Biophysics of living cells and cell adhesive coatings exposed to novel compounds  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
131543
Type PD
Principal investigator Péter, Beatrix Éva
Title in Hungarian Újszerű hatóanyagokkal kezelt adhezív bevonatok és élő sejtek biofizikája
Title in English Biophysics of living cells and cell adhesive coatings exposed to novel compounds
Keywords in Hungarian adhézió, bevonatok, természetes kivonatok, jelölésmentes bioszenzorok, biofizika
Keywords in English adhesion, coatings, natural compounds, label-free biosensors, biophysics
Discipline
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)40 %
Ortelius classification: Biomedical engineering
Biophysics (Council of Physical Sciences)30 %
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Participants Kanyó, Nicolett
Starting date 2019-12-01
Closing date 2022-11-30
Funding (in million HUF) 24.576
FTE (full time equivalent) 2.95
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 jelölésmentes bioszenzorok robbanásszerű fejlődésen estek át az utóbbi években, kiaknázásuk a biológiai alap és alkalmazott kutatásokban is egyre határozottabb. Rengeteg publikáció számolt már be a zöld tea kivonatának, az epigallokatekin-gallátnak (EGCG) emberi egészségre gyakorolt pozitív hatásairól, a szakirodalomban azonban ellentmondásos eredmények is fellelhetők. Ennek oka valószínűleg az, hogy az EGCG kis molekulatömegű és nagyon instabil, érzékeny hatóanyag. Korábban bevonatokat készítettünk PLL-g-PEG sejtadhéziót gátló, és sejtadhéziót segítő PLL-g-PEG-RGD szintetikus polimerekből. Ezután megfigyeltük az EGCG molekulák bekötődését ezekbe a bevonatokba, majd e kezelt bevonatokra történő sejtadhéziót vizsgáltuk meg. Ennek a tanulmánynak fontos újdonsága az volt, hogy a bevonatok készítése, kezelésük kis molekulatömegű hatóanyaggal, és az erre a rétegre történő sejtadhézió figyelemmel kísérése mind ugyanazon jelölésmentes bioszenzorral volt vizsgálható valós időben, több párhuzamos méréssel. Felfedeztük, hogy polifenol jelentősen hat az adhéziós mátrixra, még a sejtadhéziót segítő réteg is adhéziót gátlóvá változik a kezelés hatására. A polifenolok ezen indirekt hatását az élő sejtekre eddig figyelmen kívül hagyták a szakirodalomban. A célom az, hogy kiterjesszem az előbb említett módszertant extracelluláris mátrix fehérjékből álló bevonatokra és más biomimetikus polimerekre. Célunk még továbbá az is, hogy különbséget tudjunk tenni a hatóanyagok élő sejtekre gyakorolt közvetett és közvetlen hatásai között új mérési beállítások, biofizikai módszerek segítségével egyedi sejt szinten is. Az újszerű hatóanyagok nanorészecskékkel történő kombinációja is kiemelt célom.

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.
Célunk olyan kérdéseket megválaszolni, amik jelenleg elkerülik a figyelmet a szakirodalomban. Páldául a következő kérdéseket tervezzük megválaszolni:
A természetes kivonatok hatnak-e az élő sejtek adhéziós mátrixára?
Ha igen, hogyan hat ez az élő sejtek viselkedésére indirekt, közvetett módon, meg tudjuk-e különböztetni a közvetett és közvetlen hatásokat?
Ezek mind nagyon releváns és fontos kérdések, hogy tisztán lássuk a természetes kivonatok hatásait az élő sejtekre és szövetekre, és hogy új gyógyszereket fejlesszünk természetes hatóanyagokból. A sejtek különféle alpopulációi másképpen viselkedhetnek azonos kísérleti körülmények, feltételek mellett. A legmodernebb biofizikai műszereket fogjuk alkalmazni a sejtek vizsgálatára, akár egyedi sejt szinten is. Ezek az egyedi sejtekkel történő mérések az EGCG esetében teljesen hiányoznak a szakirodalomból, és a kivonat indirekt, közvetett hatásával kapcsolatos tudás is meglehetősen hiányos még.

