Projekti / Programi
Vpliv anorganskih nanodelcev na biološke membrane
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.03.00 |
Naravoslovje |
Biologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B000 |
Biomedicinske vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.06 |
Naravoslovne vede |
Biologija |
magnetni nanodelci, biološke membrane, endotelij, eritrociti, trombociti, mirovezikulacija, kri
Raziskovalci (19)
Organizacije (5)
Povzetek
Znanstveno ozadje:
Nanodelce opisujemo jih kot delce, vsaj v eni dimenziji manjše od 100 nm, in imajo zaradi svoje majhnosti mnoge nove lastnosti. Trend razvoja proizvodov nanotehnologij za medicinsko in farmacevtsko uporabo je usmerjen k čim večji specifičnosti teh pripravkov in zato majhni uporabi ter čim boljšem ohranjanju lastnosti nanodelcev ob stiku z biološkimi molekulami.
Opis problema in hipoteze:
Bistveno pri uporabi nanodelcev v biomedicini je čim večja biokompatibilnost, majhna reaktivnost, ki bi pripeljala do strupenostnega odziva, in učinkovito izločanje iz telesa. Pri medicinski uporabi učinkovine v telo pogosto vnesemo intravenozno. Sistemski vnos pa lahko povzroči resne stranske učinke, kot so aktivacija in agregacija trombocitov, mikrovezikulacija različnih celičnih tipov in celična tromboza. Ti učinki so precej verjetni, saj nanodelci najprej pridejo v stik in reagirajo z biološkimi membranami kar posledično sproži kaskado drugih dogodkov. Poleg tega pa so odzivi zdravih posameznikov ter pacientov z rakom različni, kar je ključnega pomena pri vnosu učinkovin v kri bolnikov z rakom.
Cilj:
Cilj naše raziskave je ugotoviti, ali različni nanodelci ob vnosu v kri integrirajo s krvnimi celicami, spremenijo ali ohranijo prvotne lastnosti in kako vplivajo na žilni endotel. Zanima nas, katere so tiste lastnosti nanodelcev, ki sprožijo te neželene, stranske interakcije.
Materiali in metode:
V predlaganem projektu bomo interakcije med nanodelci in biološkimi membranami proučevali z uporabo različnih eksperimentalnih sistemov z umetnimi lipidnimi membranami, krvnimi celicami ter na celičnih kulturah. Te rezultate bomo preverili na vzorcih krvi zdravih posameznikov v primerjavi z vzorci bolnikov z rakom. Osredotočili se bomo na nanodelce s potencialno uporabo za intravenozno administracijo, kot so: ogljikovi nanodelci, keramični, kovinski nanodelci in delci kovinskih oksidov. Delci se bodo razlikovali v primarnih (velikost, oblika, kristalna struktura) in sekundarnih lastnostih (agregacija v bioloških medijih, zeta potencial) ter tudi v kemičnih lastnostih površine (proteinski plašč, različni ovoji). Za potrditev dognanj o vplivu lastnosti delcev na vzorcih krvi bomo izbrali magnetne nanodelce (kovinske oksidne npr. železove okside, kobal-tferine okside), ki trenutno veljajo za najbolj obetavne na področju medicinske diagnostike, in tarčne dostave.
Izvirnost:
Izvirnost naše študije se nanaša na upoštevanje biofizikalnih mehanizmov pri razumevanje bio-nano interakcij teh povezovanju eksperimentalnih študij na lipidnih membranah s študijami na vzorcih krvi in poskusi in vitro. Ugotovitve bomo preverili na vzorcih krvi. Primerjali bomo odziv krvi zdravih posameznikov in bolnikov z rakom, saj so ti zadnji dejanski kandidati za intravenozni vnos nanodelcev za namen diagnosticiranja ali zdravljenja.
Projektna skupina:
Vodilna skupina je partner v dveh centrih odličnosti v Sloveniji (CO NAMASTE in CO Nanocenter) in s tem dostopa do vrhunske opreme za izvedbo raziskav iz področja nanoznanosti. Vodilna skupina je tudi partnerica v dveh projektih EU FP7 NanoValid in EU FP7 NanoMile ter članica konzorcija NanoSafety. Zelo koristna je tudi vključenost znanstvenikov iz Univerzitetnega kliničnega centra, ki bodo odgovorni za oskrbo z dobro ovrednotenimi vzorci krvi. V projekt bosta poleg slovenskih raziskovalcev vključena tudi dva tuja partnerja. To sta “Elettra Sincrotrone centre”v Trstu (http://www.elettra.trieste.it/about/index.html) in Indian Institute of Toxicology Research (http://www.iitrindia.org/). Parterji iz Elettre, prof. Maya Kiskinova in dr. Lisa Vaccari, bodo odgovorni za analizo treh različnih X-žarkovnih linij ter za FTIR-analizo vzorcev celic in tkiv. Partner iz Indijskega inštituta za toksikološke raziskave, prof. Alok Dhawan, bo odgovoren za modeliranje interakcij med nanodelci in biološkimi molekulami, ki bo izhodišče za bolj kompleksne poskuse.
