atomic force microscopy, single-cell force spectroscopy, blood-brain barrier, endothelium, metastasis, cell nano-dynamics
megadott besorolás
Biofizika (pl. transzport-mechanizmusok, bioenergetika, fluoreszcencia) (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biofizika
zsűri
Molekuláris és Szerkezeti Biológia, Biokémia
Kutatóhely
Biofizikai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
projekt kezdete
2015-10-01
projekt vége
2018-09-30
aktuális összeg (MFt)
18.280
FTE (kutatóév egyenérték)
2.40
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A daganatos megbetegedéseknek az életet leginkább veszélyesztető kórképei az áttétek; erre vezethető vissza az elhalálozások nagyjából 90%-a. Sajnos nem teljesen tisztázott még egyes tumorok miért képeznek áttéteket, míg mások nem. A legtöbb esetben a rákos sejtek limfogén illetve hematogén úton jutnak el távoli szövetekbe. A keringés valamint a külső szövetek közötti interfész, az endotél sejtek rétege, az első védvonal a tumor sejtek útjában. Az átjutás kulcsmozzanata a megfelelő tapadás kialakítása a keringésben sodródó tumor sejtek valamint az érfalat bélelő endotél sejtek között. Kísérleteink középpontjában ráksejtek valamint endotélsejtek közötti kölcsönhatások nanomechanikai jellemzőinek vizsgálata áll. Laboratóriumunkban a fent említett folyamatban részt vevő élő sejtek morfológiai valamint nano-mechanikai vizsgálatát végezzük atomerő mikroszkóp valamint a oldal irányú optikai mikroszkóp segítségével. Nagy felbontású három dimenziós topográfia, keménységtérképek, valamint egyedi sejt spektroszkópia teljes arzenálját felhasználjuk kísérleteink kivitelezésében. Intra- (pl. rugalmasság, viszkozitás etc.) és intercelluláris (pl. adhéziós erő, munka, membrán nanocső lefűződés és szakadás dinamikai paraméterei etc.) mechanikai paraméterek vizsgálatának széles spektrumára alapozva fontos információkhoz juthatunk a jelenség mechanikai vonatkozásainak megértéséhez, ami a további in vivo alkalmazás felé is segítséget nyújthat.
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. Daganatos megbetegedések áttéteivel szemben a központi idegrendszer fokozott rizikóval rendelkezik. Az agy számára az áttétek kialakulásában a vér-agy gát jelenti az első védvonalat, pályázatunk központi vezérfonala ennek kiemelkedő fontosságához kapcsolódik. A daganatos sejtek eme szoros rétegen való átjutásának nanomechanikai megvilágításához, a folyamat megértéséhez és leírásához a következő kérdéseket szeretnénk feltárni: 1. Milyen szerepe és jelentősége van az intra- és intercelluláris környezet fizikai paramétereinek rákos sejtek endotél réteghez való tapadásában? 2. Melyek az intercelluláris membrán nanocső mediált adhézió kulcsparaméterei, valamint ennek jellegzetességei a metasztatikus potenciál változása esetén? 3. Milyen jelentőséggel bír a sejt-geometria az intercelluláris adhézió dinamikájában – melyek a tumor sejtek által preferált átjutási helyek az endotél sejtek rétegén? Célunk felderíteni a morfológia, mechanika és a biológiai funkció közötti kapcsolatokat rákos sejtek transzendoteliális migrációjának folyamatában. Jelen projektben tervezett sikeres kísérletek eredményei nem csak új fundamentális tudáshoz vezethetnek, hanem a diagnosztika, terápia valamint gyógyszerfejlesztés hatékonyságának növeléséhez is hozzájárulhatnak.
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 modern, tudományos alapokon nyugvó orvoslás ellenére is a rosszindulatú tumorok áttétei (főleg a központi idegrendszerbe) igen rossz prognózissal és korlátozott terápiás lehetőséggel bírnak. A radioterápiát és a sebészi eltávolítást leszámítva szinte ki is merül a kezelés lehetőségeinek tárháza. Ennek fényében az áttétek kialakulásának megakadályozása, vagy akár gyakoriságának csökkentése is alternatívát jelenthet. A burjánzásnak indult daganatsejtek eredeti helyükről leggyakrabban a véráram vagy nyirokkeringés útján eljutnak a szervezet más részeibe is, ott kitapadnak, s egymástól függetlenül, de egymással párhuzamosan növekedésnek indulnak. Ebben a soklépésű folyamatban az ereket bélelő endotél sejtek rétegén (az agy esetében: vér-agy gát) való átjutás kiemelt jelentőségű. Egyedi sejt-sejt kapcsolatok nanomechanikai aspektusai szorosan összefonódnak a molekuláris szintű folyamatokkal, ennélfogva egyre hangsúlyosabb szerephez jutnak az erre irányuló kutatásokban. A teljes folyamat vizsgálatára széles körben elterjedt ko-kultúrás modellek nem szolgáltatnak információt a tapadás erősségéről valamint nano-skálájú dinamikájáról sem. Egyedi sejt-adhéziós, affinitás valamint viszkoelaszticitás mérésekkel közelebb kerülhetünk a jelenség megértéséhez, ami potenciális farmakológiai vagy terápiás lehetőségeket is magában hordoz.
