Projekti / Programi
Analiza fukcionalizacije ter mobilnosti magnetnih nanodelcev in vitro za uporabo v biomedicinskih aplikacijah
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.21.00 |
Tehnika |
Tehnološko usmerjena fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.10 |
Tehniške in tehnološke vede |
Nanotehnologija |
Raziskovalci (9)
Organizacije (1)
Pomen za razvoj znanosti
Kvalitetna karakterizacija nanodelcev ter analiza v relevantnih bioloških medijih je ključna tako za razvoj nanobiotehnoloških in biomedicinskih aplikacij kot tudi za področje nanotoksikologije. Osnovni namen projekta je bilo razviti metode za karakterizacijo v bioloških pogojih, razumeti mehanizme agregacije ND v biološko relevantnih medijih, ter analizirati interakcijo z biološkimi sistemi. Na osnovi pridobljenega znanja sinteze, funkcionalizacije in karakterizacije ND ter osvojenih metod v okviru projekta smo v nadaljevanju izvedli razvoj ustrezno funkcionaliziranih multimodalnih MND (vizualizacija, vnos učinkovin, ciljna dostava). To nam skupaj z ustrezno karakterizacijo in boljšim razumevanjem interakcij med ND in biološkimi sistemi omogočilo razvoj biomedicinskih aplikacij na osnovi ND.
Kot izhodišče smo vzpostavili postopke priprave različnih MND v stabilnih suspenzijah, ki so bili uporabljeni za nadaljnjo funkcionalizacijo z različnimi biokompatibilnimi makromolekulami ter z dodatnimi funkcionalnimi učinkovinami (DNK, barvila…). Z lastnim magnetnim merilnim sistemom smo potrdili pomen mikrostrukture ND in primarnih aglomeratov na magnetno stanje sistema, kar je pomembno za uporabo takšnih ND na področju magnetne hipertermije. V prihodnosti bomo v sodelovanju s skupinami iz tujine preverili tudi potencial naših nanodelcev za metodo hipertermije.
S postavitvijo merilnega sistema za karakterizacijo MND smo poglobili razumevanje interakcij med MND in organskimi makromolekulami ter vpliv različnih parametrov (ionska koncentracija, pH) na stabilnost in uporabnost v biološko relevantnih medijih. Ugotovili smo, da prisotnost proteinov ter divalentnih ionov lahko ključno vpliva na destabilizacijo, zato je za uporabo MND v biomedicinske namene nujna karakterizacija v fiziološko relevantnih pogojih. Z razumevanjem mehanizmov destabilizacije lahko predvidimo efekte v različni medijih ter ustrezno prilagodimo protokole, zato so objavljeni rezultati širše zanimivi, saj predstavimo splošne mehanizme destabilizacije nanodelcev v biološko relevantnih medijih.
Postavili smo 3D in vitro model, ki v kombinaciji z numeričnim modelom omogoča analizo mobilnosti različnih MND v gelih pri različnih postavitvah zunanjih magnetov. Ta sistem je osnova za nadaljnje raziskave mobilnosti in usmerjanju MND v in vitro in in vivo sistemih, ki so v načrtu.
Postopki večstopenjske funkcionalizacije MND so omogočili izdelavo različnih namenskih nanosistemov, ki so optimirani in v sodelovanju z drugimi raziskovalnimi skupinami že v uporabi za vnos učinkovin, označevanje, vizualizacijo ter podobne biotehnološke aplikacije. S pomočjo fluorescenčne mikroskopije ter presevne in vrstične elektronske mikroskopije smo določili mehanizem endocitozne poti vnosa in njihovo znotrajcelično usodo, ter stopnjo agregacije. Kot prvi smo s SEM slikanjem opazili prvo fazo vnosa, kjer so ND ujeti v del uvihane membrane in je predstopnja internalizacije z endocitozo. To nam je omogočilo tudi spremljanje dinamike celične internalizacije, kvantifikacijo privzema ND ter analizo toksičnosti, kar odpira nove smeri raziskovanja na področju nanotoksikologije.
