Characterization of immune complex effects by biosensors on antigen microarrays  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109683
Type K
Principal investigator Prechl, József
Title in Hungarian Immunkomplexek hatásainak jellemzése bioszenzorokkal, fehérje mikromátrixokon
Title in English Characterization of immune complex effects by biosensors on antigen microarrays
Keywords in Hungarian immunkomplex, sejt, mikromátrix, antigén
Keywords in English immune complex, cell, microarray, antigen
Discipline
Immunology (Council of Medical and Biological Sciences)80 %
Ortelius classification: Immunology
Medical engineering and technology (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Biological basis of immunity related disorders (e.g. autoimmunity) (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Panel Immunity, Cancer and Microbiology
Department or equivalent Immunology Research Group of the Hungarian Academy of Sciences at Eötvös Loránd University (Office for Research Groups Attached to Universities and Other Institutions of the Hungarian Academy of Sciences)
Participants Bajtay, Zsuzsa
Herbáth, Melinda
Papp, Krisztián
Sándor, Noémi
Szittner, Zoltán
Starting date 2013-09-01
Closing date 2017-08-31
Funding (in million HUF) 40.300
FTE (full time equivalent) 6.80
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Az ellenanyagok antigénfelismerését követően immunkomplexek képződnek. Az antigén és az immunválasz természetétől függően különböző plazmaösszetevők is beépülhetnek a komplexbe. Ezek a kötődési és biokémiai események immunológiai effektor funkciókat indítanak el. Az antigénfelismerés így egy azonnali választ alakíthat ki, amely védő hatású ha behatoló mikrobák ellen irányul, azonban károsító hatású ha saját szöveteink ellen irányul.
Célunk alaposan jellemzett összetételű immunkomplexeket tartalmazó mátrixok kialakítása, majd ezeken a mátrixokon mieloid sejtek válaszainak tesztelése. Egyedülálló és alapos ismereteink vannak az antigén mikromátrixok létrehozásában, s azon az ellenanyag- és a komplementkötődés követésében. Ez a kutatás referencia antigén mikromátrixok kialakítására, sejtes szenzorok kifejlesztésére, valamint a mátrixokon kialakuló immunkomplexek sejtekre kifejtett hatásainak elemzésére irányul.
Ezek a vizsgálatok részletesebb képet adnak az immunkomplexek sejtes hatásairól, az Fc és C receptorok interakcióinak feltérképezését téve lehetővé. Ezen felül a technológia lehetőséget teremt az immunkomplex betegségek modellezésére, valamint bioszenzor-alapú diagnosztikai mérések alapjait fekteti le.

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.

Az immunrendszer sejtjeinek számos, az immunkomplexek felismerésére alkalmas receptora van. Ezek közül elsődleges opszonin szerepe az Fc és C receptoroknak van, mások moduláló hatásúak. Az immunglobulinok szerkezeti változáson esnek át antigénkötést követően, míg a komplementkomponensek proteolítikus hasításoknak vannak kitéve; mindezen változások ligandumok kialakulásához vezetnek az IgG Fc és C receptorkat tekintve (FcgRI, FcgRII, FcgRIII, CR1, CR2, CR3, CR4, CRIg). Bár ezeket a receptorokat egyenként jellemezték ligandumkötés és következményeinek szempontjából, kombinált hatásaik nem egyszerűen az egyedi hatások összegei, összetett méréseket pedig nehéz precízen kontrollálni. Multiplex mérési módszereket és fehérje mátrixokat alkalmazva azonban olyan összetett kísérletek tervezhetőek, amelyek rendelkeznek megfelelő mérési kontrollokkal.
Hipotéziseink:
- Megfelelő antigéneket és szérummintákat választva, optimalizálva a reakció körülményeit olyan mátrixokat tudunk tervezni, melyek meghatározott ellenanyagokat és komplementfehérjéket tartalmaznak.
- biokémiailag vagy genetikailag módosított monocitoid sejtvonalat használva követni tudjuk a sejtadhéziós és sejtaktivációs eseményeket mikromátrixokon, sejtszenzorokat hozva létre a mártixon kialakult reakciók leolvasására
- perifériás vérből izolált mieloid sejteket felhasználva meg tudjuk erősíteni a sejvonallal végzett megfigyeléseket
- megismerve az immunkomplexek sejtaktivációra kifejtett hatásait, az ellenanyagok reaktivitását sejtes szenzorok segítségével is jellemezni tudjuk mikromátrixokon

