimization is planned, for which initial optimisation will start during the study trip funded by ERC mobility grant.
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. Thymic aging starts early, accelerates with puberty due to hormones, and continues with individual pace. Thymic aging may be accelerated by certain chemicals, sex-hormones, infectious agents. These significantly decrease fresh naive T-cell production resulting in increased incidence of infections, cancer and autoimmune disorders. Our long-term goal is to establish functional artificial personalized 3D thymus tissue suitable for both immunology research and autologous reimplantation to support the immune system. Both have outstanding significance, autologous reimplantation may decrease senior infections, cancer and autoimmune disorders. These latter have promise social and economic profit, increase health-span, expand active age. Individual senior quality of life may also be significantly ameliorated. Ectopic T-cell aging has been described in experimental mouse. However, the method is not applicable for the human setting since it cannot be reproduced in human dimensions. There is no such system known to work in human. I plan to establish the human equivalent of the system gradually, initial steps of the optimisation require aid from the ERC-funded collaborator.
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. The thymus is a central immune tissue. A certain white blood cells (T-cells) mature in the thymus. T-cells have pivotal role in fighting infectious and malignant diseases. If thymus function is lacking it increases their incidence, while thymus malfunction can lead to the development of autoimmune disorders. Thymic aging increases the chances of all three diseases. Thymic aging begins early, accelerates in puberty and continues at individual pace. If thymic aging is faster than average, its biological age may be more than the chronological age. Certain chemicals, sex-steroids and infectious diseases accelerate thymic aging. Research devoted to thymic aging is an important task, as premature thymic aging may necessitate immune support. Our long-term goal is to provide blood-borne artificial thymus tissue as a valuable tool for immunological research, and to compensate lacking thymic function. Initial steps are planned with the involvement of an ERC-funded research group.
Final report
Results in Hungarian
Az ERC mobility pályázat 3 hónapra biztosított támogatást. Ezen időszakban egy külföldi ERC által támogatott laboratóriumban dolgoztam. A rövid futamidő és az idegen környezet ellenére sikerült elvégezni a tervezett kísérleteket. Ezek során továbbfejlesztettem korábbi egér rendszerünket, hogy hatékonyan használhassuk emberi sejtekkel:
- A korábban használt egér tímusz epitél sejtvonal (TEP1) helyett emberi timoma (1889c) sejteket használtunk, jól karakterizált forrásból (DSMZ, Németország).
- Az 1889c sejteket adaptáltuk T-sejt differenciációra optimalizált szérummentes médiumhoz (humán T-sejt expanziós médium, Sigma/Merck).
- Speciális protokoll révén az 1889c sejtek hatékonyan tenyészthetők biológiai úton lebomló 3D PCL vázon (RPMI előtenyésztés után humán T-sejt expanziós médium).
- A 24-well 2D PS lemezek poly-HEMA előkezelése az 1889c sejteket szelektíven a 3D PCL vázon történő letapadásra kényszeríti a 2D PS lemez helyett.
- A kapott sejtszámok és gén-expressziós eredmények igazolják a humán tímusz epitél sejtek (1889c) fokozott osztódás mellett is megtartott identitását.
- A tímusz-eredetű Wnt4-tartalmú exoszómákat sikerült megfesteni, megjeleníteni, dúsítani, tesztelni. A vártnak megfelelően hatékonyan csökkentik a PPARgamma expressziót és segíthetik a tímusz epitél identitásának fenntartását.
A fenti tudományos eredményeken túl fontos ERC soft skill készségeket is szereztem ERC career talk és ERC interview training szemináriumi részvétellel.
Results in English
ERC mobility grant provided support for 3 months. During this I have performed experiments in a foreign ERC-funded laboratory. Short duration and unfamiliar lab context usually limit realistic expectations, yet I have managed to perform the planned experiments. With these I have geared up our preliminary murine system to efficiently be used with human cells:
- Instead of the previously used murine thymic epithelial cell line (TEP1) we have switched to human thymoma cells (1889c) of characterized origin (DSMZ, Germany).
- 1889c cells have been adapted to grow in serum-free medium optimized for T-cell differentiation (human T-cell expansion medium, Sigma/Merck).
- A protocol was developed so that 1889c cells can efficiently grow over biodegradable 3D PCL scaffold (seeding with RPMI is followed by culture in human T-cell expansion medium).
- Additional poly-HEMA pretreatment of 24-well 2D PS plate forced 1889c to preferentially grow on 3D PCL scaffold instead of 2D PS plate.
- Cell count figures and gene expression data confirm superior human thymic epithelial cell (1889c) growth and identity using the above conditions.
- Thymic Wnt4-harboring exosomes have been stained, visualized, enriched and tested. As expected they efficiently counteract PPARgamma expression and will help enhance thymic epithelial identity.
Besides the above scientific achievements, ERC soft skills have also been acquired by participating ERC career talk seminars and ERC interview trainings.
