Projekti / Programi
Eksperimentalna biofizika kompleksnih sistemov in slikanje v biomedicini
01. januar 2019
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.07 |
Naravoslovje |
Fizika |
Biofizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B002 |
Biomedicinske vede |
Biofizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
fizikalne interakcije, tkivne bariere, nanomateriali, molekularni mehanizmi, in vitro modeli, napredno super ločljivo slikanje, magnetno resonančna mikroskopija, novi diagnostični pristopi, novi STED označevalci
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
25. junij 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
603 |
10.474 |
8.591 |
14,25 |
| Scopus |
631 |
11.484 |
9.517 |
15,08 |
Raziskovalci (30)
Organizacije (2)
Povzetek
Hiter razvoj novih nanomaterialov, tankih filmov in zdravil v zadnjih desetletjih predstavlja velik izziv za preskušanje varnosti in regulativo predvsem zaradi neustrezne metodologije, ki jo je mogoče izboljšati z nedavno razvitimi biofizikalnimi pristopi. Ugotovljena so bila številna tveganja za zdravje povezana z nanomateriali (Science 2017 355:342), vendar mnogi osnovni molekularni mehanizmi ostajajo nepojasnjeni (Arch. Toxicol. 2016 90:1769). Zaradi dognanja, da je izražanje genov bistveno drugačno med človekom in mišjo (Nature 2014 515:355), kar pojasnjuje neuspeh kar 95% kliničnih testiranj zdravil (Proc. Natl. Acad. Sci. 2013 110: 3507), se testiranje in vivo na živalih postopno opušča, pospešeno pa se iščejo novi in vitro ter in silico modeli tkiv (Science 2010 328:1662, Nanomed. 2016 11:2457). Naše nedavno odkritje z nanomateriali sproženih molekularnih dogodkov, ki so posledica fizikalnih interakcij, namreč ponuja razlago povezav, ki jih klasična paradigma celične signalizacije ne more.
Z nedavno uvedenimi orodji super-ločljive mikroskopije v naših laboratorijih bo P1-0060 razvil nove modele funkcionalnih tkivnih pregrad, ki bodo kompatibilne s super-ločljivimi mikroskopijami, da bi raziskali molekularne dogodke povezane z interakcijo z nanomateriali. Uporabili bomo kombinacijo nadgrajenih naprednih optičnih mikroskopij (nelinearnih, super-ločljivih in na osnovi spektralno razločenega slikanja življenjskih časov fluorescence) ter magnetno resonančnih mikroskopij. Potencial našega nabora metodologij in strokovnega znanja bo spodbujal razvoj novih diagnostičnih načinov prihodnjih diagnostičnih/teranostičnih tehnologij ter novih didaktičnih pristopov za izboljšanje kakovosti učenja in reševanja problemov v naravoslovju.
Naše raziskave so namenjene razjasnitvi povezav med molekularnimi dogodki v tkivnih pregradah in razvoja bolezenskih stanj s pomočjo biofizikalnih konceptov, ki vplivajo na splošno dojemanje tveganj pri uporabi nanomaterialov in razvijajo vse znanstvene discipline povezane z delovanjem posameznih celic. Z načrtovanjem in sintezo novih foto-stabilnih in bolj specifičnih označevalcev pričakujemo, da bomo še povečali uporabnost super-ločljivega slikanja v realnem času in njegovo uporabo na modelih živih tkiv. S povezovanjem detekcije spektralnih informacij in življenjskega časa fluorescence z naprednimi koncepti vzorčenja želimo razviti nedestruktivno karakterizacijo tkiv v platformo, ki bi bila zanimiva za slovenska in mednarodna podjetja s področja razvoja medicinskih naprav.
Z intenzivnimi programi doktorskega študija in močno vpetostjo v visokem šolstvu želimo prispevati k razvoju mladih raziskovalcev in študentov naravoslovnih ved. Številne izzive in rezultate oglašujemo preko naših profilov v družbenih omrežij, kot je @StrancarLab, z namenom izboljšanja javne podobe fizike, biofizike, tehnologije in znanosti o življenju nasploh.
