Abstract: In iets meer dan 30 jaar moeten we tot 50% meer eiwit produceren, terwijl onze conventionele lineaire voedselproductieketen reeds de grenzen van duurzaamheid overschrijdt. Microbieel eiwit (MP), de eiwitrijke biomassa van micro-organismen, werd onderzocht als nieuw voeder en voedselingrediënt in een circulaire eiwitproductieketen. MP-productie kan gebaseerd zijn op primaire grondstoffen om zo de inefficiënte stappen in de huidige eiwitproductie over te slaan, of de productie kan gebaseerd zijn op secundaire grondstoffen afkomstig van de verliezen in de conventionele productieketen (bijvoorbeeld afvalwater). Zowel indirecte als directe strategiën voor nutriëntenherwinning kunnen geïdentificeerd worden. Indirecte nutriëntenherwinning werd onderzocht door struviet toe te passen als fosfor- en stikstofbron voor MP-productie. Struviet, een herwinningsproduct in de afvalwaterzuivering, bleek een hoge zuiverheidsgraad te hebben waardoor het een uitstekende selectieve barrière vormt tussen afvalstroom en MP productie. Oplossingssnelheden en MP groei-experimenten toonden aan dat struviet gemakkelijk gedoseerd kan worden in functie van de microbiële nutriëntenbehoeftes, waarnaast problemen vermeden worden gerelateerd aan de turbiditeit van nevenstromen, wat de productie van fototrofe MP mogelijk maakt. Daarnaast werd ook directe nutriëntenherwinning onderzocht. Hierbij werden de voedingswaarde en veiligheid geanalyseerd van biomassa bestaande uit aerobe heterotrofe bacteriën (AHB) afkomstig van effluentzuivering van 25 bedrijven in de voedings- en drankensector. Verder werd ook de temporele variabiliteit in kaart gebracht. Er werd een veelbelovend eiwitgehalte geobserveerd waarvan de variabiliteit aanzienlijke was. Verder werd aangetoond dat het eiwitgehalte positief gecorreleerd was met stikstofbelasting en negatief met slibverblijftijd, wat een indicatie is dat de implementatie van een geoptimaliseerd productieproces, de biomassakwaliteit gevoelig kan verhogen. Bovendien was de veiligheid als veevoeder gegarandeerd op vlak van de meeste contaminanten. In het daarop volgende hoofdstuk werd de variabiliteit in voedingswaarde en veiligheid bestudeerd van commerciële fototrofe MP (de microalgen Chlorella en Spirulina), gekweekt op primaire grondstoffen. De waargenomen variabiliteit in voedingswaarde vereist verdere optimalisatie van het productieproces. Er werd ook waargenomen dat een hoog eiwitgehalte geen hoge totale voedingswaarde impliceert, omdat de verteerbaarheid en de eiwitkwaliteit nog steeds ongunstig kunnen zijn. Op basis van gemeten contaminanten geeft een veilige consumptiedosis aan dat microalgen perfect kunnen worden geconsumeerd als volwaardige eiwitbron in plaats van als supplement, hun huidige hoofdtoepassing. In een laatste experimenteel hoofdstuk werd onderzocht hoe de variabiliteit in biomassakwaliteit van microalgen kan worden gereduceerd en hoe een stabiele, hoogwaardige biomassaproductie kan worden bekomen. De invloed van oogsttijd, operationele modus en fotoperiode werd bepaald op de productiviteit van biomassa, eiwit en essentiële aminozuren en er werden optimale productieparameters geïdentificeerd. Samengevat is MP-productie op basis van indirecte en directe nutriëntenherwinning veelbelovend. Verdere technologische ontwikkelingen en het verhogen van bewustwording en sociale acceptatie, moeten een verdere introductie van MP in de voeder- en voedingsmarkt faciliteren. Hier kan MP een belangrijke oplossing vertegenwoordigen om de exponentieel groeiende wereldbevolking op een duurzame manier te voeden.

