 |
Új típusú 3D sejtmodellek létrehozására alkalmas hibrid hidrogélek előállítása és vizsgálata
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
131794 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Enyedi Kata Nóra |
| magyar cím |
Új típusú 3D sejtmodellek létrehozására alkalmas hibrid hidrogélek előállítása és vizsgálata |
| Angol cím |
Development and analysis of hybrid hydrogels for a new type of 3D in vitro model |
| magyar kulcsszavak |
3D in vitro rendszer, hibrid hidrogél, peptid amfifil |
| angol kulcsszavak |
3D in vitro system, hybrid hydrogel, peptide amphiphile |
| megadott besorolás |
| A kémia biológiai alkalmazásai (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 50 % | | Szerves-, biomolekuláris- és gyógyszerkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 50 % | | Ortelius tudományág: Intelligens anyagok |
|
| zsűri |
Kémia 2 |
| Kutatóhely |
HUN-REN-ELTE Peptidkémiai Kutatócsoport (Eötvös Loránd Tudományegyetem) |
| projekt kezdete |
2019-12-01 |
| projekt vége |
2023-08-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
25.358 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
3.00 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A rákos megbetegedések okozta halálozások száma a második helyen áll világszerte, így rendkívül fontos új, hatékonyabb tumorellenes hatású gyógyszerek felfedezése. Számos ígéretes hatóanyag azonban még a klinikai vizsgálatok előtt elbukik, amelynek okát gyakran a téves preklinikai modellekben kell keresnünk.
A biológiailag aktív molekulákat a preklinikai vizsgálatok első lépéseként 2D in vitro sejttenyészeteken tesztelik. Ezek a rendszerek azonban nem képesek visszaadni az emberi test valódi komplexitását, a tumor mikrokörnyezetéből és többrétegű felépítéséből fakadó hatásokat. Erre a problémára nyújthatnak megoldást az un. 3D sejtmodellek, melyekben az extracelluláris mátrix struktúráját utánzó közegbe vannak a sejtek beágyazódva.
Munkám célja olyan 3D in vitro rendszer kialakítása, amely komplexebb képet ad és nagyobb valószínűséggel képes megjósolni tumorellenes hatóanyagok in vivo hatását a jelenleg elterjedt 2D in vitro vizsgálatokhoz képest. A modellem alapját a vizes közegbenszol-gél módszerrel kialakítható sziloxán-PEG hidrogél adja, mely ideális magas víztartalma, inertsége és fizikai jellemzőinek szabályozhatósága miatt. A projekt egyik célja a tumorsejtek számára megfelelő mechanikájú térhálók kialakítása, különböző hosszúságú PEG láncok beépítésével. Az in vivo körülmények jobb mimikálásának céljából peptid-amfifilekkel szálas szerkezetet fogok kialakítani a sziloxán-PEG hidrogélekben. Ezeket különböző sejtadhéziós peptid szekvenciákkal is módosítom, így alakítva ki biológiailag aktív közeget. Az optimalizált hibrid hidrogélek hatékonyságát ismert tumorellenes hatóanyagok alkalmazásával kívánom vizsgálni és összehasonlítani annak in vivo aktivitásával.
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 kutatás során olyan 3D in vitro rendszer kialakítása a cél, amely komplexebb képet ad a sejtes folyamatokról, így a jelenleg elterjedt 2D in vitro vizsgálatokhoz képest nagyobb valószínűséggel képes megjósolni tumorellenes hatóanyagok in vivo hatását. Ennek feltétele, hogy a választott sziloxán-PEG-peptid-amfifil hibrid hidrogél megfelelő optimálását követően mechanikai és biológiai szempontból is ideális közeget tudjon nyújtani különböző típusú tumorsejtek számára. Ezért az alábbi kérdésekre keresem a választ:
1. A hidrogél fizikai tulajdonságait a térhálós sziloxán-PEG rendszer határozza meg. Különböző molekulatömegű PEG láncok alkalmazása milyen irányba befolyásolja ezt? Milyen strukturális változások következnek be és ezeknek mi a sejtekre gyakorolt hatása? Ha sejtek által degradálható peptid-szekvenciákat építünk be a térhálóba milyen kihatása lesz a mechanikai és in vitro jellemzőkre?
2. Az in vivo körülményeknek megfelelően oldhatatlan, szálas szerkezeteket kell kialakítani az inert sziloxán-PEG rendszerben. Ezt irodalmi előzmények alapján kiválasztott peptid-amfifilek (PA) segítségével tervezem megvalósítani, amelyeket a későbbiekben sejtadhéziós peptid szekvenciákkal tervezem módosítani. Azonban felmerül a kérdés, hogy a PA-k alkalmazása okoz-e strukturális változásokat a hidrogélekben? Jelenlétük a rendszerben biológiai szempontból valóban valósághűbb visszajelzést eredményez? Ha igen, milyen sejtadhéziós peptideket és milyen mennyiségben kell alkalmazni?
3. Egy tumorsejt vonalra optimalizált hibrid hidrogél(ek) valóban jobban előrevetítik adott hatóanyag in vivo hatását, mint a 2D in vitro rendszerek? Pontosan milyen különbségeket tapasztalunk?