Pomen za razvoj znanosti
Premik paradigme - nove vzročne povezave med molekularnimi dogodki
Molekularna biologija se je razvila v močno paradigmo, ki ponuja skoraj popoln mehanistični pogled na celično signalizacijo in povezave med signalizacijskimi dogodki. Vendar pa z vidika pljučne izpostavljenosti nanomaterialu ta paradigma ne more pojasniti začetnih dogodkov in njihovih povezav z naknadnim celičnim odzivom, kot je lokalno vnetje. Fizikalna eksperimentalna in simulacijska orodja pa potiskajo razumevanje naprej, saj nakazujejo, da se lahko odziv pregrade razvije zaradi povsem interakcijsko vodenih pojavov. Rezultati predlaganega znanstvenega raziskovanja bi zato lahko premaknili obstoječo paradigmo celične signalizacije, tako da pokažejo, da so fizikalne poti vsaj enako pomembne..
Razvoj 3D tkivnih pregrad za raziskovanje molekularnih mehanizmov in interakcij v živo
Razvoj 3D tkivnih modelov, tako imenovanih in vitro modelov, organoidov ali organov na čipu, je bila leta 2018 v januarski izdaji reviji Nature Methods opisana kot najpomembnejša metoda za preučevanje človeške biologije in razvoja bolezni, ki bo nadomestila manj relevantne in vivo živalske modele. Trenutno vodilna ustanova na tem področju je Wyss Institut s Harvarda s svojim "človekom na čipu", ki popolnoma posnema migracijo pljučne imunske celice preko modelne krvno-zračne pregrade, vendar pa ne odraža interakcij in dogodkov povezanih z nanodelci. Tako lahko popolnoma funkcionalni modeli tkivnih pregrad z možnostjo raziskovanja in spremljanja sprememb supramolekularnih struktur v realnem času z ločljivostjo 30 nm prispevajo k razvoju področja raziskav na nivoju ene celice, ter zlasti k razumevanju povezav med molekularnimi dogodki in sistemskim podobnimi odzivi. V primeru da pokažemo to napovedno sposobnost in vitro modelov, lahko pride do izjemno velikega interesa na področju razvoja učinkovin, saj bi lahko povečali naše razumevanje tkivnih pregrad v človeškem telesu in prispevali k boljši dostavi učinkovin preko krvno-zračne kot tudi nosno-možganske pregrade.
Doseganje nove ravni super-ločljivega STED slikanja v realnem času
Slikanje supramolekularnih struktur v kompleksnih tkivnih vzorcih je bilo dolgo časa omejeno na metode slikanja z elektronsko mikroskopijo in možno le na fiksiranih rezinah tkiva. Nedavni razvoj tehnik s super-ločljivostjo, kot je STED, nam je omogočil, da prvič vidimo te strukture pod fiziološkimi pogoji, kar je odprlo mnogo znanstvenih izzivov. Da bi jih dosegli, je potrebno pri super-ločljivem slikanju najprej izboljšati omejitev funkcije slike točkovnega svetila, kar bomo dosegli z uporabo večfotonskega vzbujanja skupaj s STED. Izvedba slednjega je še vedno daleč od preprostega, še večje izzive pa predstavljajo izboljšave s spektralnimi informacijami in informacijami o življenjskih časih fluorescence. Skupaj z načrtovanjem in sintezo novih, izjemno foto-stabilnih in bistveno bolj specifičnih označevalcev, lahko dramatično izboljšamo uporabnost super-ločljivega slikanja v realnem času in njegovo uporabnost na živih tkivnih modelih. Poleg tega je slikanje STED v realnem času za zdaj težko izvedljivo zaradi precejšnjega bledenja označevalcev.
Pomen za razvoj Slovenije
Novi modeli tkiv za nadomeščanje manj relevantnih in stroškovno neučinkovitih testov na živalih
Pričakujemo, da bo razvoj novih modelov tkiv z izboljšanimi postopki za razvoj zdravil lahko neposredno vplival na farmakologijo. Sedaj namreč kar 95% zdravil ne preide klinične faze zaradi razlik v izražanju genov med človeškimi in živalskimi modeli. Poleg tega se bosta spremenili področji toksikologije in imunologije, kjer bomo priča razvoju alternative trenutno obveznemu vendar vprašljivemu testiranju na živalih. Prednosti le-tega bodo zmanjšanje stroškov testiranja ter etični vidik zmanjšanega obsega preizkušanja na živalih.
