Team:KU Leuven/Description
Project Description
HEKcite! Inspired by the human heart rhythm, we aim to create an electrophysiological oscillator from eukaryotic cells. Rhythmic contraction of heart cells is coordinated by a small group of cells located in the sinus node, which have an intrinsic frequency of de- and repolarization. This frequency of electrical oscillation is influenced by environmental parameters as well as certain molecular substrates. The oscillator that we aim to create consists of genetically modified excitable Human Embryonic Kidney (HEK) cells, altered to contain the intrinsic pacemaker ability found in sinus cells. As witnessed in heart cells, the rhythm would be dependent on substrate-activated ion channels in the membrane. As there is a great variety of ion channels available in nature, the oscillator could be modified to measure concentrations of many specific substrates. By integrating a certain ion channel into the oscillating system, specificity for a substrate can be chosen. Building an electrical oscillator from cells has several advantages. Intra- or extracellular changes that influence the conductance of ion channels in the membrane have an immediate impact on the frequency of oscillation. Once these cells are connected to each other (by for example gap-junctions), they generate an electrical signal that can easily be measured from a distance and non-invasively—similar to the way electrocardiography (ECG) and electroencephalography (EEG) measure electrical activity in the heart and brain. A multi-purpose sensor suitable for this system could be developed for medical and biotechnological applications. One such application is the measurement of drugs that interact with ion channels, such as antipsychotics, anti-epileptics or a certain class of immunosuppressants.
Mexico
Inspirado por el ritmo cardíaco humano, nuestro objetivo es crear un oscilador electrofisiológico a partir de células eucariotas. La contracción rítmica de las células del corazón está coordinada por un pequeño grupo de células llamado nodo sinusal, que tiene una frecuencia intrínseca de des- y repolarización. Esta frecuencia de oscilación eléctrica está influenciada por parámetros ambientales y por determinados sustratos moleculares tales como temperatura y adrenalina, respectivamente. El oscilador que aquí se propone, consiste en células embrionarias de riñón humano (HEK) excitables y genéticamente modificadas para poseer la capacidad intrínseca de marcapasos que tienen las células sinusales. Tal y como se observa en las células cardíacas, el ritmo sería dependiente de los canales iónicos de la membrana activados por sustrato. Puesto que existe una gran variedad de canales iónicos disponibles en la naturaleza, el oscilador podría modificarse para medir concentraciones de muchos sustratos específicos. Al integrar ciertos canales iónicos en las células oscilantes, se puede seleccionar la especificidad para un cierto sustrato. Crear un oscilador eléctrico a partir de células tiene varias ventajas. Los cambios extra- o intracelulares que influyen en la conductancia de los canales iónicos en la membrana tienen un impacto inmediato en la frecuencia de la oscilación. Una vez que estas células están conectadas entre sí (por ejemplo a través de uniones gap), generan una señal eléctrica que se puede medir fácilmente. Se trata de un método no invasivo, del mismo modo que el electrocardiograma (ECG) y la electroencefalografía (EEG) miden la actividad eléctrica en el corazón y el cerebro, respectivamente. Un sensor multipropósito adecuado para este sistema podría desarrollarse para aplicaciones médicas y biotecnológicas. Una de sus aplicaciones sería medir los fármacos que interactúan con canales iónicos, tales como antiepilépticos o ciertas clases de inmunosupresores. El problema actual con los trasplantes es el hecho de que muchos órganos se pierden debido a la estimación inexacta y estática del nivel de inmunosupresión, de modo que se corre el riesgo de que se produzca, por parte del sistema inmune humano, el rechazo del órgano. Con este sensor, podemos realizar mediciones dinámicas y a tiempo real de las concentraciones de inmunosupresores en la sangre. Esperamos que esta técnica pueda ayudar a reducir la cantidad de órganos rechazados después del trasplante, de modo que haya más órganos disponibles y, en consecuencia, que los pacientes tengan una mejor calidad de vida.
