Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Razvoj programa za numerično modeliranje elektroporacije in vivo ter njegova validacija? in silico elektroporacija

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
2.06.07  Tehnika  Sistemi in kibernetika  Biomedicinska tehnika 

Koda Veda Področje
T115  Tehnološke vede  Medicinska tehnologija 

Koda Veda Področje
2.06  Tehniške in tehnološke vede  Zdravstveni inženiring 
Ključne besede
elektroporacija, računalniški modeli, metoda končnih elementov, generiranje simbolne kode, inverzna analiza, efektivna prevodnost, prenos toplote, prenos snovi, okrevanje celic, elektrokemoterapija, konzerviranje hrane, deaktivacija bakterij, sterilizacija vode, ablacija tkiva, fluorescentna barvila, biološko aktivne molekule
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (19)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  14575  dr. Maja Čemažar  Onkologija  Raziskovalec  2011 - 2014  1.433 
2.  21174  dr. Aleksander Grm  Mehanika  Raziskovalec  2011 - 2014  65 
3.  14772  dr. Tomaž Jarm  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2011 - 2013  213 
4.  33227  dr. Tanja Jesenko  Onkologija  Mladi raziskovalec  2011 - 2014  169 
5.  30687  dr. Bor Kos  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2011 - 2014  179 
6.  29553  dr. Matej Kranjc  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2011 - 2013  99 
7.  34298  dr. Samo Mahnič-Kalamiza  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2011 - 2013  79 
8.  32175  dr. Boštjan Markelc  Medicina  Mladi raziskovalec  2011 - 2012  224 
9.  10268  dr. Damijan Miklavčič  Sistemi in kibernetika  Vodja  2011 - 2014  1.507 
10.  24781  mag. Barbara Možina  Medicina  Raziskovalec  2011 - 2014  82 
11.  23344  Matjaž Musek  Onkologija  Raziskovalec  2011 - 2014 
12.  13541  dr. Janja Ocvirk  Onkologija  Raziskovalec  2011 - 2014  829 
13.  31983  dr. Denis Pavliha  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2011 - 2013  51 
14.  20880  Anton Pristovšek    Raziskovalec  2011 - 2014  10 
15.  25421  dr. Matej Reberšek  Sistemi in kibernetika  Raziskovalec  2011 - 2014  165 
16.  08302  dr. Tomaž Rodič  Materiali  Raziskovalec  2011 - 2014  241 
17.  08800  dr. Gregor Serša  Onkologija  Raziskovalec  2011 - 2014  1.516 
18.  12024  dr. Karmen Stanič  Medicina  Raziskovalec  2011 - 2014  94 
19.  16096  dr. Tomaž Šuštar  Matematika  Raziskovalec  2011 - 2014  46 
Organizacije (3)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0302  ONKOLOŠKI INŠTITUT LJUBLJANA  Ljubljana  5055733000  15.495 
2.  1533  C3M d.o.o., Center za računalništvo v mehaniki kontinuuma - modeliranje in trženje  Ljubljana  5663270  83 
3.  1538  Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko  Ljubljana  1626965  27.834 
Povzetek
Elektroporacija je pojav, pri katerem se prepustnost celične membrane začasno poveča zaradi izpostavljenosti električnim pulzom visoke jakosti. Elektroporacijo uporabljamo v številih aplikacijah, kot so elektrokemoterapija tumorjev, genska transfekcija, netermična ablacija tkiva, obdelava hrane in čiščenje odpadnih vod. Za uspešno elektroporacijo je potrebno natančno določiti porazdelitev električnega polja v ciljnih celicah ali tkivu. Najpogosteje za to uporabljamo numerično modeliranje, vendar so trenutno uporabljani modeli elektroporacije večinoma pomanjkljivi, saj ne upoštevajo vseh pojavov, ki nastopijo pri elektroporaciji (prevajanje toplote, transport snovi in zaceljenje celičnih membran). Cilj predlaganega projekta je razviti podroben, eksperimentalno validiran sklopljen računalniški model elektroporacije, t.j. razvoj elektroporacije in silico. Razvoj bo tekel v treh glavnih fazah, ki pa se bodo med seboj dopolnjevale in prepletale. V prvi fazi bo razvit nelinearni model elektroporacije, ki bo v nadaljevanju nadgrajen v tranzientni nelinearni sklopljeni model elektroporacije in bo poleg nelinearnega modela efektivne prevodnosti snovi vključeval še transport snovi in prevajanje toplote. Če bo financiran večji projekt, bo model elektroporacije razširjen še z posebnim robnim pogojem za modeliranje tankih plasti in modeliranjem zaceljenja celičnih mebran. V drugi fazi bo nelinearni sklopljeni model elektroporacije izčrpno validiran in vitro, ex vivo ter in vivo za zagotovitev točnosti modela in preverjanje njegovih napovedi. Validacija bo vsebovala meritve napetosti, električnega toka, temperature in transporta snovi pri različnih vrednostih parametrov električnih pulzov (amplitude, časa trajanja