Novi diagnostični pristopi za izboljšanje učinkovitosti diagnostike
Diagnostični postopki v medicini so trenutno dokaj ločeni od terapevtskih postopkov, kar pripisujemo pogosti pomanjkljivosti pridobljenih informacij kljub kompleksnosti diagnostičnih metod in s tem povezanim nemožnostim operaterja, da bi te diagnostične metode uporabljal v realnem času. Cilj naših aktivnosti je učinkovita sklopitev informacij kot so spektralne lastnosti in življenjski čas fluorescence z naprednimi koncepti vzorčenja, ki bi neinvazivne tehnike karakterizacije tkiv, še posebej v oftalmologiji, naredile še bolj učinkovite. Na podlagi nedavno razvitega diagnostičnega koncepta za prepoznavo patoloških stanj žil v očesu, ki sprožijo večino s starostjo povezanih bolezni mrežnice, pričakujemo, da bomo v prihodnje naredili korak še k pomembnejšim odkritjem. Za izboljšano optično zaznavo patologij v živih tkivih bomo detekcijo gradili na nelinearnih svetlobnih virih, za korekcijo optičnih napak pri diagnostiki optično gostih tkiv in za omogočanje pametnega vzorčenja v 3D pa bomo uporabili programabilne optične elemente kot je prostorski modulator svetlobe. Nazadnje želimo te pristope povezati s spektralno analizo življenjskih časov fluorescence za prepoznavo sprememb stanja celic, ki lahko kasneje vodijo k neželenim patološkim stanjem, česar potencial so že razpoznali industrijski partnerji.
Vpliv na zdravstvo
Z razvojem modelov tkiv in diagnostičnih tehnologij P1-0060 neposredno vpliva na zdravstvo. Najprej z razkrivanjem in obveščanjem tako splošne javnosti kot tudi zdravstvenih delavcev o vzročnih poteh med novimi materiali/zdravili in razvojem bolezni prispevamo k ozaveščanju o neželenih izidih in identifikaciji pripadajočih simptomov. Poleg tega z razvojem novih diagnostičnih konceptov neposredno podpiramo slovensko in mednarodno industrijo medicinskih naprav.
Vpliv na razvoj kadrov
Člani programa P1-0060 so močno vključeni v doktorski študij in visokošolsko izobraževanje z izvajanjem številnih predmetov na različnih stopnjah bolonjskega študija, ki prispevajo k večji strokovnosti mladih raziskovalcev in študentov naravoslovnih ved. Poleg tega na različne načine prispevamo k popularizaciji fizike, biofizike, tehnologije in znanosti o življenju. Urejamo tudi nacionalno revijo Presek za mlade matematike, fizike, astronome in računalničarje. Vsi člani so vključeni v organizacijo konferenc ter prireditev za mlade študente, kot sta Dneva biofizike in tiskovne konference, ki vplivajo na splošno prepoznavnost znanosti v družbi. V ta namen predstavljamo naše najnovejše raziskave na televiziji in v kakovostnih časopisih. V okviru Strategije pametne specializacije in Strateškega razvojno-inovacijskega partnerstva Tovarne prihodnosti usklajujemo področje Fotonike za spodbujanje prenosa znanja med raziskovalci akademskega sveta in raziskovalci iz industrijskih skupin za raziskave in razvoj.
Vpliv na promocijo države in dostop do tujega znanja
S tesnim sodelovanjem v mednarodnih projektih/konzorcijih in s privabljanjem tujih doktorskih študentov, podoktorantov in že uveljavljenih raziskovalcev v naše laboratorije promoviramo Slovenijo v tujini, predstavljamo našo infrastrukturo in kompetence ter hkrati pospešujemo dostop do tujega znanja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