Taiwan
受到人類心跳的啟發，我們希望在真核細胞創建一個電生理振盪器。心臟細胞的周期 性收縮由竇房結中的小組織協調，其包含去極化和再極化的固有頻率。這種電振盪頻 率受環境因素和某些分子物質影響。我們的振盪器是基因修飾的，可興奮的人類胚胎 腎（HEK）細胞，具有與竇房結中細胞相同的起搏功能。因我們可以監測心臟細胞， 節律隨著細胞膜中依賴性離子通道改變。振盪器可以適應於測量各種基質濃度。通過 將特定離子通道插入振盪系統中，可以調整對基質的特異性。構建電振盪器有很多優 點。如影響離子通道電導率，細胞變化對振盪頻率產生直接的影響。一旦電池彼此連 接（例如通過間隙連接點），它們產生容易從遠處或非侵入性方式測量的電信號。類 似於心電圖（ECG）和腦電圖（ECG）測量心臟和腦中電活動的方式。使用該系統， 可以用於醫療和生物技術應用的多功能傳感器。像是測量與離子通道相互作用的藥物 ，例如抗精神病藥，抗癲癇藥或某類免疫抑制劑。
Traditional Chinese
受到人類心跳的啟發，我們希望在真核細胞創建一個電生理振盪器。心臟細胞的周期 性收縮由竇房結中的小組織協調，其包含去極化和再極化的固有頻率。這種電振盪頻 率受環境因素和某些分子物質影響。我們的振盪器是基因修飾的，可興奮的人類胚胎 腎（HEK）細胞，具有與竇房結中細胞相同的起搏功能。因我們可以監測心臟細胞， 節律隨著細胞膜中依賴性離子通道改變。振盪器可以適應於測量各種基質濃度。通過 將特定離子通道插入振盪系統中，可以調整對基質的特異性。構建電振盪器有很多優 點。如影響離子通道電導率，細胞變化對振盪頻率產生直接的影響。一旦電池彼此連 接（例如通過間隙連接點），它們產生容易從遠處或非侵入性方式測量的電信號。類 似於心電圖（ECG）和腦電圖（ECG）測量心臟和腦中電活動的方式。使用該系統， 可以用於醫療和生物技術應用的多功能傳感器。像是測量與離子通道相互作用的藥物 ，例如抗精神病藥，抗癲癇藥或某類免疫抑制劑。
French
Inspirés par le rythme cardiaque du coeur humain, nous souhaitons développer un oscillateur électro-physiologique à partir de cellules eucaryotes. La contraction rythmique des cellules cardiaques est coordonnées par un petit groupe de cellules appelé Noeud Sinusal, possédant une fréquence intrinsèque de re/dépolarisation. L'oscillateur que nous proposons est composé de cellules embryonnaire humaines de reins, modifiées pour imiter les propriétés intrinsic du Noeud Sinusal et reproduire ainsi la fréquence cardiaque.
Dans les cellules cardiaques, le rythme est gouverné par l’ouverture et la fermeture de canaux ioniques membranaires activés par un substrat. La variété importante de canaux ioniques trouvés dans la nature pourrait permettre donc de déterminer la concentration de substrats très spécifiques. En intégrant des canaux ioniques spécifiques d’un substrat dans nos cellules, nous pourrons ainsi les transformer en détecteur/oscillateur.
Fabriquer un oscillateur électrique à partir de cellules présente certains avantages.Le moindre changement extra ou intracellulaire influençant la fermeture/ouverture des canaux aura un impact immédiat sur la fréquence d’oscillation. Une fois que les cellules seront connectées entre elles (par exemple par gap-jonction), elles vont générer un signal électrique qui sera facilement quantifiable. Cette méthode est dite non-invasive, tout comme l'électrocardiographie et l'électroencéphalographie sur le coeur et le cerveau respectivement. Un capteur multifonction adapté à ce système pourrait ainsi être développé pour des applications biotechnologiques et médicales. L’une de ces applications est la quantification de drogues interagissant avec les canaux à ions, comme les antiépileptiques et certains immunosuppresseurs. La transplantation d’organe de nos jours souffre justement d’une mauvaise quantification des immunosuppresseurs, et la réjection de greffe est encore un problème actuellement. Avec notre capteur , nous pourrons ainsi procéder à des mesures dynamiques et en temps réel de la concentration de certains immunosuppresseurs dans le sang. Nous espérons que cette technique va ainsi pouvoir limiter le nombre de rejet de greffe après transplantation, pour permettre une meilleure qualité de vie aux patients et une meilleure disponibilité des organes.
