Projekti / Programi
Anizotropni magnetni nanodelci za magneto-mehansko zdravljenje raka
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.10 |
Tehniške in tehnološke vede |
Nanotehnologija |
Zdravljenje raka, nanobiomedicina, magnetni nanodelci, magneto-mehanski učinek, testiranje in-vitro
Raziskovalci (23)
Organizacije (3)
Povzetek
Metode zdravljenja raka osnovane na internalizaciji nanodelcev v tumorsko tkivo, kot je magnetna hipertermija, so se v kliničnih raziskavah izkazale za uspešne, hkrati pa so se pokazale določene pomanjkljivosti. Magnetna hipertermija temelji na pregrevanju malignega tkiva s pomočjo relaksacije magnetizacije nanodelcev v izmeničnem magnetnem polju relativno visoke frekvence okoli 100 kHz. Kot pomembna ovira pri vpeljavi metode v zdravstveni sistem se je izkazala visoka cena, t.i. magnetnega aplikatorja, ki je zmožen proizvesti zahtevano magnetno polje. Osnovni problem obstoječe metode pa je povezan z načinom dostave nanodelcev, ki temelji na vbrizgavanju nanodelcev v tumorsko tkivo. Kot alternativo bi lahko uporabljali sistemsko aplikacijo in ciljano dostavo nanodelcev v tumorsko tkivo s pomočjo afinitetnih ligandov, vendar pa na ta način v tumorju ni možno zagotoviti dovolj visokih koncentracij nanodelcev. Da bi bilo zdravljenje uspešno tudi pri nizkih koncentracijah nanodelcev v tumorju, je potrebno močno izboljšati učinkovitost prenosa magnetne energije na celice.
V projektu predlagamo razvoj povsem novega koncepta zdravljenja raka na osnovi pretvorbe energije elektromagnetnega polja nizkih frekvenc (od 1 Hz do 1 kHz) v mehansko energijo, ki jo izrabimo za uničenje rakavih celic. Če v magnetno polje postavimo anizotropen magnetni nanodelec, se ta poravna s smerjo apliciranega magnetnega polja. Rotacija nanodelca pod vplivom magnetnega polja povzroči prenos sile na okolico. Če je nanodelec na površini celice ali v njeni notranjosti, lahko prenos sile privede do mehanske poškodbe celice in njenega uničenja. Če je magnetno polje izmenično in dušenje ni premočno, lahko pričakujemo, da bo pri določeni frekvenci prišlo do resonance in povečanja magneto-mehanskega učinka. Bistvena razlika med našim pristopom in predhodnimi je v bolj učinkovitem prenosu vzbujalne magnetne energije preko anizotropnih magnetnih nanodelcev na celice. Razen za terapijo lahko take nanodelce izrabimo tudi za istočasno diagnostiko (teranostiko), saj predstavljajo zaradi svojega velikega magnetnega momenta kontrastno sredstvo za MRI, lahko pa jih tudi zaznamo z metodo MPI (magnetic particle imaging).
Orientacija nanodelca v magnetnem polju je lahko posledica anizotropije njegove magnetne strukture (magneto-kristalna anizotropija) ali njegove anizotropne oblike. V projektu se bomo ukvarjali z dvema tipoma magnetnih nanodelcev z različnim mehanizmom prenosa magnetne energije v mehansko: (i.) trdo magnetnimi nanoploščicami (50 - 120 nm široke, ~ 5 nm debele), in (ii.) podolgovatimi superparamagnetnimi (SPM) nanopalčkami (300 - 600 nm dolge, ~ 90 nm široke).
Za testiranje magneto-mehanskega učinka bomo razvili ustrezen magnetni aplikator. Učinkovitost nanodelcev bomo preverili in vitro na orjaških fosfolipidnih veziklih in različnih celicah: eritrocitih, kvasovkah in različnih rakavih celicah. Eksperimentalne raziskave bodo podkrepljene z teoretično obravnavo na osnovi numeričnih simulacij magneto-mehanskega učinka.
Cilj projekta je potrditev povsem novega koncepta zdravljenja. Rezultati projekta bodo bile optimalne lastnosti vzbujevalnega magnetnega polja (frekvenca, amplituda) in optimalne magnetne in morfološke lastnosti nanodelcev, ki bodo privedli do najbolj učinkovitega prenosa magnetne energija na celice. Razen tega bodo raziskave zelo pomembne za razumevanje interakcij med nanodelci in celicami, ki je temelj nanotoksikologije.
