Projekti / Programi
Elektroporacija v biologiji, biotehnologiji in medicini
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.00 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
|
| 3.04.00 |
Medicina |
Onkologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B000 |
Biomedicinske vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.06 |
Tehniške in tehnološke vede |
Zdravstveni inženiring |
elektroporacija, naprave za elektroporacijo, numerično modeliranje, rak, elektroekstrakcija, biotehnološko uporabne molekule, celična membrana, PEF obdelava, genska terapija, DNK cepiva, pasterizacija, ablacija tkiva, zaključni procesi, zelena energija
Raziskovalci (29)
Organizacije (1)
Povzetek
Elektroporacija je uveljavljena metoda za povečanje prepustnosti celične membrane. Njen širok spekter aplikacij sega na različna področja, kot so medicina, biotehnologija, okoljske znanosti. Eksperimentiranje s širokim razponom parametrov uporabljenih električnih pulzov je v preteklosti privedlo do odkritja in razvoja številnih tehnoloških postopkov in načinov zdravljenja, ki temeljijo na elektroporaciji. Ti vključujejo zdravljenje raka, gensko terapijo, ablacijo tkiva, zlivanje celic, pripravo in predelavo živil in čiščenje vode, če naštejemo le nekatere. Poznavanje mehanizmov elektroporacije celične membrane, posledičnega transporta molekul preko membrane in drugih spremljajočih pojavov je še vedno nepopolno. Velika večina protokolov elektroporacije, ki se uporabljajo v biomedicini, živilski tehnologiji in biotehnologiji, je še vedno opredeljenih zgolj eksperimentalno, zaradi česar se pojavlja očitna potreba po boljšem razumevanju samih mehanizmov elektroporacije in spremljajočih pojavov. Šele to bo omogočilo nadaljnji razvoj protokolov ter s tem izpopolnitev biotehnoloških postopkov in načinov zdravljenja, ki temeljijo na elektroporaciji. Raziskovalna skupina, ki predlaga ta raziskovalni program, je že več kot desetletje ena vodilnih na področju elektroporacije, kar dosega tudi s svojo izrazito interdisciplinarno sestavo. Ta zakladnica znanj z različnih področij daje skupini edinstveno prednost, saj se raziskav na področju elektroporacije in z njo povezanih aplikacij v skupini lotevamo iz različnih zornih kotov. Poleg eksperimentalnega dela naše aktivnosti tako vključujejo sočasen razvoj strojne opreme in matematičnih modelov na različnih ravneh biološke kompleksnosti: od lipidnih dvoslojev, preko biološke celice, do tkiv in organov. Pri tem uporabljamo obstoječe laboratorije in različne prototipe naprav za elektroporacijo. V predlaganem programu bodo skupna prizadevanja naše interdisciplinarne ekipe posvečena širitvi znanja osnovnih principov elektroporacije z namenom izboljšanja obstoječih biotehnoloških postopkov in načinov zdravljenja, kot tudi razvoju novih aplikacij, ki temeljijo na elektroporaciji.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani raziskovalni program ima pomembne cilje: razvoj novih terapij raka; nevirusni vnos genov za gensko terapijo pridobljenih in dednih bolezni; razvoj novih zanesljivih metod za ablacijo mehkih tkiv; razvoj naprednih metod za vnos zdravilnih učinkovin preko kože; izboljšanje ekonomske upravičenosti biotehnoloških procesov z izboljšanjem učinkovitosti in znižanjem cene zaključnih procesov; dostopnost novih virov beljakovin za hrano in krmila; pridelava biodizla iz obnovljivih virov. Te teme so med drugim uvrščene med ciljne raziskovalne teme programa Obzorje 2020.
Genska terapija je obetaven pristop za številne bolezni, za katere zaenkrat ni uspešnih metod zdravljenja. Elektroporacija, kot nevirusna metoda za vnos genov ima številne prednosti pred virusnimi metodami. Eden izmed naših pomembnejših ciljev je izboljšava učinkovitosti vnosa genskega materiala z elektroporacijo z razvojem ustreznega inštrumentarija in protokolov. Z nadaljnjim razvojem terapij na osnovi elektroporacije nameravamo izboljšati učinkovitost minimalno invazivnih terapij, kot sta elektrokemoterapija (EKT) in ireverzibilna elektroporacija (IRE). Posvečali se bomo tudi zdravljenju globoko ležečih tumorjev in poskušali omogočiti učinkovito zdravljenje pri vrstah raka s slabo prognozo in pomanjkanjem učinkovitih terapij, kot so kostne metastaze, rak trebušne slinavke in možganski tumorji. Pomemben prispevek na tem področju bo nadaljevanje razvoja individualiziranega načrtovanja zdravljenja za EKT globoko ležečih tumorjev, ki smo ga začeli pred nekaj leti.