Dutch
Geïnspireerd door de menselijke hartslag willen wij een elektrofysiologische oscillator creëren vanuit eukaryote cellen. Periodieke samentrekking van hartcellen wordt gecoördineerd door een kleine groep van cellen in de sinusknoop, die een intrinsieke frequentie van de- en repolarisatie bevatten. Deze frequentie van elektrische oscillatie wordt beïnvloed door omgevingsfactoren en bepaalde moleculaire substraten. De oscillator die wij willen maken bestaat uit genetisch gemodificeerde, exciteerbare ‘Human Embryonic Kidney’ (HEK) cellen, aangepast om dezelfde pacemaker functionaliteit te vertonen als de cellen in de sinusknoop. Zoals we ook kunnen waarnemen in hartcellen zou het ritme afhankelijk moeten zijn van substraat-afhankelijke ion kanalen in de celmembraan. Omdat er een grote verscheidenheid is in ion kanalen in de natuur zou de oscillator aangepast kunnen worden om concentraties te meten van een groot aantal verschillende substraten. Door een specifiek ion kanaal in te brengen in het oscillerend systeem kan specificiteit voor een substraat gekozen worden. Het bouwen van een elektrische oscillator heeft een aantal voordelen. Intra- of extracellulaire wijzingen die de geleidbaarheid van ion kanalen beïnvloeden hebben een onmiddellijke impact op de frequentie van oscillatie. Eens deze cellen verbonden worden met elkaar (door gap-juncties bijvoorbeeld) genereren ze een elektrisch signaal dat eenvoudig gemeten kan worden vanop een afstand en op niet-invasieve wijze. Dit lijkt op de manier waarop electrocardiographie (ECG) en electroencephalografie (ECG) elektrische activiteit meten in het hart en de hersenen. Met dit systeem kan een multipotente sensor ontwikkeld worden voor medische en biotechnologische toepassingen. Een mogelijke applicatie is het meten van geneesmiddelen die interageren met ion kanalen, zoals antipsychotica, anti-epileptica of een bepaalde klasse van immunosuppressiva.
German
In Anlehnung an den menschlichen Herzrhythmus ist unser Ziel die Kreation eines elektrophysiologischen Oszillators aus eukaryotischen Zellen. Die rhythmische Kontraktion der Herzzellen wird von einer kleinen Gruppe von Zellen im Sinusknoten koordiniert, die sich durch eine intrinsischen Frequenz von De- und Repolarisation auszeichnen. Diese Frequenz der elektrischen Oszillation wird beeinflusst von Umwelt Parametern sowie auch bestimmten molekularen Substraten. Der Oszillator, den wir entwickeln wollen, besteht aus genetisch veränderten erregbaren embryonalen menschlichen Nierenzellen (HEK), die so modifiziert wurden, dass ihre Eigenschaften den intrinsischen Schrittmacher Qualitäten in Sinuszellen entsprechen. Wie bereits in Herzzellen beobachtet wurde, wird der Rhythmus von den Substrat-aktivierten Ionenkanälen in der Membran abhängen. Durch die große Auswahl an in der Natur vorkommenden Ionenkanälen könnte der Oszillator entsprechend modifiziert werden um die Konzentration vieler spezifischer Substrate zu messen. Durch die Integration eines bestimmten Ionenkanals in das oszillierende System kann die Spezifität für ein Substrat festgelegt werden. Die Entwicklung eines elektrischen Oszillators hat mehrere Vorteile. Intra- oder extrazelluläre Änderungen die die Leitfähigkeit der Ionenkanäle in der Membran beeinflussen haben einen unmittelbaren Effekt auf die Frequenz der Oszillation. Sind die Zellen erst miteinander vernetzt (etwa über gap junctions) generieren sie ein elektrisches Signal, das einfach non-invasiv gemessen werden kann, ähnlich einer Elektrokardiographie (EKG) oder Elektroencephalography (EEG), mit der die elektrische Aktivität des Herzens und des Gehirns gemessen werden können. Für medizinische und biotechnologische Anwendungen könnte ein Mehrzweck Sensor speziell für dieses System entwickelt werden. Ein Beispiel für eine solche Anwendungsmöglichkeit ist die Messung von Drogen, die mit Ionenkanälen interagieren, wie etwa Antipsychotika, Antiepileptika oder bestimmte Klassen von Immunosuppressiva.
