Projekti / Programi
Vpliv različnih tipov nanodelcev na živčne celice in makrofage - analiza kratkoročnih in dolgoročnih posledic na celični stres, diferenciacijo in celično signaliziranje
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.00 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T490 |
Tehnološke vede |
Biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.04 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Medicinska biotehnologija |
nanodelci, nevrotoksikologija, nevrodegeneracija, celično signaliziranje, kancerogenost, diferenciacija
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
34385 |
dr. Jasna Lojk |
Metabolne in hormonske motnje |
Vodja |
2017 - 2019 |
68 |
Organizacije (1)
Povzetek
V zadnjih letih se je naša izpostavljenost okoljskim in industrijskim nanodelcem (ND) zelo povečala, predvsem na račun vse večje onesnaženosti okolja in povečane uporabe različnih industrijskih ND v potrošniških produktih. Taki ND lahko vstopijo in se v telesu kopičijo ter s tem povzročajo različne zdravstvene težave, kot so to pokazale številne in vivo in epidemološke študije. Predvsem problematičen organ za akumulacijo ND so možgani, saj so delno privilegirano imunsko območje, imajo nizke regenerativne sposobnosti, visoko vsebnost lipidov in visoko metabolno aktivnost, zaradi česar so zelo občutljivi na oksidativni stres. Kljub temu pa obstajajo še številna odprta vprašanja o mehanizmih nevrotoksičnosti ND, še posebej o posledicah dolgotrajne izpostavljenosti, ki bi lahko vodila v rakave in nevrodegenerativne spremembe. Poleg tega so številne študije pokazale tudi, da ND toksičnosti ne povzročajo le preko direktnih poškodb, ampak tudi preko bolj subtilnih sprememb, kot so spremembe v celičnem signaliziranju. Na žalost raziskave potencialnih toksičnih vplivov ND zaostajajo za hitrim industrijskim razvojem in komercializacijo nanotehnologije.
V okviru tega podoktorskega projekta bomo analizirali potencialne mehanizme toksičnosti izbranih relevantnih industrijskih tipov ND (SiO2, TiO2 P25, food-grade TiO2, srebrovi ND) v humanem nevralnem celičnem modelu in vitro. Poleg splošnih mehanizmov toksičnosti ND (celična viabilnost, ROS, apoptoza, analiza celičnega cikla, mitohondrijski stres) bomo analizirali tudi interakcije med celicami in ND na morfološkem nivoju (poti privzema, znotrajcelično potovanje in znotrajcelična usoda ND) ter morebitne z ND sprožene spremembe v celičnem signaliziranju. Osredotočili se bomo na signalne poti povezane s stresnim in imunskim odzivom (npr. NF-κB, c-JUN, AP-1, Nrf-2, JNK) in karcinogenezo (npr. HIF-1, mTOR, MAPK, PI3K, p53). Poleg tega bomo uporabili in vitro nevralni model diferenciranih celic, ki nam bo omogočil analizo posledic dolgotrajne izpostavljenosti ND na celično diferenciacijo, morebitne nevrodegenerativne spremembe preko sprememb v znotrajcelični lokalizaciji in topnosti proteinov povezanih z nevrodegenerativnimi boleznimi (npr. tau, α-synuclein, FUS, TDP-43) ter morebitne rakave spremembe (nastanek mikrojeder, večjedrnih celic ter kronične spremembe v celični signalizaciji) v humanem nevralnem celičnem modelu in vitro. Že izvedena temeljita karakterizacija teh ND nam bo tudi omogočila, da dobljene celične odzive analiziramo v povezavi s fizikalno-kemijskimi lastnostmi uporabljenih ND.
S tem projektom želimo doprinesti k boljšemu razumevanju mehanizmov toksičnosti ND na nevralnih celicah po kratkotrajnih in dolgotrajnih izpostavitvah, predvsem vpliv ND na diferenciacijo in morebitne rakave in nevrodegenerativne spremembe. Analiza nevrotoksičnosti specifičnih industrijskih tipov ND nam bo omogočila tudi boljše razumevanje povezave med fizikalno-kemijskimi lastnostmi ND, njihovimi mehanizmi toksičnosti in morebitnimi spremembami v aktivnostih signalnih poti, ki bi lahko imele škodljive posledice za celice in tkiva in vivo, ter nam tako pomagala prepoznati morebitne nevarnosti povezane z industrijskimi ND, ki se pogosto uporabljajo v industrijskih in potrošniških produktih.
Pomen za razvoj znanosti
S starajočo populacijo in povečano incidenco nevrodegenerativnih in rakavih bolezni je poznavanje nevrotoksičnosti ND in njihove potencialne vpletenosti v te patološke procese nujno, a pomanjkljivo. Tekom tega projekta želimo analizirati potencialno toksičnost izbranih tipov industrijskih ND na celičnem modelu nevralnih humanih celic in vitro, udeležene mehanizme toksičnosti, vpliv ND na celično signaliziranje in posledice dolgotrajne izpostavljenosti ND na celice s fokusom na nevrodegenerativne in rakave spremembe in vitro. Industrijski ND, ki jih bomo uporabili v tem projektu (SiO2, TiO2, srebrovi ND) so bili izbrani kot tipi ND, ki se pogosto nahajajo v različnih potrošniških produktih kot je hrana, embalaža, ličila, oblačila in različne antibakterijske prevleke in s katerimi pogosto prihajamo v stik.
