Microfluïdische manipulatie en optische detectie van cellen om inzicht te krijgen in sub-cellulaire dynamiek en metaboliet communicatie

Life is akin to a relentless race, where our bodies must continuously adapt to the ever-changing environment. These adaptations induce stress, and as we age, our ability to cope with stress diminishes. This holds true not only for our entire bodies but also for our individual cells. Our cells are intricately programmed to function like a well-tuned clockwork, employing a chemical language
known with metabolites. Among these metabolites, one called hydrogen peroxide (H2O2) plays a critical role in oxidative stress. When the local concentrations of H2O2 surpass a certain threshold, the
cell signals this change to the nucleus, triggering the activation of antioxidant systems to mitigate
the effects. This H2O2-based language within the cell can originate from external sources or various subcellular compartments. Through H2O2 and other metabolites, these compartments communicate
with one another. Additionally, messages of reduction and oxidation are relayed to proteins, which
form the focus of our research project. Our objective is to optimize tools called biosensors for the investigation of both internal and external cellular communication by H2O2. We aim to construct a device utilizing miniature channels to cultivate cells. Our chosen model involves manipulating a sarcoma cell line to express a particular fluorescent protein associated with ALS, a disease prevalent among older individuals characterized by protein aggregation. It is well known that famous figures as Steven Hawking and Bruce Willis suffer from an incurable disease, few know that it concerns ALS variants.
By employing advanced laser technology with specific wavelengths, we intend to visualize how protein aggregates over time when stimulated by H2O2 originating from both external sources and subcellular compartments in a cell culture model. To emulate the pathological ALS context as much as possible, these model cells equipped with probes will be treated with fractions of lysates of neurons derived from ALS patients. Using advanced separation techniques, we aim to pinpoint the precise cellular components of the diseased neurons leading to H2O2 generation and protein aggregation. Once established, we envision this platform as a valuable tool for screening drugs aimed at mitigating diseases where protein aggregation is being observed (next to ALS, e.g. also Alzheimer’s Disease).

Het leven lijkt wel op een meedogenloze race, waarbij ons lichaam zich voortdurend moet aanpassen aan de steeds veranderende omgeving. Deze aanpassingen veroorzaken stress en naarmate we ouder worden, vermindert ons vermogen om met stress om te gaan. Dit geldt niet alleen voor ons hele lichaam, maar ook voor onze individuele cellen. Onze cellen zijn geprogrammeerd om te functioneren als een goed afgesteld uurwerk, gebruikmakend van een chemische taal die bekend
staat als metabolietcommunicatie. Een van deze metabolieten, H2O2 genaamd, speelt een cruciale rol bij oxidatieve stress. Wanneer de lokale concentraties aan H2O2 een bepaalde drempel overschrijden,
geeft de cel dit door aan de celkern, waardoor antioxidantensystemen worden geactiveerd om de
effecten te verzachten. Deze H2O2-gebaseerde taal binnen de cel kan afkomstig zijn van externe bronnen of verschillende sub-cellulaire compartimenten in de cel. Via H2O2 en andere metabolieten communiceren deze compartimenten met elkaar. Daarnaast worden boodschappen van reductie en oxidatie doorgegeven aan eiwitten, die de focus vormen van ons onderzoeksproject. Ons doel is om een biosensor te ontwikkelen waarmee zowel interne als externe celcommunicatie kan worden onderzocht.
We willen een apparaat bouwen dat gebruik maakt van miniatuurkanalen waarin we cellen kweken. Voor ons gekozen model maken we gebruik van een sarcoomcellijn om een bepaald fluorescerend eiwit tot expressie te brengen dat geassocieerd wordt met ALS, een ziekte die veel voorkomt bij oudere mensen. Het is algemeen geweten dat bekende figuren als Steven Hawking en Bruce Willis ongeneeslijk ziek zijn, minder weten dat het vormen van ALS betreft.
Door gebruik te maken van geavanceerde lasertechnologie met instelbare golflengten willen we de
veranderingen van het eiwit in de loop van de tijd visualiseren wanneer de cellijn gestimuleerd wordt door H2O2 afkomstig van zowel externe bronnen als van subcellulaire compartimenten.
Om pathologische ALS condities zo goed mogelijk na te bootsen zullen we modelcellen, uitgerust met
probes, in contact brengen met neuronale lysaten afkomstig van ALS patiënten. Met behulp van zeer geavanceerde scheidingstechnieken zullen we uitzoeken welke celcomponenten van de patholgische neuronen aanleiding geven tot H2O2 vorming en proteïne-aggregatie.
Het te ontwikkelen platform zal vervolgens dienst doen als techniek om de effectiviteit van (potentiële) medicijnen te bepalen, in de context van ziektes waarbij protëine-aggregatie aan de oorsprong liggen (naast ALS bvb. ook de ziekte van Alzheimer).