Russian
Вдохновленные сердечным ритмом человека, мы планируем создать электрофизиологический осциллятор из эукариотических клеток. Ритмичным сокращением клеток сердца управляет небольшая группа клеток, называемая синусовым узлом, который имеет собственную частоту де- и реполяризации. На эту частоту электрических колебаний влияют параметры окружающей среды, а также определенные молекулярные субстраты, такие как температура и адреналин соответственно. Предлагаемый здесь осциллятор состоит из генетически модифицированных возбудимых клеток почки человеческого эмбриона, измененных таким образом, что они приобретают способность ритмоводителя, присущую клеткам синусового узла. Как показывает работа клеток сердца, ритм будет зависеть от активируемых субстратом ионных каналов в мембране. Поскольку в природе существует огромное количество разнообразных ионных каналов, осциллятор может модифицироваться для измерения концентрации многих конкретных субстратов. Путем встраивания в клетки-осцилляторы определенных ионных каналов можно выбрать специфичность для конкретного субстрата. Создание электрического осциллятора из клеток имеет несколько преимуществ. Вне- или внутриклеточные изменения, которые влияют на проводимость ионных каналов в мембране, немедленно сказываются на частоте колебаний. Когда эти клетки соединены друг с другом (например, щелевыми соединениями), они генерируют электрический сигнал, который легко можно измерить. Это неинвазивный метод, подобный тому, как при электрокардиографии (ЭКГ) и электроэнцефалографии (ЭЭГ) измеряется электрическая активность сердца и головного мозга соответственно. Можно разработать совместимый с этой системой многофункциональный датчик для применения в медицине и биотехнологиях. Одним из примеров такого применения является измерение концентрации лекарственных препаратов, взаимодействующих с ионными каналами, таких как противосудорожные средства или иммунодепрессанты определенного класса. Проблема трансплантации в настоящее время состоит в том, что многие органы не приживаются из-за неточной и статичной оценки уровня иммунодепрессии; в таких условиях орган может быть отторгнут иммунной системой человека. С помощью такого датчика мы можем проводить динамическое, в режиме реального времени измерение концентрации иммунодепрессантов в крови. Мы надеемся, что этот метод поможет снизить количество отторгаемых после трансплантации органов, что позволило бы сохранить большее количество органов и улучшить качество жизни пациентов.
Spanish
Inspirado por el ritmo cardíaco humano, nuestro objetivo es crear un oscilador electrofisiológico a partir de células eucariotas. La contracción rítmica de las células del corazón está coordinada por un pequeño grupo de células llamado nodo sinusal, que tiene una frecuencia intrínseca de des- y repolarización. Esta frecuencia de oscilación eléctrica está influenciada por parámetros ambientales y por determinados sustratos moleculares tales como temperatura y adrenalina, respectivamente. El oscilador que aquí se propone, consiste en células embrionarias de riñón humano (HEK) excitables y genéticamente modificadas para poseer la capacidad intrínseca de marcapasos que tienen las células sinusales. Tal y como se observa en las células cardíacas, el ritmo sería dependiente de los canales iónicos de la membrana activados por sustrato. Puesto que existe una gran variedad de canales iónicos disponibles en la naturaleza, el oscilador podría modificarse para medir concentraciones de muchos sustratos específicos. Al integrar ciertos canales iónicos en las células oscilantes, se puede seleccionar la especificidad para un cierto sustrato. Crear un oscilador eléctrico a partir de células tiene varias ventajas. Los cambios extra- o intracelulares que influyen en la conductancia de los canales iónicos en la membrana tienen un impacto inmediato en la frecuencia de la oscilación. Una vez que estas células están conectadas entre sí (por ejemplo a través de uniones gap), generan una señal eléctrica que se puede medir fácilmente. Se trata de un método no invasivo, del mismo modo que el electrocardiograma (ECG) y la electroencefalografía (EEG) miden la actividad eléctrica en el corazón y el cerebro, respectivamente. Un sensor multipropósito adecuado para este sistema podría desarrollarse para aplicaciones médicas y biotecnológicas. Una de sus aplicaciones sería medir los fármacos que interactúan con canales iónicos, tales como antiepilépticos o ciertas clases de inmunosupresores. El problema actual con los trasplantes es el hecho de que muchos órganos se pierden debido a la estimación inexacta y estática del nivel de inmunosupresión, de modo que se corre el riesgo de que se produzca, por parte del sistema inmune humano, el rechazo del órgano. Con este sensor, podemos realizar mediciones dinámicas y a tiempo real de las concentraciones de inmunosupresores en la sangre. Esperamos que esta técnica pueda ayudar a reducir la cantidad de órganos rechazados después del trasplante, de modo que haya más órganos disponibles y, en consecuencia, que los pacientes tengan una mejor calidad de vida.
