Projekti / Programi
Eksperimentalna biofizika kompleksnih sistemov in slikanje v biomedicini
01. januar 2015
- 31. december 2018
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B002 |
Biomedicinske vede |
Biofizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
interakcije, medicinska slikanja, membrane, supramolekularne strukture, celice, tkiva, nanomateriali, medicinski materiali, svetloba, spektroskopije, mikroskopije, mikrospektroskopije, magnetne resonance, MRI, modeliranja, multimodalno slikanje, prenos znanja v tehnologije, terapije in učne procese
Raziskovalci (22)
Organizacije (2)
Povzetek
Najnovejše napredne tehnologije izboljšujejo naše zdravje z naprednimi postopki zdravljenja z učinkovito diagnostiko, a nas hkrati izpostavljajo novim materialom, napravam in tehnologijam, ki potencialno ogrožajo naše zdravje. Naš raziskovalni program je zato usmerjen v razreševanje konfliktnih obrazov novih tehnologij z biofizikalnimi metodami in metodami medicinske fizike, še posebej v proučevanje molekularnih interakcij med biološkimi sistemi in okolico in prenos odkritih mehanizmov na nivo tkiva/organa za razvoj naprednih metod slikanja. Raziskovalno delo bo osredotočeno na proučevanje interakcij med biološkim sistemom na eni strani ter nanodelci, polimeri, in svetlobo na drugi strani, kot tudi na sestavljanje supramolekularnih sistemov in razvoj multimodalnega slikanja. Raziskovalne strategije bodo vpeljane v nove didaktične pristope, kot pomoč študentom pri razvoju strategij za reševanje eksperimentalnih problemov na mikroskopski skali.
Raziskovalno delo bo potekalo v 5 raziskovalnih delovnih sklopih in enem raziskovalno-didaktičnem v 3 laboratorijih s komplementarnimi, vrhunskimi metodami in znanjem spektroskopskih, mikroskopskih, mikrospektroskopskih in slikovnih tehnik, načrtovanja pulznih sekvenc, numeričnega modeliranja in sinteze novih označevalcev za biofizikalne in biomedicinske aplikacije. Nekatere aktivnosti bomo izvajali v sodelovanju s številnimi mednarodnimi raziskovalnimi skupinami.
Znanstveni dosežki bodo pripomogli k razumevanju življenskega cikla nanodelcev v organizmih, tkivih in celicah in s tem k varnejši proizvodnji, uporabi in rokovanju. Hkrati bodo izboljšali medicinska slikanja z nanodelci kot kontrastnimi agenti. Na nanomaterialih kot bioaktivnih materialih bomo osnovali tudi protimikrobno zaščito pred infrastrukturno-resistenčnimi bakterijami. Nove zakonitosti biokompatibilnosti bodo racionalizirale nov razvojni cikel medicinskih pripomočkov in občutno pocenile pristope v regenerativni medicini. Z raziskavami molekularnih mehanizmov in razvojem novih slikovnih metod bomo pripomogli k nadaljnem razvoju številnih metod zdravljenja, še posebej trombolitičnega zdravljenja, zdravljenja raka z elektroporacijo, hipertermične terapije in različnih stomatoloških zdravljenj. Razvoj multimodelnega (endoskopskega) slikanja, ki združuje endoskopijo in mikrospektroskopije, bo neposredno izboljšal diagnostiko in zanesljivost endoskopsko upravljanih kirurških posegov. Raziskave vodenja svetlobe skozi membranske sklade pa lahko po drugi strani prinesejo povsem nov pogled na delovanje nevronskih mrež in morebiti postavijo nov koncept signalizacije ob bok ustaljenem razumevanju na osnovi membranskega potenciala.
Strategije reševanja mikroskopske slike pa bodo direktno vpeljane v didaktične pristope za izboljšanje načina razmišljanja študentov in njihovega usposabljanja z raziskovalnim delom pa tudi v prenos znanja v nove tehnologije v okviru novih ali že vzpostavljenih sodelovanj s podjetji Krka, Lek, Educell, Optotek, idr.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati programa posegajo na naslednje raziskovalne fronte (označene s črnim krepkim tekstom) in bodo pričakovano prinesli naslednje znanstvene preboje (označene z zelenim krepkim tekstom):
Doba novih materialov postavlja nove biofizikalne probleme, kot na primer transport in nabiranje nanomaterialov v živih organizmih. V nasprotju s splošno sprejeto teorijo, da je vnos nanodelcev v celice pogojen z dobro nadzorovanimi specifičnimi receptorji (kar je še ojačeno z biokorono, oz. plaščem proteinov, ki se spontano naberejo okoli nanodelcev), najnovejše raziskave (vključno z našimi preliminarnimi rezultati) kažejo, da poteka nespecifičen prenos nanodelcev skozi membrano hkrati z reguliranimi procesi. Raziskovanje in potrditev nespecifičnega vnosa na pravih membranah preko mikrospektroskopij omogoča razumevanje interakcij med nano-materiali in celicami ter splošnih mehanizmov nano-varnosti.