Razviti magnetni ND so platforma na osnovi katere lahko razvijamo vrsto aplikacij, saj omogočajo multimodalnost - vizualizacijo z NMR/fluorescenco ter vnos učinkovin. Omogočajo tudi nadaljnjo funkcionalizacijo s katero lahko dosežemo sproščanje vezanih učinkovin ali DNA znotraj celice – npr. v lizosomu. Z raziskovalno skupino iz Onkološkega Inštituta Ljubljana smo sodelovali tudi pri razvoju in izboljšavi metode magnetofekcije za vnos DNK v celice in vitro ter za in vivo imuno-gensko terapijo. Posebno za to metodo smo funkcionalizirali večplastne magnetne ND ter sodelovali pri določitvi protokola izvajanja magnetofekcije, kjer stabilni površinsko funkcionalizirani MND tvorijo komplekse s plazmidi za terapevtske ali reporterske gene in se ti kompleksi s pomočjo zunanjega magnetnega polja prenašajo v celično citoplazmo.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je interdisciplinaren in pokriva področje nanotehnologije, tehnike, biomedicine in biotehnologije. Uporaba nanodelcev za biotehnološke in biomedicinske aplikacije je trenutno en najbolj obetavnih smeri raziskovanja novih metod ciljanega vnosa učinkovin. Interdisciplinarna struktura projektne skupine in ekspertiza projektne skupine iz področji razvoja magnetnih materialov, kompozitov, numeričnega modeliranja, eksperimentalnih metod karakterizacije nanodelcev, ter in vitro eksperimentov na bioloških celicah je omogočala, da smo na vseh korakih eksperimentalno delo integrirali s teoretično analizo ter uporabili tudi napredno numerično modeliranje z metodo končnih elementov.
Razvoj novih biomedicinskih aplikacij - prenos novih tehnologij v klinično testiranje:
V sodelovanju z drugimi raziskovalnimi skupinami na področju prenosa nanotehnologije v biomedicinske aplikacije smo razvili in še naprej razvijamo nove vrste ustrezno funkcionaliziranih magnetnih nanodelcev ter zagotavljamo strokovno podporo na področju magnetizma in magnetnih materialov ter tudi priprave in karakterizacije površinsko funkcionaliziranih materialov. S tem prispevamo k prenosu in uveljavitvi najnovejših biomedicinskih tehnik tudi v Sloveniji.
Na podlagi pridobljenega znanja smo vzpostavili sodelovanje s Inštitutom za biologijo celice Medicinske Fakultete UL ter Fakulteto za elektrotehniko UL, ter uspešno sodelovali z Onkološkim Inštitutom pri razvoju imuno-genske terapije raka na osnovi magnetofekcije (objavljen je članek v A” kategoriji ter slovenski patent)
Prenos in razvoj novih tehnologij:
V okviru projekta smo razvili in vzpostavili nove tehnologije karakterizacije magnetnih nanodelcev v slovenskem okolju in razvili vrsto protokolov funkcionalizacije. Nadalje smo v sodelovanju z drugimi raziskovalnimi skupinami razvili protokole vizualizacije vnosa nanodelcev v celice s fluorescenčno in elektronsko mikroskopijo, kvantifikacije toksičnosti, razvijamo pa tudi metodo za kvantifikacijo vnosa.
Mednarodna nagrada na področju nanotoksikologije pa nam je odprla tudi možnost širšega povezovanja s partnerji znotraj EU na področju nanotoksikologije in nanobiotehnologije.
Razvoj novih produktov in prenos v industrijo:
Uspešno gradimo nova znanja na področju nanomaterialov za biotehnološke in biomedicinske aplikacije z namenom povezovanja raziskovalnih skupin in končnega prenosa v industrijo oziroma v klinično rabo. Znanje sinteze in funkcionalizacije bomo uporabili za razvoj specifičnih vrst nanodelcev za konkretne aplikacije (patenti), s tem pa se nam je odprla možnost povezovanja z industrijo, preučujemo možnost prijave mednarodnega patenta skupaj z zainteresiranim podjetjem za uporabo naših nanodelcev kot podporne metode vizualizacije celic.
Prenos naprednih numeričnih metod v nanobiotehnologijo:
Uspešno smo razvili 3D numerične modele za modeliranje mobilnosti magnetnih nanodelcev v 3D gelskih sistemih in v tkivu. To nam omogoča optimizacijo funkcionalizacije novih vrst nanodelcev ter načrtovanja zunanjih magnetnih sistemov za biomedicinske aplikacije in vivo.
Povezava visokotehnološkega znanja z izobraževalnim sistemom:
Vodja projekta ter vodji sodelujočih skupin imajo izkušnje z delom v interdisciplinarnih skupinah in so bili mentorji več diplomskih in doktorskim študentom na različnih področjih od elektrotehnike do biologije in medicine, prenos znanja do študentov pa poteka preko podiplomskega predmeta na interdisciplinarnem študiju Nanoznanosti na UL. Pri vseh korakih od razvoja nanodelcev do karakterizacije in eksperimentalnega dela in vitro ter in vivo smo vključevali podiplomske študente, znotraj projektne skupine je sodelovalo 5 mladih raziskovalcev.
Vključenost diplomskih, doktorskih študentov ter podoktorskih raziskovalcev v projekt jim je omogočila neposreden stik z vrhunskimi nanotehnološkimi in biomedicinskimi metodami.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
