Projekti / Programi
Neinvazivna metoda za permeabilizacijo celične membrane s pulzirajočim elektromagnetnim poljem
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.00 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T115 |
Tehnološke vede |
Medicinska tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.06 |
Tehniške in tehnološke vede |
Zdravstveni inženiring |
elektroporacija, elektromagnetno polje, in vitro poskusi, in vivo poskusi, numerično modeliranje
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
Če celico izpostavimo električnemu polju ustrezne jakosti in trajanja, pride do povečanja prepustnosti celične membrane. Ta pojav imenujemo elektroporacija, ki jo lahko s pridom izkoristimo za vnos molekul v celico, ki drugače ne morejo ali slabo prehajajo skozi membrano. Z elektroporacijo lahko v celice v pogojih in vitro ali in vivo vnesemo zdravilne učinkovine, med njimi tudi kemoterapevtike in DNK. Pri vseh aplikacijah elektroporacije je potreben neposreden stik med elektrodami in tretirano snovjo, to je bodisi preko ploščatih elektrod, ki objamejo tkivo ali preko invazivnih elektrod, ki so vstavljene v tkivo. Uporaba invazivnih elektrod, kot npr. igelnih elektrod, ki so najučinkovitejše pri elektroporaciji različnih tkiv, povzroča tudi številne nevšečnosti, ki so skupne vsem invazivnim postopkom, npr. potrebo po zagotavljanju sterilnosti in morebitne rane, ki jih povzročijo vbodi elektrod. Poleg tega se pojavijo dodatni neželeni učinki tudi zaradi uporabe električnih pulzov.
Nedavno je bila predlagana nova metoda permeabilizacije celične membrane s pulzirajočim elektromagnetnim poljem. Pulzirajoče elektromagnetno polje inducira povečano prepustnost celične membrane podobno kot običajna elektroporacija, le da se električno polje vzpostavi neinvazivno preko časovno sprejemljivega magnetnega polja. Trenutno je električno polje, ki ga inducira časovno spremenljivo magnetno polje, v primerjavi z električnim poljem, ki se vzpostavi pri običajni elektroporaciji za reverzibilno elektroporacijo membrane, nižja za več redov velikosti. Posledično je učinkovitost pulzirajočega elektromagnetnega polja nižje od običajne elektroporacije. Kljub temu so rezultati različnih študij pokazali, da je povečana prepustnost membrane s pulzirajočim elektromagnetnim poljem možna tako v pogojih in vitro kot tudi in vivo, kjer je elektromagnetno polje posredovalo pri vnosu majhnih molekul v celice kot tudi večjih funkcionalnih molekul.
Zaradi neznane odvisnosti pulzirajočega elektromagnetnega polja od permeabilizacije celične membrane je potrebno nadaljevati z raziskavami vpliva dovedenega elektromagneta polja na celice in tkiva. Predlagani projekt je prvi poskus sistematičnega raziskovanja pojava permeabilizacije celične membrane z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja s pomočjo in vitro in in vivo poskusov v kombinaciji s teoretično in numerično analizo. V projektu bomo raziskali vpliv različnih parametrov magnetnih pulzov na celično membrano, razvili nove aplikatorje magnetnih pulzov in raziskali možnost vnosa funkcionalnih molekul v celice z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja.