Pomen za razvoj znanosti
Cilj tega projekta je preveriti povsem nov koncept zdravljenja raka na osnovi magneto-mehanskega vzbujanja anizotropnih magnetnih nanodelcev v tumorju z izmeničnim magnetnim poljem. Po našem vedenju, magneto-mehanski učinek nanodelcev v tem smislu še ni bil raziskan. Učinek bomo raziskovali ob uporabi dveh tipov nanodelcev, trdo magnetnih nanoploščic in podolgovatih superparamagnetnih nanopalčk, kjer lahko pričakujemo dva povsem različna mehanizma prenosa magnetne energije v mehansko. Nanodelci uporabljeni v projektu izkazujejo izjemno morfologijo in magnetne lastnosti. Njihova sinteza je že omogočila nekaj pomembnih prebojev na področju različnih področij znanosti, na primer trdo magnetne nanoploščice so omogočile pripravo prvih magnetnih tekočih kristalov. Magneto-mehanski učinek bomo testirali s pomočjo originalnih pristopov ob uporabi različnih bioloških modelov. Vse skupaj daje projektu zelo veliko znanstveno originalnost. Projekt bo odprl nove horizonte v raziskavah zdravljenja rakavih obolenj. Po drugi strani pa je projekt osnovan na raziskavah interakcij med celicami in nanodelci in je zato splošno pomemben, tako za uporabo nanodelcev v medicini, kot za razumevanje vpliva proizvedenih nanodelcev na zdravje ljudi (nanotoksikologija). Možnost prenosa magnetne energije v mehansko pa je lahko zelo pomembna tudi v različnih tehnologijah. Raziskave v okviru projekta so pionirske in lahko sprožijo omogočil nadaljnje raziskave, na novih področjih uporabe magneto-mehanskega učinka anizotropnih magnetnih nanodelcev, v fiziki, elektrotehniki, kemijski procesni tehniki, biotehnologiji in medicini. Znanstvene rezultate bomo posredovali mednarodni znanstveni skupnosti v obliki vrhunskih znanstvenih člankov in predavanj na domačih in mednarodnih konferencah. Ob veliki aktualnosti raziskav na področju zdravljenja raka, novih atraktivnih nanomaterialih (kompozitne nanoploščice, nanopalčke sestavljene iz superparamagnetnih nanoskupkov), najsodobnejših metodah karakterizacije materialov (sodobne metode elektronske mikroskopije, kot je STEM-HAADF), interdisciplinarnemu pristopu pri testiranju nanomaterialov v bioloških sistemih, ter dodatni teoretični nadgradnji rezultatov, lahko pričakujemo objave v revijah z najvišjimi faktorji vpliva.
Pomen za razvoj Slovenije
Večji del raziskav v okviru projekta je usmerjen v sintezo, funkcionalizacijo in karakterizacijo magnetnih nanodelcev, nanostruktur in nanosuspenzij za uporabo v medicini. Metode, ki jih razvijamo za sintezo nanomaterialov ne zahtevajo drage opreme, saj temeljijo na originalnih znanstvenih pristopih in na poglobljenem poznavanju osnovnih kemijskih procesov. Metode zato omogočajo relativno enostaven prenos v industrijsko proizvodnjo. Znanje razvito v okviru projekta bo zanimivo za razvoj novih tehnologij, izdelkov in storitev pomembnih za slovensko industrijo. Čeprav so raziskave na področju medicine predvsem temeljne, dejanska uporaba pa precej oddaljena, je lahko pridobljeno znanje praktično pomembno v sodelovanju s slovenskimi farmacevtskimi podjetji in manjšimi podjetji specializiranimi za storitve na področju medicine. Raziskovalci Odseka za sintezo materialov, Instituta »Jožef Stefan« že vrsto let uspešno sodelujemo s tovarno Lek pri razvoju zdravil na osnovi nanodelcev. Iz Odseka izhajata dve odcepljeni podjetji, Nanos Sci. d.o.o. (http://nanos-sci.com/ ) in InoVine d.o.o. (http://www.ino-vine.com/ ), ki bosta posredno vključeni v projekt. Znanje pridobljeno v okviru projekta pa bo lahko osnova za ustanovitev novih podjetij.
Z razvojem nanotehnologije se tudi proizvaja ali uporablja vse več nanomaterialov. To pa odpira pomembna vprašanja o njihovem vplivu na zdravje in možni strupenosti. Raziskave interakcij med nanomateriali in biološkimi sistemi, posebno celicami, so zelo pomembne pri ovrednotenju strupenosti nanomaterialov (nanotoksikologija).
Predlagani projekt bo prispeval tudi k nadgradnji znanj pomembnih za druge programe in projekte, pri partnerjih projekta in širše. Znanje pridobljeno v okviru projekta se bo preneslo na raziskovalno sfero, industrijo in družbo, in bo posebno pomembno predvsem za slovenski zdravstveni sistem. V bližnji prihodnosti lahko pričakujemo, da bodo prišle v medicinsko prakso nove metode diagnostike in zdravljenja temelječe na uporabi nanotehnologij. Za vpeljavo teh novih metod v zdravstvo bo predvsem zelo pomembno znanje povezano z obvladovanjem nanodelcev in njihovih interakcij z biološkimi sistemi. Zanje pridobljeno v okviru projekta bomo razširjali, razen z znanstvenimi članki in predstavitvami na konferencah, tudi preko vključitve v izobraževalni sistem, predvsem na podiplomskem nivoju (vodilni raziskovalci projekta so vsi vključeni v pedagoški proces). Rezultate raziskav bomo razširjali tudi znotraj širše zainteresirane javnosti, s poljudnimi prestavitvami, preko medijev, internetnih orodij, kot je ResearchGate in z objavami na spletnih straneh sodelujočih raziskovalnih skupin.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