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 EGCG kis molekulatömegű és nagyon instabil anyag, melynek vizsgálatát általában olyan technikákkal végzik, melyeknél szükség van valamilyen festési vagy jelölési eljárásra. Az ilyen módszerek általában hosszadalmasabb, bonyolultabb, több lépésből járó eljárások, amelyek az esetek túlnyomó többségében csak a végeredményt mutatják, magát a folyamatot nem. Fontos hátrány még, hogy a jelölő anyag, festék kölcsönhatásba léphet a vizsgált hatóanyaggal és befolyásolhatják a sejtek normál funkcióit. Ezzel ellentétben a jelölésmentes bioszenzorok és képalkotó technikák jelölések nélkül, valós időben mutatják a folyamatokat, jelölések és festékek alkalmazása nélkül. Az egyedi sejtek vizsgálata egy új trend, mely megvalósítása szintén lehetséges jelölésmentes technikákkal (mikropipetta, FluidFM). Az EGCG hatásainak vizsgálata egyedi sejteken szintén úttörő munkának számít. Ezen technikákkal jobban fel tudjuk térképezni e különleges hatóanyag, és további kis molekulájú anyagok sejtekre gyakorolt hatásait és hatásmechanizmusait, így a kapott eredmények a jövőben hozzájárulhatnak gyógyszerek fejlesztéséhez, ezáltal bizonyos betegségek hatékonyabb gyógyításához. Ezek az egyedi sejtekkel történő mérések a polifenolok esetében teljesen hiányoznak a szakirodalomból, és a kivonatok indirekt, közvetett hatásával kapcsolatos tudás is meglehetősen hiányos még.

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 zöld tea fő összetevője, az epigallokatekin-gallát (EGCG) a kis molekulájú hatóanyagok egyik példája. Pozitív, egészséget megőrző hatásairól sok publikáció ír, de a szakirodalomban ellentmondásos eredmények is fellelhetők. Ennek oka valószínűleg az, hogy az EGCG kis molekulatömegű és nagyon instabil. A hatóanyag vizsgálatát általában olyan technikákkal végzik, melyeknél szükség van valamilyen festési vagy jelölési eljárásra. Az ilyen módszerek általában hosszadalmasabb, bonyolultabb, több lépésből járó eljárások, amelyek az esetek túlnyomó többségében csak a végeredményt mutatják, magát a folyamatot nem. Ezzel ellentétben a jelölésmentes bioszenzorok/jelölésmentes képalkotó technikák jelölések nélkül, valós időben mutatják a folyamatokat. Ezek a műszerek robbanásszerű fejlődésen mentek keresztül az utóbbi években; a biológiai alapkutatásokban csak most kezdődött a kiaknázásuk, egyre érzékenyebbek, alkalmazásuk új utakat nyithat meg a biotechnológiai alkalmazásokban. Előzetes vizsgálataimat ezekkel az új, modern technikákkal végeztem, ami a szakirodalomban hiánypótlónak is mondható, hiszen kutatócsoportunk alkalmazta először EGCG vizsgálatára ezeket a rendszereket. Kutatásaimat folytatni szeretném többféle kivonat hatásmechanizmusának jobb megértése érdekében. A kapott eredmények hozzájárulhatnak új természetes hatóanyagokból kifejlesztett gyógyszerek előállításához, amelyek különféle betegségeket, például rákot gyógyíthatnak.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Numerous papers have been published about the positive effects for the human health of the main constituent of the green tea, epigallocatechin-gallate (EGCG). However, there are contradictory data in the literature as well. Probably, the reason is that the EGCG has a very small molecular weight and it is a highly unstable, sensitive material, its investigations with traditional techniques is challenging. In a proof of principle study we fabricated layers from cell repellent PLL-g-PEG and cell adhesive PLL-g-PEG-RGD synthetic polymers. After, we observed the binding of EGCG inside these coatings and cell addition to the EGCG pre-treated coatings was also performed. An important novelty of this study was that the polymer coating fabrication, its treatment with small molecule, and the observation of cell adhesion could be all studied on-line by a label-free optical biosensor in triplicates. With this novel, multicomponent model system, we received representative kinetic curves of the processes. Importantly, we discovered that the polyphenol affects significantly the adhesion matrix, a highly cell adhesive surface can become cell repellent. This indirect effect of polyphenols on living cells was simply overlooked in the literature. The aim is to extend the above methodologies to films of extracellular matrix proteins and other biomimetic polymers. Moreover, we aim to distinguish between the direct and indirect effects of natural compounds on cell behavior by developing new experimental settings using state of the art biophysical methodologies and nanoparticles capable of investigating the living cells in a label-free and real-time manner down to the level of single cells.