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!
Az rákos megbetegedések napjainkban a vezető halálokok egyikévé léptek elő világszerte. A hagyományos kezelési módszerek bővítése, új tumorellenes molekulák felfedezése ezért nagy fontossággal bír. Számos ígéretes hatóanyag azonban még a klinikai vizsgálatok előtt elbukik, amelynek okát gyakran a téves preklinikai modellekben kell keresnünk. A preklinikai vizsgálatok során elsőként a hatóanyagokat 2D in vitro tumor modelleken tesztelik. Ezek költséghatékonyak és könnyen kezelhetőek, ugyanakkor nem képesek visszaadni az emberi test valódi komplexitását, nem mindig képesek előre jelezni a hatóanyagok sikerességét in vivo körülmények között.
Erre nyújthatnak megoldást a 3D in vitro rendszerek, melyekben a sejtek az extracelluláris mátrix struktúráját utánzó közegbe ágyazódnak be. Ilyen modellek a PEG elemekből felépülő hidrogélek is. Jellemző problémájuk azonban, hogy a térháló kialakításához bonyolult funkcionalizálásra van szükség, speciális eszközöket igényelhetnek, illetve maguk a polimerizációs folyamatok sem teljesen biokompatibilisek. Ezekre a problémákra kínálnak megoldást az alkoxiszilán-PEG alapú hidrogélek, amelyek szelektív és teljesen biokompatibilis szol-gél folyamat során, vizes közegben képesek a térháló kialakítására. A rendszer további előnye az építőelemek egyszerű előállíthatósága, így tetszőleges makromolekulák (pl. peptidek) is beépíthetők. Az így kialakított rendszer előnye tehát -az irodalmban és forgalomban használt hidrogélekkel szemben- a könnyű előállíthatóság, a reprodukálhatóság, az alkotó elemek pontos minőségi és mennyiségi ismerete, illetve mind mechanikai mind pedig biológiai tulajdonságainak igény szerint variálhatósága. Így a hidrogélek optimalizálást követően adott tumorsejt típusnak megfelelő struktúrájú és makromolekulákat tartalmazó 3D in vitro rendszerek nyerhetőek, amelyek valósághűbb képet adhatnak a sejtes folyamatokról és nagyobb valószínűséggel képesek megjósolni tumorellenes hatóanyagok in vivo hatását a jelenleg elterjedt vizsgálatokhoz képest. Ezzel pedig elősegítheti új tumorellenes szerek felfedezését hatásmechanizmusuk pontosabb megismerését.
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 daganatos megbetegedések a második helyen állnak a halálozási okok között világszerte ezért kezelésük az egészségügy egyik legfontosabb kérdésévé vált. Gyógyításuk egyik legfontosabb módszere a kemoterápia amelynek eszköztára korlátozott, így kiemelten fontos új hatóanyagok felfedezése. Ugyanakkor az ígéretes hatóanyagjelöltek nagy része még a klinikai vizsgálatok előtt elbukik, amelynek okát gyakran a téves preklinikai modellekben kell keresnünk. A jelenlegi preklinikai tesztek során a tumorsejtek sík műanyag vagy üveg felületeken nőnek, ezért nem tudják visszaadni az emberi test valódi komplexitását. Erre nyújthatnak megoldást az ún. 3D sejtrendszerek, melyekben a tumorsejteket a valós szövetek struktúráját utánzó közegben helyezik el, ezzel sokkal komplexebb és valósághűbb modellt alakítva ki.
Ilyen mesterséges közegek a vízoldékony makromolekulákból (PEG) felépülő hidrogélek, azonban kialakításuk jelenleg még számos problémával jár (pl. bonyolult reakciók, nem biokompatibilis folyamatok). A kutatásom célja ezért egy olyan rendszer létrehozása, amelynek az építőelemei (alkoxiszilán-PEG molekulák) könnyen előállíthatóak és egy teljesen biokompatibilis folyamat során alakítják ki a hidrogélt, vizes közegben. További előnye ennek a hidrogél családnak, hogy tetszőleges elemek (pl. peptidek, makromolekulák) is könnyen beépíthetőek a rendszerbe, így különböző típusú sejtek számára is ideális közeget alakíthatunk ki. Így ezek a típusú hidrogélek, fizikai és biológiai jellemzőinek feltérképezését és optimálását követően, alkalmassá válhatnak arra, hogy valósághűbben mutassák meg hatóanyagok szervezetbeni hatását, így pedig elősegíthetik új tumorellenes szerek felfedezését.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Cancer is the second most common cause of death in the world, therefore it is important to develop new, more effective anti-tumor agents. However, many promising drugs still fail before clinical trials, often due to false pre-clinical models.
Biologically active molecules are first tested in 2D in vitro cell cultures as a first step in preclinical studies. Nevertheless, these systems are unable to reproduce the true complexity of the human body, the environmental effects and the multi-layered structure of the tumor. The so-called 3D cell models, in which cells are embedded in the medium that imitates the structure of the extracellular matrix, may offer a solution for this problem.