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 rosszindulatú sejtburjánzások áttétei szinte kizárólagos okai a daganatos megbetegedések miatt bekövetkező elhalálozásnak. A legnagyobb kockázattal rendelkezők közé tartoznak az agyban kialakuló másodlagos daganatok: mivel a koponyacsont nem tud tágulni, már egy viszonylag kis tumor is nagy bajokat okozhat, különösen, ha valamelyik életfontosságú idegrendszeri központ közelében helyezkedik el. Mivel a gyógyszerek nehezebben jutnak el az agyba, az agyi áttétek kezelésében a kemoterápiának kisebb szerep jut. A különböző daganatok más-más szervekbe adnak gyakrabban áttéteket, melyek igen rossz prognózissal és korlátozott terápiás lehetőséggel bírnak. A sugárkezelést és a sebészi eltávolítást leszámítva szinte ki is merül a kezelés lehetőségeinek tárháza. Ennek fényében az áttétek kialakulásának megakadályozása, vagy akár gyakoriságának csökkentése is alternatívát jelenthet. Az áttétképző sejtek változtatják alakjukat és adhéziós képességeiket, ami a szervezetben való terjedést valamint az eredeti tumortól távoli kolóniák kialakítását szolgálja. Laboratóriumunkban áttétképző sejtek mechanikai tulajdonságait, valamint az áttétképzéshez szükséges érfalon való kilépés lehetséges mechanizmusait modellezzük és vizsgáljuk. Kísérleteink új megvilágításba helyezik a sejtmechanika fontosságát agyi metasztázisok kialakulásában, a diagnosztika, terápia valamint gyógyszerfejlesztés hatékonyságának növeléséhez is hozzájárulhatnak.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The most life-threatening aspect of cancer is metastasis; roughly 90% of cancer patient mortality is due to metastasis. It is still not understood why some primary tumors metastasize and thus have a worse outcome compared to others that do not metastasize. In most cases, dissemination of cancer cells relies on lymphogenous or hematogenous routes. The interface between blood flow and surrounding tissue, built by endothelial cells, is the first defense line encountered by metastatic cancer cells. The key step in this process is the establishment of firm adhesion between the blood-traveling cell and the endothelial layer. Our research is focused on nanomechanical characteristics which are essential for metastatic cancer cells to be able to migrate through the tight layer of endothelial cells. In our laboratory, we perform morphological and nano-mechanical investigation of living cells which are enrolled in the above mentioned process, with an atomic force microscope and side view optical microscope. Our investigations are based on specific nanomechanical techniques such as high resolution 3D topography, stiffness maps and the whole arsenal of single-cell force spectroscopy. The collected data during this research proposal relying on the wide spectrum of intra (stiffness, viscosity etc.) and intercellular (adhesion force, detachment work, tether formation dynamics etc.) parameters would lead to better understanding of metastasis formation, pointing towards potential pharmacological or therapeutic possibilities.
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 brain has elevated vulnerability against metastases. Most types weakly or hardly respond to conventional therapies, therefore prevention or risk reduction would be utterly desired. Endothelial cells lining the inner walls of vessels have crucial role in successful establishment in new metastatic foci. Interaction of cancer cells with endothelial cells lies at central position of our interest. • First specific aim is to clarify the role and importance of extra- and intracellular physical parameters that determine intercellular adhesion strength (maximal de-adhesion force and work of detachment). • Second specific aim is to reveal key components and to describe role of intercellular membrane tether dynamics during intercellular linkage establishment, find its hallmark related to metastatic potential. • Third specific aim is to decipher the importance of cell shape in dynamics of intercellular adhesion formation – which are the preferred sights for invading cancer cells to adhere to an endothelial monolayer. Our aim is to explore the connections among the cell morphology, cellular mechanics and biological function in the very first step of transendothelial migration of metastatic cancer cells. Real time monitoring of cell shape during cellular interaction would lead to better description and modeling of early steps in dynamic intercellular linkage formation.