Demonstrirali smo ekstrakcijo biološko pomembnih molekul iz bakterij, kvasovk in mikroalg, ki jo omogoči povečanje prepustnosti celične membrane zaradi elektroporacije. Ekstrakcijo beljakovin, lipidov ali pDNA je mogoče izvajati v laboratorijih ali na večjih pretočnih sistemih za elektroporacijo. S prilagoditvijo lastnosti električnega polja in drugih eksperimentalnih pogojev je mogoče optimizirati izkoristek procesa in s tem močno zmanjšati potrebo po dragem in tehnološko zahtevnem prečiščevanju biotehnološko uporabnih molekul. Ekstrakcija teh molekul z elektroporacijo je zelo obetavna, saj je ponovljiva, hitra in jo je možno cenovno ugodno umestiti v obstoječe proizvodne linije.
Z napredkom obstoječih in razvojem novih tehnologij in terapij na osnovi elektroporacije bomo ustvarili nova znanja, ki bodo omogočila popolno razumevanje elektroporacije od nivoja membrane do nivoja tkiv. To znanje bomo vključili v matematične modele, ki bodo omogočili usmerjen razvoj procesov, terapij in postopkov, kar bo imelo za posledico boljšo ponovljivost raziskav, robustnejše industrijske procese in uspešnejše klinične postopke.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati, pridobljeni v okviru predlaganega programa, bodo omogočili uvajanje novih metod, tehnologij in postopkov zdravljenja v Republiki Sloveniji, ponujene bodo možnosti za usposabljanje študentov in raziskovalcev ter za obsežno izmenjavo študentov in osebja preko odličnih mednarodnih povezav skupine. Vsakoletna organizacija mednarodne znanstvene delavnice in podiplomske šole Electroporation-based Technologies and Treatments v Slovenijo še naprej privablja raziskovalce in podiplomske študente s celega sveta. Vodenje projekta COST TD1104 (pobudnik in koordinator prof. dr. Damijan Miklavčič) pa krepi ugled slovenske znanosti v svetu. Največji dogodek, ki ga bomo organizirali v okviru COST TD1104 projekta, bo 1. svetovni kongres elektroporacije v Portorožu, Slovenija od 6. Do 10. Septembra 2015 (http://wc2015.electroporation.net). Sestava raziskovalne skupine je zelo uravnotežena tudi po spolu in ponuja enake možnosti za vse.
Rezultati raziskovalne skupine so že v preteklosti ponujali neposredne koristi za domača in tuja podjetja, sodelovanje z njimi pa ohranjamo tudi v prihodnosti. Dva primera navajamo v nadaljevanju:
1) Podjetje Iskra Medical je z aplikativno uporabo rezultatov raziskovalnega dela programske skupine posodobilo napravo za kapacitivno radiofrekvenčno segrevanje podkožnega tkiva, ki je v zadnjih letih predstavljala več kot 15 % prihodkov od celotne prodaje podjetja. To sodelovanje bomo ohranili še naprej, v obliki podpore podjetju, tako teoretične (numerični modeli) kot eksperimentalne (laboratorij za testiranje vnosa snovi v in preko kože).
2)Podjetje C3M je s pomočjo programske skupine razvilo programsko opremo za načrtovanje zdravljenja z elektrokemoterapijo (EKT) globoko ležečih tumorjev za proizvajalca naprav IGEA in si tako odprlo nov segment trga ponudnikov namenske programske opreme za modeliranje elektroporacije in načrtovanje zdravljenja z EKT. Programska oprema temelji na numeričnem modelu in omogoča izračun optimalne konfiguracije elektrod za dani tumor. Sodelovanje s programsko skupino je za podjetje C3M zelo pomembno, saj mu zagotavlja stik z najnovejšimi dognanji na področju elektroporacije ter ponuja platformo za razvoj in preizkušanje novih modelov ter konceptov programskih rešitev.
Programska skupina je trenutno vključena neposredno tudi v tri klinične študije elektrokemoterapije, skupaj z Univerzitetnima kliničnima centroma v Ljubljani in Mariboru ter Onkološkim Inštitutom v Ljubljani. Z nadaljevanjem tega sodelovanja bodo te tri najpomembnejše javne zdravstvene ustanove v Sloveniji ohranile stik s klinično relevantnimi dosežki programske skupine, novi postopki zdravljenja pa bodo takoj na voljo pacientom.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