The aim of my work is to develop a 3D in vitro system that provides a more complex picture and is more likely to predict the in vivo effect of anti-tumor drugs compared to the current 2D in vitro tests. My model is based on siloxane-PEG hydrogel, which can be formed simply via sol-gel method in aqueous medium, furthermore is ideal because of its high water content, inertness and easy controllability of its physical properties. One of the aims of the project is to form hydrogels with suitable flexibility for tumor cells by incorporating PEG chains of different lengths. In order to better mimic in vivo conditions, fibrous structure will be formed in the siloxane-PEG hydrogels with peptide amphiphiles. The peptide amphiphiles will be also modified by various cell adhesion peptide sequences to acquire a biologically active medium. The efficacy of the optimized hybrid hydrogels will be tested by using a known anti-tumor agents and comparing the results with their in vivo activity.
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 aim of this study is to develop a 3D in vitro system that may provide a more complex picture of cellular processes and is more likely to predict the in vivo effect of anti-tumour agents than the current 2D in vitro studies. The criteria for this is that the chosen siloxane-PEG-peptide-amphiphilic hybrid hydrogel, after optimization, should provide both mechanically and biologically an ideal medium for various types of tumour cells. Therefore, through the research, the following questions should be answered:
1. The hydrogel’s physical properties are determined by the cross-linked siloxane-PEG system. How does the use of PEG chains with different molecular weights influence this? What structural changes occur and how do they affect the cells? If we incorporate cell-degradable peptide sequences into the network, how will it affect the mechanical and in vitro characteristics?
2. To better mimic the in vivo environment, insoluble fiber structures should be incorporated into the inert siloxane-PEG system. I plan to do this by using peptide amphiphiles (PA), selected from literature, which I intend to modify with small cell adhesion peptide sequences. However, the question arises whether the use of PAs causes structural changes in the hydrogels? Does their presence in the hydrogel system result in a more realistic feedback from a biological point of view? If yes, what kind of cell adhesion peptides and in which ratio should be used?
3. Do hybrid hydrogel(s) optimized for a tumor cell line actually better predicting the in vivo effect of a given drug, compared to 2D in vitro systems? What exact differences can be experienced?
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.
Cancer has become one of the leading causes of death worldwide. Therefore, it is important to extend the scope of traditional treatments and discover new drugs with anti-tumour activity. However, many promising drugs fail before clinical trials, often due to false preclinical models. Biologically active molecules, as a first step in preclinical studies, are tested on so called 2D in vitro cell cultures. The advantage of these systems are that they are cost-effective and easy to handle, but they are not able to mimic the real complexity of the human body and they cannot always predict the in vivo success of drugs.
The solution for this problem can be the 3D in vitro systems, in which cells are embedded in a medium that mimics the structure of the extracellular matrix. Hydrogels that contain PEG molecules, are such systems. Nevertheless, the typical problems of these are the usually complex functionalization or special tool requirement and the not completely biocompatible polymerization processes. The usage of alkoxysilane-PEG based hydrogels can be a solution as they are capable of forming a cross-linked network in an aqueous medium during a selective and fully biocompatible sol-gel process. Another advantage of these hydrogels is the simple way of building block production, so a wide variety of macromolecules (e.g. peptides) can be incorporated. Thus, the advantages of these systems – compared to other hydrogels known from the literature or commercially available ones – are the easy producibility, reproducibility, precise qualitative and quantitative knowledge of the incorporated elements, as well as the variability of both mechanical and biological properties. Hence, after optimization, suitable hydrogels for a given tumor cell type can be obtained, which may present a more realistic picture of cellular processes and are more likely to predict the in vivo effect of antitumor agents compared to current 2D in vitro studies. Therefore, these hydrogels may help the discovery of new antitumor agents and give a better understanding about their cellular mechanism.
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.
Cancer has become one of the leading causes of death worldwide, therefore their treatment has become one of the most serious issues in health care. Chemotherapy is one of the most important treatment methods, but the scope of its tools are limited, hence it is particularly important to discover new anti-tumour agents. However, many promising drug candidates fail before clinical trials, often due to false preclinical models. In current preclinical tests, tumor cells grow on flat plastic or glass surfaces, thus they cannot mimic the real complexity of the human body.
The solution for this can be the so-called 3D cell systems in which tumour cells are embedded in a medium that mimics the structure of real tissues, hence creating a more complex and realistic model. Such artificial systems are hydrogels formed from highly water soluble macromolecules (PEG), however their production still has many problems (e.g. complicated reactions, non-biocompatible processes). The purpose of my research, therefore is to create a system whose building blocks (alkoxysilane-PEG molecules) can be easily produced and form hydrogels in aqueous medium through a completely biocompatible process. Another advantage of this hydrogel family is that any elements (e.g. peptides, macromolecules) can be easily incorporated into the system, thus an ideal medium for different cell types can be created. Therefore, these hydrogels after the optimization of their physical and biological characteristics may become capable to show the effects of drugs in a more realistic way and advance the discovery of new anti-tumour agents.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
