Elektroporacija v biologiji, biotehnologiji in medicini

Elektroporacija je uveljavljena metoda za povečanje prepustnosti celične membrane. Njen širok spekter aplikacij sega na različna področja, kot so medicina, biotehnologija, živilska tehnologija in okoljske znanosti. Eksperimentiranje s širokim razponom parametrov uporabljenih električnih pulzov je v preteklosti privedlo do odkritja in razvoja številnih tehnoloških postopkov in načinov zdravljenja, ki temeljijo na elektroporaciji. Ti vključujejo zdravljenje raka, gensko terapijo, ablacijo tkiva, zlivanje celic, pripravo in predelavo živil in čiščenje vode, če naštejemo le nekatere. Poznavanje mehanizmov elektroporacije celične membrane, posledičnega transporta molekul preko membrane in drugih spremljajočih pojavov je še vedno nepopolno. Velika večina protokolov elektroporacije, ki se uporabljajo v biomedicini, živilski tehnologiji in biotehnologiji, je še vedno opredeljenih zgolj empirično, zaradi česar se pojavlja očitna potreba po boljšem razumevanju samih mehanizmov elektroporacije in spremljajočih pojavov. Šele temeljito poznavanje mehanizmov bo omogočilo nadaljnji razvoj in optimizacijo protokolov ter s tem izpopolnitev biotehnoloških postopkov in načinov zdravljenja, ki temeljijo na elektroporaciji. Raziskovalna skupina, ki predlaga ta raziskovalni program, je že več kot desetletje ena vodilnih skupin na svetu na področju elektroporacije, kar dosega tudi zaradi svoje izrazite interdisciplinarne sestave. Ta zakladnica znanj z različnih področij daje skupini edinstveno prednost, saj se raziskav na področju elektroporacije in z njo povezanih aplikacij v skupini lotevamo iz različnih zornih kotov. Poleg eksperimentalnega dela naše aktivnosti vključujejo sočasen razvoj strojne opreme in matematičnih modelov na različnih ravneh biološke kompleksnosti: od lipidnih dvoslojev, veziklov, preko biološke celice, do tkiv in organov. Pri tem uporabljamo obstoječe laboratorije in različne prototipe naprav za elektroporacijo. V predlaganem programu bodo skupna prizadevanja naše interdisciplinarne ekipe posvečena nadaljnjemu odkrivanju osnovnih mehanizmov elektroporacije z namenom izboljšanja obstoječih biotehnoloških postopkov in načinov zdravljenja, kot tudi razvoju novih aplikacij, ki temeljijo na elektroporaciji.

Predlagani raziskovalni program temelji na dosedanjih izkušnjah in dosežkih. S svojim delom in prizadevanji skupina razvija nova znanja in veščine, ki izboljšujejo sposobnost identifikacije in reševanja zapletenih problemov vsakega člana kot posameznika in tudi skupine. Novo znanje in veščine so pomembne za napredovanje znanosti o elektroporaciji in razvoj novih ter za izboljšanje obstoječih tehnologij in postopkov, ki temeljijo na elektroporaciji. Poleg tega se znanje in spretnosti o razviti posebni metodologiji in tehnologiji lahko preneseta na druga področja. Prispevek k znanosti je razviden iz številnih publikacij, ki so jih člani skupine objavili v znanstvenih revijah in predstavitvah na znanstvenih konferencah, medtem ko je prispevek članov k stroki razviden iz objave več znanstvenih knjig in poglavij ter drugega učnega gradiva. Genska terapija je obetaven pristop za številne bolezni, za katere zaenkrat ni uspešnih metod zdravljenja. Elektroporacija, kot nevirusna metoda za vnos genov ima številne prednosti pred virusnimi metodami. Eden izmed naših pomembnejših ciljev je izboljšava učinkovitosti vnosa genskega materiala z elektroporacijo z razvojem ustrezne inštrumentacije in protokolov. Z nadaljnjim razvojem terapij na osnovi elektroporacije nameravamo izboljšati učinkovitost minimalno invazivnih terapij, kot sta elektrokemoterapija (EKT) in ireverzibilna elektroporacija (IRE). Posvečali se bomo tudi zdravljenju globoko ležečih tumorjev in poskušali omogočiti učinkovito zdravljenje pri vrstah raka s slabo prognozo in pomanjkanjem učinkovitih terapij, kot so kostne metastaze, rak trebušne slinavke in možganski tumorji. Pomemben prispevek na tem področju bo nadaljevanje razvoja individualiziranega načrtovanja zdravljenja za EKT globoko ležečih tumorjev in razvoj novih elektrod ter elektroporacijskih komor. Z napredkom obstoječih in z razvojem novih tehnologij in terapij na osnovi elektroporacije bomo ustvarili nova znanja, ki bodo omogočila popolnejše razumevanje elektroporacije od nivoja membrane do nivoja tkiv in organov. To znanje bomo vključili v matematične modele, ki bodo omogočili usmerjen in bolj učinkovit razvoj procesov, terapij in postopkov, kar bo imelo za posledico boljšo ponovljivost raziskav, robustnejše industrijske procese in uspešnejše klinične postopke.

Rezultati, pridobljeni v okviru predlaganega programa, bodo prispevali k razvoju znanosti in stroke, prispevali k nastajanju novih proizvodov in tehnologij, ter prispevali k razvoju in bodo omogočili uvajanje novih metod, tehnologij in postopkov zdravljenja v Republiki Sloveniji. Ponujene bodo nove možnosti za usposabljanje študentov in raziskovalcev ter za obsežno izmenjavo študentov in osebja preko obstoječih odličnih mednarodnih povezav skupine. Vsakoletna organizacija mednarodne znanstvene delavnice in podiplomske šole Electroporation-based Technologies and Treatments v Slovenijo še naprej privablja vrhunske predavatelje, raziskovalce in podiplomske študente s celega sveta. Rezultati raziskovalne skupine so že v preteklosti ustvarjali neposredne koristi za domača in tuja podjetja, sodelovanje z njimi pa bomo ohranjali tudi v prihodnosti. Številne tehnologije in postopki, ki temeljijo na elektroporaciji, lahko družbi prinesejo velike koristi za zdravje. Med najpomembnejšimi so zdravljenje srčnih aritmij, onkologija in gensko cepljenje. Raziskovalni program je bil aktivno vključen v razvoj metod in načinov zdravljenja onkoloških terapij, v zadnjem obdobju financiranja pa se je vključil tudi v vrhunska prizadevanja za uporabo elektroporacije v kardioloških laboratorijih po vsem svetu. V kardiologiji se pričakuje, da bo ireverzibilna elektroporacija postala prevladujoča metoda za katetrsko zdravljenje srčnih aritmij, s čimer se bosta izboljšali tako varnost kot tudi učinkovitost ablacijskih terapij. Izkazalo se je, da več razvojnih dosežkov na področju onkologije ponuja možnosti ozdravitve pri bolnikih, ki so jim prej lahko nudili le paliativno oskrbo. Elektroporacija bo tudi izjemno pomembna pri napredku genske terapije, ki je odvisna od uspešnega razvoja nevirusnih vektorjev dostave, med katere sodi tudi elektroporacija.