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 neutralizáció mellett az ellenanyagok alapvetően két mechanizmus révén nyújtanak védelmet: a komplementrendszer aktivációja által és sejtes válaszreakciók elindítása révén. A fehérje mikromátrixok egy olyan új technológiát jelentenek, melyek egyedülálló összetettségű vizsgálatokra alkalmasak. Ezen belül az antigén mikromátrixok az ellenanyagok kötődésének jellemzésére alkalmasak: monoklonális, poliklonális vagy teljes szérum ellenanyagok célpontjainak azonosítására.
Korábban bizonyítottuk, hogy az ellenanyagok kötődése mellett a komplementaktiváció folyamata is követhető antigén mikromátrixokon. Jelen pályázatunkban, előkísérletek eredményire alapozva, azt vetjük fel, hogy az ellenanyagok és komplement által kiváltott sejtes válaszok is követhetőek mikroarray formátumban. Az ellenanyagok kötődésének, a kialakuló komplementaktivációnak és a sejtadhézió és –aktiváció folyamatainak egyesítésével az immunkomplexreceptorok kölcsönhatásainak adatbázisa lenne kialakítható. Referencia antigén mátrixok és szenzorsejtek létrehozásával lehetővé válna a protektív vagy káros ellenanyagválasz összetett jellemzése. Ilyen chipeken betegek szérumát és saját sejtjeit felhasználva modellezni lehetne a szervezetben zajló reakciókat. Arra számítunk, hogy e rendszerrel betegség vagy gyógyszeres beavatkozás során követhető lenne a fagociták működése, reakciói.
A kutatások több szempontból is befolyással lehetnek a szerológiai tesztekre. A sejtes szenzorok másodlagos reagenseket váltanak ki, így elkerülhető lenne az állatok immunizálása. Az egyed saját sejtjeinek felhasználásával a hordozott receptorok genetikai változata határozná meg a választ, teljesen személyra szabott diagnosztikai értékeket adva. Terápiás ellenanyagok célpontjainak megjelenítésével a mátrixokon terápiás hatásokat lehetne követni a beteg szérumának és sejtjeinek felhasználásával, megnyitva az utat a teranosztika irányába. Végezetül, a jelölésmentes technikák fejlődésével olyan point-of-care (POC) diagnosztikai chipek kialakulását is lehetségesnek látjuk, amelyek az itt felvázolt bioszenzor antigén mikromátrixokon alapulnak.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Szervezetünk kórokozókkal szembeni immunológiai védelmében az ellenanyagok kiemelt jelentőségűek. E molekulák jellemzője, hogy felismerik a kórokozókat és hozzájuk kapcsolódva válaszreakciókat indítanak el. A válaszreakció során vérünkből más fehérjék is odakötődhetnek a kórokozó és az ellenanyagok által kialakított köteghez, kialakítva az úgynevezett immunkomplexeket. Ezeknek felismerésében, feldolgozásában és eltakarításában az erre szakosodott sejtek vesznek részt.
Célkitűzésünk olyan fehérje lapkák kialakítása, melyeken nagyon pontosan tervezett összetételű immunkomplexek alakíthatóak ki, illetve egy sejteken alapuló, immunológiai válaszkészséget mérő módszer kidolgozása. Munkacsoportunk egyedülálló tapasztalattal rendelkezik az immunológiai reakciók lapkákon (chip-eken) való követésében. Jelen pályázat segítségével referenciaként használható lapkákat fejlesztenénk ki, valamint olyan sejteket (bioszenzorokat) és sejtes méréseket, amelyekkel az ellenanyagokon alapuló immunológiai válaszreakciókat még pontosabban, részletgazdagabban tudnánk jellemezni.
A kutatások, azáltal, hogy pontosabb képet festenének az immunkomplexek és az azokat felismerő sejtek kapcsolatairól és annak következményeiről, betegségek modellezését is lehetővé tennék. A vizsgálatok biológiai érzékelőkön alapuló diagnosztikai vizsgálatok alapjait is megteremtenék.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Immune complexes form upon antigen-antibody binding. Depending on the nature of the antigen and the immune response involved, various other plasma components may become incorporated into the complex. These binding and biochemical events trigger immune effector functions. Thus, antigen recognition can elicit an immediate response, which response is protective when aimed against invading pathogens but destructive when it targets self tissue components.
Our aim is to develop arrays of immune complexes with well characterized composition and to test the effects of these complexes on various myeloid cells. We have extensive and unique experience in the generation of antigen microarrays and the monitoring immunoglobulin binding and complement activation events on such arrays. This project will focus on the development of reference antigen arrays, the development of cellular probes for these arrays and the monitoring of cellular events upon interactions between surface-bound immune complexes and various cells with immune complex receptors.
These studies are expected to provide a more detailed view on the effects of immune complexes on cells, a map of the interactions between various Fc and C receptors on the level of cellular functions. Additionally, by understanding these interactions we will be able to model disease pathology of immune complex mediated diseases and lay the foundations for biosensor diagnostics.

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.