pulzov, ponavljalne frekvence in števila pulzov) v različnih eksperimentalnih pogojih (in vitro, ex vivo ter in vivo). Če bo financiran večji projekt, bo izvedena še dodatna validacija z uporabo naprednih analitskih metod in vitro ter in vivo. V tretji fazi bo model elektroporacije implementiran v namenskem programskem orodju z uporabo metode končnih elementov. V projektu bomo uporabili simbolno generiranje programske kode za hiter in učinkovit prenos fizikalnih modelov elektroporacije v računsko učinkovito numerično aplikacijo. Metode za inverzno analizo bodo dodatno povečale vrednost rezultatov, saj bodo omogočale učinkovito določanje trenutno še slabo poznanih fizikalnih lastnosti različnih celic in tkiv (npr. spremembo efektivne prevodnosti zaradi elektroporacije). Če bo financiran večji projekt, bo programsko orodje za elektroporacijo razširjeno še z grafičnim uporabniškim vmesnikom za določanje parametrov izračuna ter osnovno vizualizacijo rezultatov. Raziskave opravljene v sklopu projekta bodo prispevala k globljemu razumevanju pojava elektroporacije in spremljajočih pojavov. Programska oprema na osnovi metode končnih elementov in validirani modeli elektroporacije bodo povečali dostopnost in silico elektroporacije, razvita programska oprema pa bo učinkovita podlaga za računske eksperimente. Vse to bo uporabno pri različnih aplikacijah elektroporacije, kot so elektrokemoterapija tumorjev, genska transfekcija, netermična ablacija tkiv, predelavi hrane, čiščenju vode, če naštejemo le najpomembnejše.
Pomen za razvoj znanosti
V okviru projekta smo razvili integrirano in silico okolje za raziskovanje in optimizacijo terapij in postopkov, ki temeljijo na elektroporaciji. In silico okolje obsega razvoj realističnih računalniških modelov za napoved uspešnosti in vivo elektroporacije ter razvoj pripadajoče namenske programske opreme. Računalniške modele smo uspešno validirali tako v ex vivo kot v in vivo pogojih, celotno in silico okolje pa smo uspešno testirali v realnem okolju na področjih biologije, biotehnologije in medicine. Tako smo pokazali, da ima naše integrirano in silico okolje več koristnih učinkov na razvoj znanosti na področju elektroporacije in širše. Validirani računalniški modeli elektroporacije (realistični modeli), omogočajo natančnejšo napoved stopnje elektroporacije v primerjavi z modeli ki so bili prej v uporabi, ker delujejo na podlagi detekcije sprememb električnih lastnosti v odvisnosti od električnega polja zaradi elektroporacije. Novi razviti elektroporacijski modeli lahko pomembno prispevajo k hitrejšemu razvoju in natančnejšem načrtovanju zdravljenja težko ozdravljivih bolezni s terapijami, ki temeljijo na procesu elektroporacije, kot so na primer elektrokemoterapija, genska terapija in vakcinacija ter ablacija tkiva z ireverzibilno elektroporacijo. Namenska programska oprema, ki smo jo razvili v okviru tega projekta pa bo bistveno olajšala uporabo modelov elektroporacije za napovedi in optimizacijo učinkovitosti novih aplikacij, ker omogoča dostopnost numeričnega modeliranja tudi raziskovalcem iz področij biologije, biotehnologije in medicine. Programska oprema tako predstavlja učinkovito orodje za inovativne računalniške poskuse in omogoča razvoj integriranih programskih paketov za namensko rabo na področju elektroporacije. Validiran računalniški model elektroporacije s pripadajočo programsko opremo bo nedvomno bistveno okrepil raziskave na področju elektroporacije in pripomogel k hitremu širjenju panoge, kot tudi k izboljšanju učinkovitosti in uspešnosti aplikacij na osnovi elektroporacije. Novo razviti modeli elektroporacije so že v uporabi za preverjanje in poglobitev trenutnega vrhunskega znanja o elektroporaciji, validirani modeli pa pomembno prispevajo k pospeševanju razvojnih ciklov in nižjih stroških povezanih z razvojem novih aplikacij. Z validiranimi modeli elektroporacije bodo lahko raziskovalci povečali časovno in stroškovno učinkovitost novih poizkusov za določanje pomembnih parametrov elektroporacije v novih aplikacijah. Poleg tega bodo modeli predstavljali okvir za nove bazične raziskave in podali nabor ključnih parametrov, ki jih je potrebno določiti pred uporabo elektroporacije na novih področjih, tkivih ali celičnih tako omogočajo tudi identifikacijo ključnih parametrov, npr. efektivne električne prevodnosti v odvisnosti od temperature in vsiljene jakosti električnega polja. Novi izboljšani modeli elektroporacije zmanjšujejo potrebo po poskusih na živalih, saj so ključne lastnosti modelov že preverjene.