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 planned research aim is to answer many questions, presently overlooked in the literature. For example, we plan to answer the question: Do natural compounds affect the adhesion matrix of living cells? If yes, how this affects the behavior of living cells in an indirect way, can the direct and indirect effect be distinguished? All of these are very relevant and important questions to clearly see the effects of natural compounds on living cells and tissues, and to develop new drugs based on natural compounds. Various subpopulations of cells might behave differently under the same experimental settings. Therefore, we will employ state of the art biophysical tools capable of monitoring dynamic cell behavior down to the level of single cells. These single cell measurements in case of novel natural compounds is completely absent in the literature and the indirect effect of the compound via treated coating as well.

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.
EGCG is a very unstable material with small molecular weight. In general, scientists examine the active substances by using labeling techniques, so they need some kind of dye or labeling process. These methods are time-consuming, more complicated processes with a lot of measurement steps, and as a result, they show only the endpoint data, and the not the process itself, and the dye or labeling material may interact with the active substance and may influence the normal functions of the cells. In contrast, the label-free biosensors and imaging techniques monitor the processes in real-time, without using any labels or dyes. Single cell measurement is a new trend nowadays, the process can be achieved by label-free techniques as well (for example micropipette, FluidFM). The measurement of the effects of EGCG on single cell can be considered as a pioneering work, too. With these novel methods, we can map the EGCG’s and other small molecule’s effects on cells and their mode of action deeper, thus these results may contribute in medicine development, thus we can cure certain illnesses much more effectively. These single cell measurements in case of polyphenols is completely absent in the literature and the indirect effect of the compound via treated coating as well.