Immune cells are equipped with a number of receptors that recognize immune complexes. Of these immunoglobulin Fc receptors and complement receptors are the main opsonin receptors, others playing a modulatory role. Immunoglobulins undergo structural changes upon antigen binding, while complement components may also suffer proteolitic cleavage following activation, all these events leading to the generation of ligands for IgG Fc and C receptors: FcgRI, FcgRII, FcgRIII, CR1, CR2, CR3, CR4, CRIg. While these receptors have been characterized individually with respect to ligand binding, signal transduction, cytoskeletal associations and gene expression regulatory properties, the combined effects of these receptors cannot be deduced from individual measurements and complex stimulation experiments are difficult to control. Using multiplex detection technology together with protein arraying, one can design complex experiments with the inclusion of all the necessary controls.
We hypothesize that
- by selecting the appropriate antigens and serum samples, and by fine tuning reaction conditions we can devise arrays with controllable immunoglobulin and complement binding,
- using genetically and/or biochemically modified monocytoid cell lines, cell adhesion and activation events can be monitored, providing a cell-based output system for the above arrays,
- myeloid cells from peripheral blood can be used as a physiologically relevant cell type for confirming findings with the cell lines,
- having defined cell activation as a function of immune complex content, antibody reactivity in serum samples can be compared using cellular probes.

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.

Apart from neutralization, antibodies afford protection by two general mechanisms: activation of the complement system and triggering of cellular functions. Protein microarrays provide a novel platform for characterizing protein interactions in unprecedented complexity. Antigen microarrays, in particular, serve the characterization of antibody binding: identification of targets of monoclonal antibodies, polyclonal antibodies or serum samples.
We have shown that in addition to antibody binding complement activation can also be monitored on antigen microarrays. Here, based on successful pilot experiments, we propose that it is also possible to follow cellular responses in a microarray platform. By combining data on immunoglobulin binding, complement deposition and cell adhesion and activation, a comprehensive database could be built on the interactions of immune complex receptors. The generation of reference immune complex chips and reporter cell lines would enable the characterization of cellular effector functions elicited by protective or pathological antibodies. Serum samples from the individuals suffering from disease could be tested on such chips, using the host’s cells to model immune reactions in the body. We also envisage the system for monitoring the function of phagocytes during disease or pharmaceutical intervention.
These studies are expected to have an impact on serological testing in several aspects. Cellular probes replace secondary antibody reagents, therefore require no animal immunizations. When the tested individual’s own cells are used for probing the arrays, genetic variability of the receptors involved is also incorporated into the results, leading to personalized diagnostics. By displaying the targets of therapeutic antibodies on antigen arrays, efficiency of treatment could be monitored using the patient serum and cells, opening the way to theranostics chips. Finally, with the advancement of label-free detection technologies, we foresee the utilization of cell-based antigen array chips as point-of-care (POC) diagnostic devices.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Antibodies play significant role in protecting our body against invading pathogens. These molecules recognize pathogens and thereby trigger immunological reactions, including the further deposition of molecules, resulting in the formation of immune complexes. I turn, specialized cells identify, process and eliminate these complexes.
We aim to develop protein chips that are suitable for the generation of immune complexes with defined composition. We also aim to develop methods based on the cellular recognition of immune complexes chip-bound for probing chips, thus generating data on immune reactivity. Our group has unique experience in the design, manufacture and use of protein chips for the characterization of immune complex formation. This project would fund the development reference protein chips and cellular biosensors and their utilization for the refined and intricate characterization of antibody responses.
These studies enable the modeling of diseases associated with immune complex formation by painting a precise picture of interactions between immune complexes and cells. The development of biological sensors also lays the foundations of diagnostic methods.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Pályázatunk célja olyan technológia fejlesztése és jellemzése volt, ami specifikus ellenanyagok kimutatását szolgálja azok sejtekre kifejtett hatásainak kihasználása révén, valamint a legkorszerűbb anyag- és fluidikai technológiákat alkalmazva miniatürizált mérési megoldásokat szolgáltat. Fehérje chipeket (mikromátrixokat) hoztunk létre robotizált mikronyomtatási módszerrel, mikrofluidikai rendszert alakítottunk ki a chipek felületén a sejtek mozgatásához, valamint molekuláris biológiai beavatkozással riporter sejteket alakítottunk ki méréseinkhez. E rendszerek segítségével lehetőségünk nyílt a különböző izotípusú ellenanyagok egyedi és kombinált sejtes hatásainak meghatározására. A mikrofluidikai technológia fejlesztése folyományaként egy vércsoportmeghatározásra alkalmas technológiát is kialakítottunk. Vizsgálataink alapján megkérdőjeleződik az IgG4 izotípus inert, csekély effektor funkciójú mivolta, ugyanis több eltérő rendszerben is erőteljes sejtaktiváló képességét figyeltük meg. Az IgG és IgA osztályú ellenanyagok hatékony szinergisztikus működését, valamint egyúttal a két eltérő izotípus egyszerűsített mérését is leírtuk. Mikrofluidikai mérési rendszerünkre szabadalmi bejelentést tettünk.
Results in English
Our project aimed the development and characterization of technologes suitable for detecting antibodies by exploiting their cellular interactions, via the use of state-of-the-art materials and fluidic technologies that allow miniaturized measurement options. We generated protein chips using robotic printing, set up microfluidic systems for cell manipulation and created genetically modified reporter cells. Utilization of these technologies allowed us to determine individual and combined cell-activating properties of distinct antibody isotypes. The development of microlfuidic systems also yielded a device suitable for blood group determination. Our studies question the inert behaviour of IgG4 because we observed very efficient activation of myeloid cells under different experimental circumstances. We described the synergisitc activities of IgG and IgA and a simplified system for detecting both isotypes simultaneously. We applied for patent covering our microfluidic measurement system.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109683
Decision
Yes





