Projekti / Programi
Numerični modeli elektroporacije kože kot načina za omogočanje vnosa učinkovin v telo preko kože in genske transfekcije kože
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.07 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Biomedicinska tehnika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T115 |
Tehnološke vede |
Medicinska tehnologija |
elektroporacija, elektropermeabilizacija, numerično modeliranje, metoda končnih elementov, vnos genov v kožo, transdermalni vnos zdravil, mikroelektrode
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
20822 |
dr. Nataša Pavšelj |
Sistemi in kibernetika |
Vodja |
2007 - 2008 |
82 |
Organizacije (1)
Povzetek
Membrana biološke celice v splošnem ni prepustna za večje molekule, ob prisotnosti zadosti visokega električnega polja pa pride do elektroporacije celične membrane, katere prepustnost se začasno poveča in omogoči molekulam, kot so nekatere zdravilne učinkovine ali DNK, vstop v celično notranjost. Elektroporacijo lahko uporabljamo za ustvarjanje novih poti skozi stratum corneum, za povečanje vnosa zdravilnih učinkovin skozi kožo. Nadalje, uporaba električnih pulzov poveča vnos genov v celice po predhodnem intradermalnem vnosu ali površinskem nanosu genskega materiala – koža je tudi izredno zanimiv ciljni organ za gensko terapijo. Potek elektropermeabilizacije v koži bomo opisali z numeričnimi modeli, pri čemer se bomo opirali na meritve, pridobljene v poskusih in vivo, ki so bili opravljeni v okviru naših preteklih raziskav. Pri tem bomo upoštevali plastovito strukturo kože in spremembe specifičnih prevodnosti plasti kože med elektroporacijo, na kar kažejo poskusi in vivo. Elektroporacijo kože in s tem povezan povečan molekularni transport skozi stratum corneum bomo obravnavali tudi z mikroskopskega vidika. Teorijo lokaliziranega povečanega molekularnega transporta v takoimenovanih lokalnih transportnih področjih (angleško local transport regions – LTR) in njihovo povečanje zaradi ohmskega segrevanja bomo opisali z numeričnimi modeli, pri čemer bomo pri modeliranju uporabljali metodo sklapljanja električnih in toplotnih veličin. Prav tako nam bo numerično modeliranje v pomoč pri postavitvi smernic za razvoj novega koncepta elektrod, namenjenih za vnos zdravilnih učinkovin skozi kožo in gensko transfekcijo kože. Ta neinvazivna metoda temelji na ideji, da je za povečanje prepustnosti kože dovolj, da predremo le tanko zunanjo plast, stratum corneum, kar lahko storimo s skupkom v polje razvrščenih mikroigelnih elektrod, ki zaradi nizke globine penetracije ne dosežejo živčnih končičev in tako ne povzročijo bolečine. Numerični modeli nam bodo pomagali bolje razumeti proces elektropermeabilizacije kože in nam tako omogočili napovedovanje izida elektroporacije že pred in vivo aplikacijo pulzov ter optimizacijo/izbiro pravih protokolov, parametrov pulzov in makro- ter mikro-elektrod.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati projekta podajajo teoretično razlago procesa elektropermeabilizacije kože, in naših opazovanj med poskusi in vivo. Poskusi so pokazali, da tudi z uporabo zunanjih ploščatih elektrod dosežemo zadosti visoko električno polje in s tem uspešno permeabilizacijo celic v nižjih plasteh kože, kljub temu, da je zaradi razmerja med specifičnimi upornostmi plasti kože ves padec napetosti pričakovati na zunanji plasti, stratum corneum-u. Ob aplikaciji električnih pulzov namreč povzročimo permeabilizacijo te plasti, kar ima za posledico znižanje električne upornosti stratum corneum-a. Porazdelitev padcev napetosti in s tem električne poljske jakosti se tako spremeni in zadosti visoko električno polje doseže tudi nižje plasti kože, ciljne za vnos genov. Ta proces smo opisali z numeričnimi modeli in s tem prispevali k boljšemu razumevanju procesa elektropermeabilizacije kože.