Catalan
Inspirat pel ritme cardíac humà, el nostre objectiu és crear un oscil·lador electrofisiològic a partir de cèl·lules eucariotes. La contracció rítmica de les cèl·lules del cor està coordinada per un petit grup de cèl·lules anomenat node sinusal, que té una freqüència intrínseca de des- i repolarització. Aquesta freqüència d’oscil·lació elèctrica està influenciada per paràmetres ambientals i per determinats substrats moleculars, com ara temperatura i adrenalina, respectivament. L'oscil·lador que aquí es proposa, consisteix en cèl·lules embrionàries de ronyó humà (HEK) excitables i genèticament modificades per posseir la capacitat intrínseca de marcapassos que tenen les cèl·lules sinusals. Tal com s’observa a les cèl·lules cardíaques, el ritme seria depenent dels canals iònics de la membrana activats per substrat. Donat que hi ha una gran varietat de canals iònics disponibles a la natura, l’oscil·lador podria modificar-se per mesurar concentracions de molts substrats específics. Al integrar certs canals iònics a les cèl·lules oscil·lants, es pot seleccionar l’especificitat per a un cert substrat. Crear un oscil·lador elèctric a partir de cèl·lules té diversos avantatges. Els canvis extra o intracel·lulars que influeixen en la conductància dels canals iònics a la membrana tenen un impacte immediat en la freqüència de l’oscil·lació. Una vegada que aquestes cèl·lules estan connectades entre si (per exemple a través d’unions gap), generen un senyal elèctric que es pot mesurar fàcilment. Es tracta d’un mètode no invasiu, de la mateixa manera que l’electrocardiograma (ECG) i l’electroencefalografia (EEG) mesuren l’activitat elèctrica en el cor i cervell, respectivament. Un sensor multipropòsit adequat per a aquest sistema es podria desenvolupar per a aplicacions mèdiques i biotecnològiques. Una de les seves aplicacions seria mesurar els fàrmacs que interactuen amb canals iònics, com ara antiepilèptics o algunes classes d’immunosupressors. El problema actual amb els trasplantaments és el fet que molts òrgans es perden a causa de l’estimació inexacta i estàtica del nivell d’immunosupressió, de manera que es corre el risc que es produeixi, per part del sistema immune humà, el rebuig de l’òrgan . Amb aquest sensor, podem realitzar mesuraments dinàmiques i a temps real de les concentracions d’immunosupressors en la sang. Esperem que aquesta tècnica pugui ajudar a reduir la quantitat d’òrgans rebutjats després del trasplantament, de manera que hi hagi més òrgans disponibles i, en conseqüència, que els pacients tinguin una millor qualitat de vida.
Inspired by the heart
We drew our inspiration from the versatility and robustness of the heart. It beats continuously over the years, rapidly adapting its pace when necessary.
Creation of the Rhythm
We drew our inspiration from the versatility and robustness of the heart. It beats continuously over the years, rapidly adapting its pace when necessary.
Biosensing
Finally, we aim to influence the pace by varying concentrations of biological effectors. Our main focus is establishing a new form of therapeutic drug monitoring.