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. The possibilities in modern medicine to treat metastases (especially for brain) are predominantly the surgical removal and radiotherapies. Most types weakly or hardly respond to conventional therapies, therefore prevention or incidence reduction would be of great importance. Interestingly, cancer cells of different origin exhibit different metastatic potential and organ preference, which might be connected to nanomechanical properties. Establishment of cellular adhesion to the environment is a multi-step highly orchestrated dynamic process predominantly involving cell adhesion molecules, cell membrane and the network of the cytoskeleton as well. In depth description of membrane nano-tube formation dynamics and importance in attachment of metastatic cells to endothelium is still lacking. Moreover, at what extent takes part nano-tube dynamics in intercellular linkage establishment is not entirely characterized, especially in case of metastatic –endothelial interactions. In vitro cell co-culture models dealing with the whole process have already been successfully established. However, static models involving co-culturing do not provide data on adhesion dynamics or strength. Adhesion and migration of cancer cell through the endothelium require complex molecular interactions which imply strongly related mechanical manifestations. Detailed understanding of these phenomena may give us new clues towards targeted inhibition of metastasis formation.
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. Cancers figure among the leading causes of morbidity and mortality worldwide, having metastases as the major cause of death. Among metastases, secondary brain tumors are considered to have higher risk: since the skull cannot expand, even a low size tumor can lead to sever neurological symptoms, especially if it affects vital cerebral organs. Brain metastases have very poor prognosis; the median survival time can be counted in months, rarely few years. Delivery of medications targeting the central nervous system is quite challenging, so chemotherapy has lower efficiency in treatment of brain tumors. The possibilities to treat brain metastases are mainly limited to surgical removal and radiotherapies, therefore prevention or lowering their risk would be utterly desired. In our laboratory, we investigate the mechanical properties of metastasizing cells and the mechanisms and characteristics they use in order to colonize distant organs. Broadening our knowledge on intercellular interactions, may help to develop potential pharmacological or therapeutic possibilities to prevent or lower the risk of metastasis formation.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Jelen projekt célja alapvető sejt-dinamikai folyamatok leírása illetve megértése volt, melyek fontos lépésként szerepelnek agyi metasztázisok képzése során. Klasszikus nyirokkeringés hiányában a véráram felől a központi idegrendszerbe jutáshoz az agyi ereket bélelő endotélsejtek jelentik az első védvonalat. Ezen védvonal endotélsejtjei központi szerepet töltöttek be kisérleteinkben. Mivel az agyi metasztázisokat tekintve a melanómák esetében kiemelkedő affinitás mutatható ki, ezért kisérleteinket főleg melanoma eredetű sejteken végeztük. Sikeresen térképeztük fel élő melanoma sejtek konfluens agyi endotélsejtekhez való tapadását, illetve ennek térbeli eloszlását. Továbbá kimutattuk különböző eredetű és invazivitásu melanómasejtek endotél sejtektől való de-adhéziós mintázatában az illető sejtek agresszivitását mutató nanomechanikai jellemzőket. Eredményeink alapján elmondható, hogy az élő sejtek között kialakuló nano-dinamikai mintázatok sejt-specifikus jellemzésre illetve akár biomarkerként is felhasználhatók.
kutatási eredmények (angolul)
The present project aimed to understand and describe fundamental cell-dynamics related phenomena which might be important in the process of brain metastasis formation. As the central nervous system lacks classical lymphatic drainage, the first defence line is represented by the endothelial layer of blood vessels. The endothelial cells of this defence line had a central role in our research. Regarding the number of metastatic foci in the brain the highest prevalence can be associated with melanoma derived tumour cells, hence interaction of melanoma and endothelial cells were at the central part of our experiments. We have successfully mapped and visualized the adhesion distribution of living melanoma cells to a confluent brain endothelial layer. Furthermore, we have investigated the de-adhesion pattern of melanoma cells brought into contact with the endothelium. Based on our results, it can be stated that the observed nano-dynamical pattern could be used to characterize the cell-specific interactions or even can serve as plausible biomarkers.
Molnar J, Fazakas C, Hasko J, Sipos O, Nagy K, Nyul-Toth A, Farkas AE, Vegh AG, Varo G, Galajda P, Krizbai IA, Wilhelm I: Transmigration characteristics of breast cancer and melanoma cells through the brain endothelium: role of Rac and PI3K., CELL ADHES MIGR &: in-press, 2016
Varga Béla, Fazakas Csilla, Wilhelm Imola, Krizbai A. István, Szegletes Zsolt, Váró György, Végh Attila G.: Elasto-mechanical properties of living cells, Biochemistry and Biophysics Reports, 2016
Béla Varga, Réka Anita Domokos, Csilla Fazakas, Imola Wilhelm, István A. Krizbai, Zsolt Szegletes, Csilla Gergely, György Váró and Attila G. Végh: De-adhesion dynamics of melanoma cells from brain endothelial layer, BBA GENERAL SUBJECTS (accepted, in press.), 2017