Nadalje, poskusi drugih raziskovalcev kažejo na lokaliziran molekularni vnos skozi in v kožo po elektroporaciji. Zgradili smo numerični model kože z lokalnimi transportnimi področji (angleško local transport regions - LTRs) vključenimi v stratum corneum, s pomočjo podatkov o velikosti, gostoti in električnih lastnosti LTR-jev, ki jih najdemo v literaturi. Te modele smo nadgradili z vključitvijo termičnih pojavov, ki nastopajo med elektroporacijo tkiva, zaradi rezistivnega segrevanja. Tako smo opisali nelinearni proces elektropermeabilizacije kože z vidika makroskopskih sprememb prevodnosti tkiva in prisotnosti lokalnih transportnih področij (LTR) v permeabiliziranemu stratum corneum-u. Opažanja, pridobljena iz poskusov in vivo različnih avtorjev so bile tako potrjene tudi teoretično. Zgrajeni numerični modeli, nadalje izboljšani in potrjeni z novimi poskusi, bodo uporabljeni za simulacijo procesa elektroporacije kože, kot tudi drugih tkiv. Modeli nam omogočajo napovedovanje izida terapije in nam pomagajo pri optimizaciji/izbiri najbolj učinkovitih protokolov in parametrov pulzov. S pomočjo numeričnih modelov lahko tudi načrtujemo različne geometrije elektrod in optimiziramo njihovo postavitev glede na ciljno tkivo tako za vnos genskega materiala v celice kože kot tudi vnos zdravilnih učinkovin preko kože.
V projektu smo se ukvarjali tudi z načrtovanjem mikroigelnih elektrod za vnos genov v kožo in vnos zravilnih učinkovin preko kože ter optimizcijo takšnih elektrod. Modelirali smo različne geometrije nizov mikroigelnih elektrod in jih med seboj primerjali, ter tako iskali najugodnejšo geometrijo v smislu povečanja volumna permeabiliziranega tkiva, ob hkratnem zmanjšanju volumna tkiva ki je permeabilizirano ireverzibilno. S pomočjo modelov smo postavili smernice za obliko in dimenzije mikroelektrod in njihovo postavitev v polje, v okviru tekočega projekta ANGIOSKIN (LSHB-CT-2005-512127) 6. Okvirnega programa, ki obravnava gensko transfekcijo kože s pomočjo elektroporacije Izsledke smo uporabili v namene izdelave prototipa elektrod, v okviru tehnoloških omejitev.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati predlaganih raziskav bodo uporabljeni v širšem kontekstu raziskav na področju elektrokemoterapije ter vnosa genov in zdravilnih učinkovin v kožo z elektroporacijo. So nadaljevanje preteklih raziskav vodje projekta in raziskovalne skupine v kateri deluje, Laboratorija za biokibernetiko na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, ki je tako v evropskem kot tudi v svetovnem merilu ena od vodilnih skupin na področju raziskav in uporabe elektroporacijskih terapevtskih metod in tehnologij. Nadaljevanje aktivnega sodelovanja slovenskih znanstvenikov na področju razlage in uporabe elektroporacije pomeni pomembno priznanje kvaliteti slovenske znanosti in tudi v prihodnje zagotavlja stik z vodilnimi znanstveniki na tem znanstvenem področju. Nadalje pomenita pridobljeno znanje in tehnološke rešitve priložnost slovenskim podjetjem za sodelovanje pri izdelavi novih tehnologij. Sodelovanje s podjetjem Iskra Medical, enim od vodilnih evropskih proizvajalcev medicinske opreme za fizioterapijo, rehabilitacijo, dermatologijo in kozmetične salone je bila v času trajanja projekta že vzpostavljena. Z razvojem naprav, ki v sebi združujejo teoretične in eksperimentalne potrditve ter temeljijo na izsledkih, objavljenih v znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva, želi namreč podjetje svojim izdelkom zagotoviti visoko dodano vrednost in si s tem povečati konkurenčnost na trgu.
Izsledki projekta bodo uporabljeni tudi v namene univerzitetnega in podiplomskega izobraževanja, saj je projekt potekal na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