 

List of publications

 
KrisztiánPapp, EszterHolczer, Csilla Kecse-Nagy, Zoltán Szittner, VeronikaLóránd, Paolo Rovero, JózsefPrechl, PéterFürjes: Multiplex determination of antigen specific antibodies with cell binding capability in a self-driven microfluidic system, Sensors and Actuators B: Chemical Volume 238, January 2017, Pages 1092-1097, 2017
Éva Sautner, Krisztián Papp, Eszter Holczer, Eszter L. Tóth, Rita Ungai-Salánki, Bálint Szabó, Péter Fürjes & József Prechl: Detection of red blood cell surface antigens by probe-triggered cell collision and flow retardation in an autonomous microfluidic system, Scientific Reports 7, Article number: 1008, 2017
József Prechl: A generalized quantitative antibody homeostasis model: antigen saturation, natural antibodies and a quantitative antibody network, Clinical & Translational Immunology (2017) 6, e131; doi:10.1038/cti.2016.90, 2017
József Prechl: The Generalized Quantitative Model of antibody homeostasis: maintenance of global antibody equilibrium by effector functions, bioRXiv https://doi.org/10.1101/169276, 2017
József Prechl, László Czirják: The endothelial deprotection hypothesis for lupus pathogenesis: the dual role of C1q as a mediator of clearance and regulator of endothelial permeability, F1000 Research, 2015
József Prechl, GAPAID consortium: Evidence for the waste disposal hypothesis, Clinical and Experimental Rheumatology, 2015
Krisztián Papp, GAPAID consortium: Nucleic acids fix high amounts of complement in spite of decreased serum C4 levels in SLE patients, Molecular Immunology, 2015
Szittner Z, Bentlage AE, Alcaro C, Prechl J, Vidarsson G.: Label-free detection of immune complexes with myeloid cells., Controversies in Rheumatology & Autoimmunity, Sorrento, Italy, March 12-14, 2015, 2015
József Prechl, Krisztián Papp, Zoltán Hérincs, Hajna Péterfy, Veronika Lóránd, Zoltán Szittner, Andone Estonba, Paolo Rovero, Ilaria Paolini, Jokin del Amo, Maria Uribarri, Maria Claudia Alcaro, Otsanda Ruiz-Larrañaga, Paola Migliorini, László Czirják: Serological and Genetic Evidence for Altered Complement System Functionality in Systemic Lupus Erythematosus: Findings of the GAPAID Consortium, PLOS ONE, 2016
Csilla Kecse-Nagy , Zoltán Szittner , Krisztián Papp, Zoltán Hegyi, Paolo Rovero, Paola Migliorini, Veronika Lóránd, László Homolya, József Prechl: Characterization of NF-κB Reporter U937 Cells and Their Application for the Detection of Inflammatory Immune-Complexes, PLOS ONE, 2016
Szittner Z, Bentlage AE, Rovero P, Migliorini P, Lóránd V, Prechl J, Vidarsson G.: Label-free detection of immune complexes with myeloid cells., Clinical and Experimental Immunology, 2016
Zoltán Szittner, Krisztián Papp, Eszter Holczer, Melinda Herbáth, Csilla Kecse-Nagy, Péter Fürjes, József Prechl: Self-driven microfluidic chambers for a protein microarray cell-binding assay, abstract #122, EMBL Conference Microfluidics 2014 Handbook, 2014
József Prechl, Krisztián Papp, Zoltán Szittner: Method for the analysis of immunoreactivity and a device suitable for carryinhg out the method, Lajstromszám: HU1400068/1 Benyújtás helye: Magyarország, 2014





 

Events of the project

 
2014-09-25 09:17:08
Résztvevők változása
2013-09-19 17:48:02
Résztvevők változása




Back »