Pred kratkim objavljena študija je potrdila prisotnost magnetitnih ND iz izpušnih plinov v možganih pacientov z Alzheimerjevo boleznijo, vse več epidemoloških študij pa nakazuje, da bi okoljski ND lahko bili eden od možnih vzrokov pojava nevroloških obolenj. Na žalost pa mehanizmi, preko katerih ND lahko sprožijo nevrodegenerativne spremembe niso dobro poznani. Do sedaj je bila le peščica dolgoročnih in vitro študij narejena na nevralnih celičnih modelih. V okviru tega projekta želimo izvesti študijo dolgoročnih vplivov ND na diferenciranih, nedelečih se humanih nevralnih celicah, s čimer se bomo približali razmeram in vivo, model pa nam bo omogočil analizo vpliva dolgoročne izpostavljenosti in znotrajcelične akumulacije ND na diferenciacijo celic ter pojav potencialnih nevrodegenerativnih in rakavih sprememb in vitro. Analiza mehanizmov toksičnosti ND v kombinaciji z njihovimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi bi lahko tudi nakazala, katere lastnosti ND so povzročile opažene spremembe na celicah.
Poleg tega so študije v zadnjih letih pokazale tudi, da ND lahko vplivajo na celično signaliziranje, vključno s signalnimi potmi udeleženimi pri odgovoru na celični stres, imunskem odzivu ter rakavimi spremembami. Temeljita analiza aktivnosti teh ključnih signalnih poti bo izboljšala naše razumevanje molekularnih mehanizmov, preko katerih izbrani industrijski ND vplivajo na delovanje nevralnih celic in vitro.
Izvedba tega projekta nam bo omogočila:
- - - določiti mehanizme toksičnosti v prehrani, kozmetiki in drugih proizvodih pogosto uporabljenih industrijskih tipov ND (TiO2, SiO2, srebrovi ND) na nevralnem celičnem modelu in vitro v povezavi z njihovimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi;
- - sistematično analizirati vplive izbranih tipov ND na spremembe v celičnem signaliziranju nevralnih celic v povezanim s stresnim in imunskim odzivom, rakavimi spremembami;
- - analizo morebitne posredne toksičnosti posredovane preko medceličnega komuniciranja;
- - določiti mehanizme toksičnosti ND ob dolgotrajnih izpostavitvah s poudarkom na sposobnosti ND da povzročijo nevrodegenerativne in rakave spremembe v nevralnem celičnem modelu in vitro.
Pomen za razvoj Slovenije
Neprestano smo izpostavljeni vse bolj raznolikim in vse višjim koncentracijam ND, bodisi preko vse večje onesnaženosti okolja ali preko uporabe potrošniških in biomedicinskih produktov, ki vsebujejo industrijske ND. Ne glede na to pa je poznavanje morebitnih negativnih posledic take izpostavitve še vedno slabo. Pokazali so, da nerazgradljivi ND lahko po več poteh vstopijo v možgane in se brez učinkovitih možnosti za njihovo odstranitev tam akumulirajo, ter tako dolgo obremenjujejo celice. Celični stres in vnetja živčnega tkiva pa so eden od mehanizmov, ki vodijo v patološke nevrodegenerativne in rakave spremembe v možganih.
S tem podoktorskim projektom želimo doprinesti k boljšemu razumevanju mehanizmov toksičnosti ND po kratko- in dolgoročnih izpostavitvah nevralnim celičnim modelom in vitro s poudarkom na z ND sproženimi spremembami v celičnem signaliziranju in sposobnosti ND da povzročijo nevrodegenerativne in rakave spremembe v nevralnem celičnem modelu po dolgotrajni izpostavitvi. To znanje je pomembno, saj nam bo pomagalo boljše razumeti nevarnosti industrijskih ND, katerim smo vsak dan izpostavljeni, in sprejeti ustrezne ukrepe za zmanjševanje nevarnosti (bolj strogi predpisi za uporabo ND in njihovo sproščanje v okolje, izboljšane varnostne smernice) ter zdravljenje morebitnih posledic (novi pristopi k zdravljenju na osnovi boljšega razumevanja mehanizmov toksičnosti ND). Dodatno znanje nam bo tudi pomagalo boljše razumeti morebitno povezavo med povečano izpostavljenostjo ND v zadnjih desetletjih in povečano incidenco nevrodegenerativnih in rakovih bolezni.
Humani nevralni celični in vitro model in protokoli za analizo dolgoročnih mehanizmov toksičnosti ND bi lahko predstavljali dodatno metodologijo za ovrednotenje potencialne nevrotoksičnosti novih formulacij ND pred njihovim prenosom v in vivo. Raziskovalno delo bo izvedeno tako, da se bomo kar se da približali in vivo razmeram ter tako olajšali prenos znanja iz in vitro v in vivo.
Del projekta bo izveden v tujini v nevrobiološkem laboratoriju. Nosilka projekta, ki deluje na področju biologije in nanotoksikologije bo tako lahko svoje znanje in izkušnje razširila tudi na komplementarno medicinsko področje. To nam bo omogočilo tudi vzpostaviti nova sodelovanja s tujimi raziskovalnimi skupinami, dostop do novih raziskovalnih tehnik in izmenjavo idej z drugimi raziskovalnimi smermi.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