V projektu bomo najprej določili tako magnetno kot električno polje, ki se vzpostavi v celičnih suspenzijah in v tkivih med aplikacijo pulzirajočega elektromagnetnega polja. Določili ju bomo s pomočjo numeričnega modela, ki ga bomo zgradili iz geometrije aplikatorja in tretiranega objekta, tj. celična suspenzija ali tkivo. Osredotočili se bomo na razvoj novih geometrij aplikatorjev magnetnih pulzov. Ovrednotili bomo različne geometrijske razporeditve tuljav aplikatorjev, ki se uporabljajo v poskusih in vitro, pa tudi za in vivo. Ko bomo nove geometrije tuljav preizkusili v numeričnem modelu, bomo najprimernejše tudi izdelali in uporabili v in vitro in in vivo poskusih v nadaljevanju projekta. Ocenili bomo permeabilizacijo celične membrane celičnih suspenzij izpostavljenih pulzirajočemu elektromagnetnemu polju in določili parametre magnetnih pulzov, s katerimi bomo dosegli največjo permeabilizacijo celic. Z uporabo teh parametrov magnetnih pulzov bomo izvedli vnos citotoksične spojine in nukleinskih kislin v celice. V zaključku projekta bomo analizirali in izboljšali protitumorsko učinkovitost pulzirajočega elektromagnetnega polja kot sistema za vnos zdravil s citotoksičnimi spojinami v tumorje miši in raziskali izvedljivost genske transfekcije za vnos majhnih in velikih molekul v tkiva in vivo z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja.
Pomen za razvoj znanosti
Na podlagi dokaza o konceptu, ki smo ga pred kratkim predstavili, bo projekt omogočil nadaljnji razvoj neinvazivne tehnike permeabilizacije celične membrane z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja. Čeprav je tehnika nova, so njeni rezultati že pridobili precejšnjo pozornost na znanstvenem področju, ki preučuje pojav elektroporacije. Kljub temu je potrebno tehniko izboljšati, da bi postala tako uveljavljena in učinkovita kot običajna elektroporacija. Menimo, da je to mogoče doseči s predlaganim projektom, ki nam bo omogočil sistematično raziskovanje pojava permeabilizacije celične membrane skozi in vitro in in vivo eksperimentiranje v kombinaciji s teoretično in numerično analizo. Predlagani projekt bo omogočil izboljšavo in razvoj novih aplikatorjev magnetnih pulzov in vzpostavil nove protokole za neinvaziven vnos različnih molekul v celice s pomočjo pulzirajočega elektromagnetnega polja. S tem bi pridobili dovolj novega znanja in izkušenj, da bi se lahko v prihodnosti potegovali za večji mednarodni projekt.
Posredni pomen projekta je tudi uporaba izsledkov v učnih procesih dodiplomskega in podiplomskega izobraževanja v Sloveniji, saj bodo raziskave potekale tudi na Univerzi v Ljubljani. Na ta način bodo v projekt vključeni tudi študenti z izdelavo diplomskih nalog, Prešernovih in Krkinih nagrad. Projekt se bo izvajal tudi s pomočjo mladih raziskovalcev, ki so vključeni v projektno skupino, in bodo imeli s sodelovanjem na projektu dostop do vrhunskega znanja. Izsledki raziskovalnega projekta bodo predstavljeni na domačih in mednarodnih konferencah, poletnih šolah in v obliki znanstvenih člankov. To vse predstavlja promocijo naše države kot visoko tehnološke družbe z inovativnim znanjem.
Pomen za razvoj Slovenije
Based on the proof of concept that we provided recently, the project will enable further development of non-invasive technique for cell membrane permeabilization using pulsed electromagnetic fields. Even though the technique is new, its results have already gained considerable attention in the scientific field of electroporation. Still, improvement of technique is needed in order to make it as established and efficient as conventional electroporation. We believe this is achievable through proposed project which will enable us to systematically explore the phenomenon of membrane permeabilization using pulsed electromagnetic fields through in vitro and in vivo experimentation combined with theoretical and numerical analysis. Proposed project would enable improvement and development of new magnetic pulse applicators and determine possibility of different molecules being loaded into cells by means of pulsed electromagnetic fields. This would allow us to generate sufficient body of evidence and experience to be able to apply for larger international project.
Indirect impact of the project for society will be the use of results of the project in undergraduate and postgraduate studies in Slovenia, as well as on international level. Since part of the research will be done at University of Ljubljana, students will be involved in research and their results used in their graduation thesis and doctoral thesis. The research results will be presented at national and international conferences, summer schools and in the form of scientific papers. All this will be international promotion of Slovenia, as a high technological society with innovative knowledge.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