Pomen za razvoj znanosti
Iz zaključenega projekta sta izšli dve pomembni znanstveni ugotovitvi. Prva ugotovitev je ta, da velikost delcev in agregatov ni neposredno povezana z njihovo biološko reaktivnostjo. Reaktivnost nanodelcev je odvisna od kombinacije več dejavnikov hkrati ter od molekulske korona. To je plasti molekul adsorbiranih na površino delcev. Tudi privzem delcev v celico ni odvisen le od velikosti delcev. Celica lahko privzame tudi zelo velike delce, kar je mogoče s pridom izkoristi v biomedicinske namene. V našem projektu smo dokazali, da privzem delcev in nato njihova fotoaktivacija uspešno uniči celice. To kaže na obetavne možnosti uporabe delcev za terapijo raka. Ta izsledek je bil prepoznan kot eden od 10 najboljših izsledkov Univerze v Ljubljani v letu 2017 (IMANI, Roghayeh, et al. Multifunctional gadolinium-doped mesoporous TiO2 nanobeads ephotoluminescence, enhanced spin relaxation, and reactive oxygen species photogeneration, beneficial for cancer diagnosis and treatment. Small, 2017, vol. 13, iss. 20, str. 1-11). Druga pomembna ugotovitev projekta pa je ta, da delci morda bolj kot na plazmalemo vplivajo na znotrajcelične lipidne membrane. Privzeti delci motijo tvorbo laminarnih struktur v modelnih pljučnih celicah in na ta način ovirajo metabolizem surfaktantov (KONONENKO, Veno, et al.. Harmful at non-cytotoxic concentrations: SiO2-SPIONs affect surfactant metabolism and lamellar body biogenesis in A549 human alveolar epithelial cells. Nanotoxicology, 2017, vol. 11, no. 3, str. 419-429). S temi ugotovitvami so pokazali na povsem nov tip delovanja delcev, ki ga je potrebno upoštevati v primeru študije vpliva inhaliranih delcev. Dobljeni rezultati celotnega projekta imajo zelo pomembne posledice na razumevanje interakcij med nanomaterliali in biološkimi membranami in doprinos pri razumevanju nanovarnosti. Potrdili smo, da imajo celice številne mehanizme, ki ji pomagajo blažiti vplive izpostavitve nanomaterialom. Pri tem imajo pomembno vlogo biološke membrane, ki delce »zapakirajo«, in tako ublažijo ali celo preprečijo njihove kvarne učinke. Project je pomembno prispeval tudi k razvoju testnih metod za študij hemokompatibilni. V tem trenutku še ne obstaja mednarodno priznana metodologija za testiranje biokompatibilnosti za intravenozen vnos nanodelcev. Obstoječe metode za testiranje biokompatibilnosti materialov so omejene, ker imajo nanodelci unikatne fizikalno kemijske lastnosti in sprožajo nano-specifične interakcije z biološkimi komponentami. Zato je potreben razvoj novih metod in uredb na tem področju. V projektu smo pokazali, da nanodelci povzročijo spremembe oblike eritrocitov in vezikulacijo. Oba odziva sta se pokazala kot primeren biomarker za ugotavljanje učinkov delcev na vzorce krvi.
Pomen za razvoj Slovenije
1. Zaradi aktivnega delovanja na področju nanoznanost in aplikacij nanomaterilov v medicini ter na področju nanovarnosti je bila Prof. Dr. Damjana Drobne novembra 2016 povabljena, da pridruži delegaciji predsednika Republike Slovenije Boruta Pahorja v Iranu ob odprtju slovenskega veleposlaništva v Teheranu. Iran je četrta velesila na področju nano tehnologij. Med obiskom je bil podpisan tudi Memorandum o znanstvenem sodelovanju med Iranskim inštitutom za nanotehnologijo (INIC) in Agencijo RS za raziskovanje (ARRS) na področju nanotehnologije in nanoznanosti. 2. Uspešno delovanje na področju nanoznaosti in bio-nano interakcij ter nanomedicine se odraža v tem, da je vodja projekta Prof. Dr. Damjana Drobne pod okriljem Slovenskga inovacijskega stičišča (SIS EGIZ; www.sis-egiz.eu ) sodelovala pri ustanovitvi slovenske nanotehnološke platformo junija 2017. 3. Znanje pridobljeno v projektu je bil osnovni motiv, da je prof. Dr. Damjana Drobne predlagala ustanovitev delovne skupine, ki naj bi tvorno sodelovala pri oblikovanju regulative za TiO2. Skupina deluje v okviru v okviru “NanoSafteyClustra”. Ustrezna regulativa na področju TiO2 bo velik doprinos celotni evropski industriji (proizvajalcem in uporabnikom TiO2) ter seveda potrošnikom.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