Abstract: Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and glioblastoma multiforme (GBM) are two of the most malignant solid tumor types with poor survival rates, which underscore the urgency of novel and efficacious treatment strategies. Within the last decade, immunotherapy has been established as a breakthrough in cancer therapy. This mainly has been driven by the clinical data and approval associated with several immune checkpoint inhibitors (e.g. anti-CTLA-4 and anti-PD-1/L1). Despite the clinical benefit in specific tumor types, these inhibitors have not yet fulfilled their promise in low immunogenic tumors such as PDAC and GBM. Oxidative stress in cancer cells due to elevated reactive oxygen species (ROS) and an inability to balance intracellular redox state has recently been highlighted as promising target for anticancer treatment strategies with possible immunogenic effects. In this PhD dissertation, I investigated novel oxidative stress-mediated treatment approaches to target PDAC and GBM and to enhance immunogenicity by inducing immunogenic cell death (ICD). In the first part of this thesis (chapter 2), I reviewed the mechanistic responses of cancer cells towards different oxidative stress-inducing treatment strategies and their immunomodulating effects. The resulting literature demonstrated that different exogenous and endogenous ROS-inducing therapies show direct and indirect immunomodulating effects, which can be either immunostimulatory or immunosuppressive. One of the indirect immunostimulatory effects of the ROS-mediating therapies is the capacity of inducing immunogenic cell death (ICD) in tumor cells, which can increase the immunogenicity and consequently can trigger an antitumoral immune response. In chapter 3, I investigated a novel exogenous ROS-inducing treatment method, namely cold atmospheric plasma, to determine the therapeutic and ICD-inducing effects in PDAC, in vitro. I revealed that plasma-treated PBS (pPBS) has the potential to induce ICD in pancreatic cancer cells (PCCs) and to reduce the immunosuppressive tumor microenvironment (TME) by attacking the tumor supportive pancreatic stellate cells (PSCs). Although the cell death induced in PSCs was non-immunogenic as seen by the lack of danger-associated molecular patterns (DAMPs) emission and DC activation, I showed that pPBS could disrupt the physical barrier and lower the immunosuppressive secretion profile (lower TGF-β) of PSCs. In contrast, DAMPs were released by PCCs after treatment with pPBS which resulted in activation and maturation of DCs and a more immunostimulatory secretion profile (higher TNF-α, IFN-γ). Hence, indirect plasma treatment via pPBS has the potential to enhance immunogenicity in PDAC by triggering ICD and by attacking the immunosuppressive PSCs. Tumor cells can evolve adaptation mechanisms to protect themselves against intrinsic oxidative stress by upregulation of pro-survival molecules and their antioxidant defense system to maintain the redox balance. As such, tumor cells can become resistant towards exogenous ROS-inducing therapies, like plasma. Dual targeting of the redox balance of tumor cells by increasing exogenous levels of ROS and inhibiting the antioxidant defense system can maximally exploit ROS-mediated cell death mechanisms as therapeutic anticancer strategy. In this regard, cold atmospheric plasma was combined with auranofin, a thioredoxin reductase inhibitor, in GBM (chapter 4). A synergistic effect was shown after this combination treatment in 2D and 3D, however, in 3D only high concentrations of auranofin synergized with plasma treatment. I confirmed a ROS-mediated response after combination treatment, which was able to induce distinct cell death mechanisms, specifically apoptosis and ferroptosis. Additionally, the auranofin and plasma combined treatment strategy induced cell death, which resulted in an increased release of DAMPs. Together with the observed DC maturation, these results indicates the potential increase in immunogenicity, though, the phagocytotic capacity of DCs was inhibited by auranofin. In chapter 5, I evaluated this promising oxidative stress combination therapy in GBM, in vivo. A decrease in tumor kinetics and an increased survival in GBM-bearing mice was observed when auranofin was sequentially combined with direct plasma treatment. No T cell infiltration was observed after auranofin monotherapy. However, further characterization of the TME after the combination therapy is necessary to provide more insight in the immunogenic effects in vivo. In conclusion, this PhD dissertation comprises novel and important therapeutic and immunogenic insights in cold atmospheric plasma and auranofin as promising oxidative stress-mediated treatment strategies for low immunogenic tumors, like PDAC and GBM. These preclinical results provide a solid basis for future research towards combinations with immunotherapeutic approaches.