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 main constituent of the green tea epigallocatechin-gallate (EGCG) is an example for active substance with small molecular weight. Numerous papers have been published about its positive effects for the human health, however, there are contradictory data and results in the literature as well. The reason is probably that the EGCg has small molecular weight and it is a very unstable, sensitive material. In general, scientists examine the active substances by using labeling techniques, so they need some kind of dye or labeling process. In contrast, the label-free biosensors and imaging techniques monitor the processes in real-time, without using any labels or dyes. Labe-free optical techniques underwent enormous progress in the past years; their utilization in biological basic researches has just begun, the appliances are more and more sensitive. In my previous work I used these novel techniques. Our research group applied first the label-free methods to examine the effects of EGCG. I intend to continue this research to map the EGCG’s mode of action more precisely and deeply. The expected results might lead to the development of new drugs based on natural compounds and novel nanoparticle systems to treat various diseases, such as cancer.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Összefoglaló cikkünkben rávilágítottunk a természetes vegyületek gyorsabb és egyszerűbb szűrésének lehetőségeire új, jelölésmentes módszerek alkalmazásával, amelyek egyúttal jóval nagyobb fokú mennyiségi és minőségi meghatározást tesznek lehetővé, mint az eddig alkalmazott hagyományos módszerek. A természetes vegyületek sejtek adhézióra és mozgásra gyakorolt hatásait vizsgáló legújabb kutatásokat szisztematikusan osztályoztuk. Egy másik munkámban rezonáns rácsos hullámvezető (RWG) bioszenzorral mértem a zöld tea polifenol hatását a fibronektin bevonatra és a kezelt felületre történő HeLa rákos sejtek adhéziójára. A továbbiakban 18 természetes növényi eredetű vegyületet is teszteltünk ugyanezzel a módszerrel HeLa és preoszteoblaszt sejtekkel fibronektin bevonaton. Az A. sylvestris-ből izolált két vegyület humán szérum albuminhoz való kötődési affinitását rácscsatolt interferometriával tanulmányoztuk. Folytattuk a méréseket arany nanorészecskékkel és enzimkezelt rákos sejtekkel. E mérések során azt vizsgáltuk, hogy a glikokalix leemésztése hogyan hat a különböző méretű pozitív, valamint negatív töltésű nanorészecskék sejtekbe jutására. Ezekben a témákban a témavezetésemmel 1 BSc szakdolgozat és 3 TDK konferencia előadás, 2 konferencia részvétel valósult meg a projekt időtartama alatt. Eredményeinkből 3 elsőszerzős publikáció jelent meg, 1 db közlés alatt van, illetve egy kézirat még az írás fázisában tart.
Results in English
In our review article, we concluded by highlighting the possibilities to screen natural compounds faster and more easily by applying new label-free methods, which also enable a far greater degree of quantification than the conventional methods used hitherto. We have systematically classified recent studies regarding the effects of natural compounds on cellular adhesion and movement, characterizing the active substances. In another work, I measured the effect of the green tea polyphenol on fibronectin coating and the subsequent HeLa cancer cell adhesion by resonant waveguide grating biosensor. Furthermore, 18 natural compounds with plant origin were also tested with the same multi-component methodology with HeLa and preosteoblast cells on fibronectin coating. The binding affinity of two compounds isolated from A. sylvestris to a transport protein human serum albumin was measured by grating coupled interferometry. We have continued the measurements with gold nanoparticles with enzyme-treated HeLa cells. With these measurements, we studied the effect of the digestion of glycocalyx on the penetration of positively and negatively charged nanoparticles with different diameter sizes. In these topics, 1 BSc thesis and 3 TDK conference presentations were performed under my supervision. From our results, 3 first-author publications have been published, 1 is under publication, 1 manuscript is still in the writing phase, and there were 2 conference presentations as well.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=131543
Decision
Yes





 

