title: Nanoscale studies of ferroptosis induced phospholipid peroxidation in membranes of T-cell acute lymphoblastic leukaemia cells
Creators: name: Neubauer, Lena
Publisher: name: TU Wien
Year: 2024
Subjects: subject: Analytische Chemie
subject: Molekülspektroskopie
subject: AFM-IR
subject: Analytical Chemistry
subject: FOS: Chemical sciences
subject: Molecular Spectroscopy
subject: AFM-IR

description: Akute T-Zell-Leukämie (T-ALL) ist eine hämatologische Krebserkrankung. In den letzten zehn Jahren haben sich die Überlebensraten deutlich verbessert, doch behandlungsresistente Krebszellen stellen nach wie vor ein ernstes Problem dar und führen zu drastisch reduzierten Überlebensraten von unter 25%. Neue Behandlungsmöglichkeiten sind daher von entscheidender Bedeutung. Das Forschungsinstitut des Krankenhauses Necker arbeitet an einem neuen Therapieansatz, welcher gezielt behandlungsresistente Zellen ansprechen soll. Durch Erhöhung der Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies in den resistenten Krebszellen könnte ein spezifischer Zelltod namens Ferroptose ausgelöst werden. Dieser regulierte, nicht-apoptotische Zelltod wird durch Eisen-katalysierte Phospholipidperoxidation anhand erhöhter Produktion reaktiver Sauerstoffradikale (ROS) über verschiedene Zellstoffwechselwege eingeleitet. Indem die ROS-Produktion in diesen T-Zellen durch exogene Initiatormoleküle künstlich erhöht wird, könnte die Nutzung dieses Mechanismus zur Bekämpfung refraktärer Krebszellen eine neue Generation von Krebstherapeutika darstellen. Diese Strategie ist vielversprechend, das Verhalten einzelner Reaktionsschritte ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt.Die Einführung der Rasterkraftmikroskopie gekoppelt mit Infrarotspektroskopie (AFM-IR) ermöglicht die chemische Identifizierung dieser Ferroptose-induzierten abhängigen Membranveränderungen im mittleren IR-Spektralbereich mit Nanometergenauigkeit. In dieser Arbeit wurde ein optimiertes Protokoll für die Probenvorbereitung, die Erfassung globaler IR-Signaturen des Peroxidationsprozesses mittels O-PTIR und die Untersuchung des Membranabbaus mittels AFM-IR erstellt. Das Methodeprotokoll wurde anhand von zwei unsterblichen Zelllinien validiert, welche mit zwei bekannten Ferroptose-induzierenden Reagenzien versetzt wurden, um den Zelltod einzuleiten. Auf diesen T-ALL Zellen konnten Hotspots mit charakteristischer Schwingungsbande für Phospholipidperoxidation identifiziert werden. Lokale Spektren an diesen markanten Punkten zeigten mehrere IR-Banden, die verschiedenen oxidierten Phospholipidperoxidations-Endprodukten in den Membranen zugeordnet werden konnten.
description: T-cell acute leukaemia (T-ALL) is a haematological cancer disease. In the last decade survival rates significantly improved, but still cancer cells resistant to treatment pose serious problems leading to drastically reduced overall survival rates under 25 %. Novel treatment options are therefore essential. The research institute of hospital Necker is working on a novel approach to reach resistant cells. They propose to increase the production of reactive oxygen species inside the resistant cancer cells to induce a specific cell death called ferroptosis. This regulated, non-apoptotic cell death is initiated by iron-mediated phospholipid peroxidation through increased reactive oxygen radical production, via various cell metabolism pathways. By artificially increasing the ROS production in those T-cells via exogenous initiator molecules, the utilisation of this mechanism to eliminate refractory cancer cells could represent a new generation of cancer therapeutics. This strategy is promising but yet not well understood.The introduction of atomic force microscopy coupled with infrared spectroscopy (AFM-IR) allows the chemical identification of these treatment-dependent membrane changes in mid-IR spectral at nanoscale. In this work, a protocol for the optimisation of the sample preparation, the acquisition of global IR signatures of the peroxidation process by O-PTIR and the investigation of membrane degradation via AFM-IR was established. The methodology protocol was validated on two immortal cell lines, spiked with two known ferroptosis-inducing reagents to induce cell death. Hotspots responding to a characteristic vibration band for phospholipid peroxidation were identified on the model T-ALL cells. Local spectra on these prominent points demonstrated several IR bands, assignable to different oxidised phospholipid peroxidation end products in the membranes.