Mnoge nove materiale namenoma vnašamo v naše telo za namene regenerativne medicine. Nezmožnost napovedi toksičnih učinkov materialov kaže na slabo razumevanje biokompatibilnosti. Uporabili bomo naše ekspertno znanje strukturne/gibalne karakterizacije sistemov na molekularnem nivoju za rešitev uganke biokompatibilnosti. Z rezultati raziskav translacijske dinamike in procesov difuzije prispevamo k boljšemu razumenju procesov na površinah, med katerimi so tudi polimerne površine naprednih nosilcev za dostavo zdravilnih učinkovin.
Interakcije med svetlobo in biosistemi so pogosto spregledane, kljub fascinantnim odkritjem v preteklosti. Elektrokemijski prenos signala preko membranskega potenciala se zdi tako trdno zasidran koncept, da nepojasnjeni problemi kar zbledijo. Primer takega problem je sinhronizacija v nevronskih mrežah, kjer se hitrost prenosa signala in velikost mreže ne ujemata glede na odzivni čas tkiva. Novejša odkritja na področju optike in opto-genetike kažejo na možne nove poti prenosa signala, potrditev le-tega pa bi pomenila izjemen dosežek na področju biofizike kot tudi nevroznanosti.
Sedanji postopki zdravljenja se zanašajo na biokemijsko diagnostiko, kar pa zahteva odvzem vzorcev in onemogoča učinkovito spremljanje v realnem času. Zato je bilo veliko truda vloženega v razvoj novih metod medicinskega slikanja in analize slik. Z njimi lahko pridobimo za celico relevantne informacije na nivoju tkiv/organov in vivo med samim posegom zdravljenja. Nove MRI metode bodo omogočile boljšo diferenciacijo med bolnim in zdravim tkivom, učinkovito sledenje magnetnim nanodelcem in terapevtskim metodam (npr. hipertermiji), nove aplikacije v stomatologiji in izboljšano terapijo elektroporacije s slikanjem gostote toka. MRI metode bodo tudi razložile mehanizme nastanka in razpada celičnih agregatov, kot so krvni strdki, kar lahko pripelje do trombolitskih zdravil z manj stranskimi učinki.
Pričakujemo tudi preboje na področju določevanja proteinskih struktur in kompleksov ter metodološke napredke raznih hibridnih tehnik.
Pomen za razvoj Slovenije
Razumevanje interakcij med materiali, svetlobo in različnimi napravami na eni in biološkimi sistemi kot so molekularne strukture, celice, tkiva in organizmi na drugi strani prinaša nove priložnosti, ki lahko vplivajo na naše zdravje in zdravstveno infrastrukturo. Nekateri materiali so namenoma razviti, da pomagajo pri regeneraciji poškodovanih tkiv – tu naj bi razumevanje biokompatibilnosti racionaliziralo in pocenilo razvoj novih medicinskih pripomočkov. Na novo razviti postopki tiskanja, fotomaskiranja in konstruiranja sloj-za-slojem v živo bodo lahko pripomogli k rešitvi do danes nepopravljivih tkivnih poškodb, kot so veliki defekti hrustanca.
Po drugi strani nova znanja o interakcijah med nanomateriali in biološkimi sistemi prispevajo k novim varnostnim standardom glede nanomaterialov, ki bodo zmanjšali zdravstvena tveganja in hkrati povečala zavedanje o varnem ravnanju s temi materiali ter slednje s tem prikazala kot bolj obvladljive. Istočasno lahko nanomateriali učinkovito začitijo površine pred bakterijami v bolnišnicah in živilski industriji, predvsem pred resistenčnimi sevi kot sta MRSA in Listeria z znatnim ekonomskim bremenom. Nanomateriali pa lahko tudi učinkovito povečujejo kontrast pri medicinskem slikanju, kar lako prispeva k izboljšanim terapijam in zmanjšanju stranskih učinkov.
Podobno koristne učinke bomo dosegli tudi z razvojem novih slikovnih metod. Na primer, napredek pri MRI slikovnih tehnikah danes omogoča kontrolo električnega polja pri elektroporaciji, kar povečuje učinkovitost terapij proti raku in zmanjšuje doze protitumornih učinkovin. Še več, možna je celo napoved raztapljanja krvnih strdkov, kar povečuje učinkovitost trombolitičnega zdravljenja. Istočasno z razumevanjem molekularnih mehanizmov nastajanja krvnih strdkov prispevamo k razvoju novih antikoagulantov. In končno, napredek pri razvoju mikrospektroskopij pa prinaša novo možnosti pri usmerjanju kirurških posegov na osnovi endoskopskega multimodalnega slikanja.
NI pa pomembno le znanje o interakcijah in sestavljanju supramolekularnih struktur, temveč tudi kako do tega znanja pridemo. Strategije reševanja mikroskopske slike namreč lahko prenesemo v učni proces in z njimi izboljšamo način sklepanja študentov. Učenje z raziskovalnim delom in prenos znanja na mlade visoko motivirane ljudi zato predstavlja najboljši potencial za na znanju osnovan prenos znanja v prihodnosti.
Znanje in tehnologije pa direktno prenašamo že danes: skozi aktivnosti v novih in že obstoječih povezavah s podjetji kot so Krka, Lek, Educell, Optotek in drugi na področjih optimizacije tablet s podaljšanim sproščanjem, kontroliranja kakovosti diperzij v proizvodnem procesu, razvoja nosilcev umetnih tkiv hrustanca/meniskusa/križne vezi, nadzora poškodb oftalmoloških laserjev v realnem času, itd.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
2016,
2017,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
2016,
2017,
zaključno poročilo