List of publications

  
Eniko Farkas, Robert Tarr, Tamás Gerecsei, Andras Saftics, Kinga Dóra Kovács, Balazs Stercz, Judit Domokos, Beatrix Peter, Sandor Kurunczi, Inna Szekacs, Attila Bonyár, Anita Bányai, Péter Fürjes, Szilvia Ruszkai-Szaniszló, Máté Varga, Barnabás Szabó, Eszter Ostorházi, Dóra Szabó, Robert Horvath: Development and in-depth characterization of bacteria repellent and bacteria adhesive antibody-coated surfaces using optical waveguide biosensing, Biosensors, 2022
Nicolett Kanyo, Kinga Dóra Kovács, Sándor Viktor Kovács, Bálint Béres, Beatrix Péter, Inna Székács, Robert Horvath: Single-cell adhesivity distribution of glycocalyx digested cancer cells from high spatial resolution label-free biosensor measurement, Matrix Biology Plus, 2022
Beatrix Péter, Eniko Farkas, Sandor Kurunczi, Zoltán Szittner, Szilvia Bősze, Jeremy J. Ramsden, Inna Szekacs, Robert Horvath: Review of label-free monitoring of bacteria: From challenging practical applications to basic research perspectives, Biosensors, 2022
Tamás Gerecsei, Beatrix Peter, Rita Ungai-Salánki, Sándor Kurunczi, Inna Szekács, Bálint Szabó, Robert Horvath: Prospects of fluidic force microscopy and related biosensors for medical applications, Nanobioanalytical Approaches to Medical Diagnostics, 2022
Zoltán Szittner, Beatrix Péter, Sándor Kurunczi, Inna Székács, Robert Horvath: Functional blood cell analysis by label-free biosensors and single-cell technologies, Advances in Colloid and Interface Science, 2022
Nicolett Kanyo, Kinga Dora Kovacs, Andras Saftics, Inna Szekacs, Beatrix Peter, Ana R. Santa-Maria, Fruzsina R. Walter, András Dér, Mária A. Deli, Robert Horvath: Glycocalyx regulates the strength and kinetics of cancer cell adhesion revealed by biophysical models based on high resolution label-free optical data, Scientific Reports, 2020
Beatrix Péter, Imre Boldizsár, Gábor M. Kovács, Anna Erdei, Zsuzsa Bajtay, Alexandra Vörös, Jeremy J. Ramsden, Ildikó Szabó, Szilvia, Robert Horvath: Natural compounds as target biomolecules in cellular adhesion and migration: from biomolecular stimulation to label-free discovery and bioactivity-based isolation, Biomedicines, 2021
Andras Saftics, Sándor Kurunczi, Beatrix Peter, Inna Szekacs, Jeremy J. Ramsden, Robert Horvath: Data evaluation for surface-sensitive label-free methods to obtain real-time kinetic and structural information of thin films: A practical review with related software pa, Advances in Colloid and Interface Science, 2021
Rita Ungai-Salánki, Benjamin Csippa, Tamás Gerecsei, Beatrix Péter, Robert Horvath, Bálint Szabó: Nanonewton scale adhesion force measurements on biotinylated microbeads with a robotic micropipette, Journal of Colloid and Interface Science, 2021
Kristof Kliment, Inna Szekacs, Beatrix Peter, Anna Erdei, Istvan Kurucz, Robert Horvat: Label-free real-time monitoring of the BCR-triggered activation of primary human B cells modulated by the simultaneous engagement of inhibitory receptors, Biosensors and Bioelectronics, 2021
Tamás Gerecsei, Péter Chrenkó, Nicolett Kanyo, Beatrix Péter, Attila Bonyár, Inna Székács, Balint Szabo, Robert Horvath: Dissociation constant of integrin-RGD binding in live cells from automated micropipette and label-free optical data, Biosensors, 2021
Andras Saftics, Sándor Kurunczi, Beatrix Peter, Inna Szekacs, Jeremy J. Ramsden, Robert Horvath: Data evaluation for surface-sensitive label-free methods to obtain real-time kinetic and structural information of thin films: A practical review with related software pa, Advances in Colloid and Interface Science, 2021
Rita Ungai-Salánki, Benjamin Csippa, Tamás Gerecsei, Beatrix Péter, Robert Horvath, Bálint Szabó: Nanonewton scale adhesion force measurements on biotinylated microbeads with a robotic micropipette, Journal of Colloid and Interface Science, 2021
Beatrix Peter, Nicolett Kanyo, Inna Szekacs, Antal Csampai, Szilvia Bosze, Robert Horvath: Epigallocatechin-gallate tailors the cell adhesivity of fibronectin coatings in oxidation and concentration-dependent manner, Materials Advances, 2022
Beatrix Peter, Nicolett Kanyo, Kinga Dora Kovacs, Viktor Kovács, Inna Szekacs, Béla Pécz, Kinga Molnár, Hideyuki Nakanishi, Istvan Lagzi, Robert Horvath: Glycocalyx components detune the cellular uptake of gold nanoparticles in a size- and charge-dependent manner, ACS Applied Bio Materials, 2022
Beatrix Péter, Inna Székács, Szilvia Bősze, Imre Boldizsár, Gábor M. Kovács, Robert Horvath: Label-free discovery of natural compounds as target biomolecules in cellular adhesion and migration, Regional Biophysics Conference, 2022
Barbara Majoros, Beatrix Péter, Imre Boldizsár, Szilvia Bősze, Inna Szekacs, Sándor Kurunczi, Robert Horvath: Grating Coupled Interferometry (GCI) for kinetic interaction analysis of small molecules and their target proteins, Regional Biophysics Conference, 2022
Milan Sztilkovics, Tamas Gerecsei, Beatrix Peter, Andras Saftics, Sandor Kurunczi, Inna Szekacs, Balint Szabo, Robert Horvath: Single-cell adhesion force kinetics of cell populations from combined label-free optical biosensor and robotic fluidic force microscopy, Scientific Reports, 2020




 

Events of the project

  
2020-03-06 13:59:43
Résztvevők változása



Back »