Pomen za razvoj Slovenije
Z rezultati razvitega in silico okolja smo utrdili položaj Slovenije kot eno vodilnih na področju raziskav in razvoja terapij in postopkov, ki temeljijo na elektroporaciji. Naši rezultati lahko neposredno prispevajo k boljšem razumevanju uporabe elektroporacije na področju klinične medicine pri terapijah kot sta na primer elektrokemoterapija in genska terapija, kar lahko bistveno prispeva k učinkoviti uporabi ter uveljavitvi teh terapij tako v slovenskem kot v mednarodnem kliničnem prostoru. Razvoj numeričnega modela elektroporacije za podporo načrtovanju novih aplikacij, temelječih na elektroporaciji, je v skladu z rastočimi trendi uporabe tudi na področjih, kot so raziskave v molekularni celični biologiji, vstavljanje proteinov v celične membrane, zlivanje celic, biotehnologija, sterilizacija vode, različni procesi v živilski industriji itd. Pridobljeno znanje v okviru tega projekta smo vmesili v pedagoški proces, saj so raziskave potekale v akademsko-izobraževalnem okolju na Fakulteti za elektrotehniko. Razviti modeli in programska oprema so namreč uporabljeni kot orodja v pedagoškem procesu Univerze v Ljubljani (Fakulteta za elektrotehniko) v okviru tako dodiplomskega kot podiplomskega študijskega programa. Kot primer lahko navedemo mednarodno šolo Electroporation-based Technologies and Treatments, ki jo redno organiziramo na Univerzi v Ljubljani (Fakulteta za elektrotehniko) od leta 2003. Dosedaj jo je obiskalo že več kot 100 udeležencev (doktorskih študentov, tujih raziskovalcev ipd.) iz 19 držav. V projektu so sodelovali tudi mladi raziskovalci, kar predstavlja izjemno priložnost za učenje z delom na realnih primerih. Mladi raziskovalci so tako imeli možnost dela s priznanimi raziskovalci iz treh svetovno priznanih raziskovalnih skupin, t.j. Univerze v Ljubljani (Fakulteta za elektrotehniko), Onkološkega inštituta in podjetja C3M d.o.o., ki bodo združile svoje moči in vire z namenom nadaljnjega razvoja področja elektroporacije. Pridobljeni rezultati so bili predstavljeni na domačih in mednarodnih konferencah ter objavljeni v SCI indeksiranih znanstvenih revijah, kar je izrednega pomena za prepoznavnost in uveljavljanje Republike Slovenije v mednarodnem okolju. Sodelujoče podjetje C3M vidi izvedeni projekt kot odlično izkoriščeno priložnost za vstop na področje medicinske programske opreme in poslovnih priložnosti. V podjetju ocenjujejo, da je imel vstop na novo tržišče neposreden vpliv (10-15%) na povečanje velikosti trga, ki ga podjetje pokriva s storitvami in programsko opremo. Znanje ki so ga v podjetju pridobili skozi projekt, bodo tržili tudi na drugih visokotehnoloških inženirskih področjih, kjer je podjetje prisotno. Orodja, ki so jih razvili v projektu omogočajo podjetju C3M možnost podpore industriji pri razvoju bolj učinkovitih elektroporacijskih tehnologij ter nižjih stroškov njihovega razvoja. Podjetje C3M je izkazalo svoj vitalni interes vstopa na trg medicinske programske opreme tudi s svojim deležem pri sofinanciranju predlaganega projekta. Projektni konzorcij, ki ga sestavljata raziskovalni organizaciji in visokotehnološko podjetje z različnih področij znanosti, kot so elektrotehnika, eksperimentalna onkologija in numerično modeliranje, je uveljavil interdisciplinaren pristop konvergenčnih tehnologij (nano, bio, info) k modeliranju elektroporacije. Rezultati projekta služijo kot osnova za tržno različico programske opreme, ki jo bo tržilo slovensko visokotehnološko podjetje C3M d.o.o. Vsa razvita programska oprema, ki izhaja iz rezultatov tega projekta, ima mednaroden potencial uporabe, saj predstavlja UL-FE eno izmed vodilnih raziskovalnih skupin na področju elektroporacije oz. razvoja aplikacij in modelov elektroporacije. Zatorej bodo sredstva, ki bodo investirana v projekt, povrnjena prek davkov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Letno poročilo 2011, 2012, 2013, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Letno poročilo 2011, 2012, 2013, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si
Zgodovina ogledov
Priljubljeno