Projekti / Programi
Korelacija vsiljene transmembranske napetosti in transporta moelkul pri elektroporaciji posameznih celic nepravilnih oblik in ...
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.07 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Biomedicinska tehnika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T115 |
Tehnološke vede |
Medicinska tehnologija |
vsiljena transmembranska napetost, elektroporacija, numerično modeliranje, metoda končnih elementov
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
22487 |
dr. Gorazd Pucihar |
Sistemi in kibernetika |
Vodja |
2007 - 2008 |
0 |
Organizacije (1)
Povzetek
Kadar celico izpostavimo zunanjemu električnemu polju, se na njeni membrani pojavi vsiljena transmembranska napetost (VTN). Ko VTN preseže neko dovolj visoko vrednost, se prepustnost membrane na tem področju začasno poveča. Temu pojavu pravimo elektroporacija. Pri večini področij uporabe elektroporacije (npr. vnos molekul DNK v celico) želimo doseči učinkovito in hkrati reverzibilno elektroporacijo celic. Zato je poskuse največkrat potrebno načrtovati, kar vključuje približno oceno amplitude VTN na celicah, ki bo povzročila reverzibilno elektroporacijo. Težava nastopi v primeru tkiv, kjer je celična geometrija zapletena, bližina celic vpliva na porazdelitev električnega polja okrog njih, celice pa so pogosto tudi povezane z medceličnimi povezavami. Ker v teh primerih analitične rešitve za VTN ni mogoče izpeljati, VTN v večini primerov določimo z izračuni na numeričnih modelih. Zaradi zapletene zgradbe tkiva je večina modelov makroskopskih, v katerih podrobna struktura tkiva ni upoštevana, mikroskopski pa so večinoma zelo poenostavljeni in ne odražajo realne strukture tkiva. Celice nepravilnih oblik in skupki takih celic bi bili po obliki, gostoti in povezavah med celicami podobni celicam v tkivu ter bi tako predstavljali znatno bolj realen model tkiva kot modeli, ki so danes v uporabi. V predlaganem projektu bomo najprej razvili postopek gradnje realističnih modelov celic nepravilnih oblik in celičnih skupkov. Izračune VTN na teh modelih bomo nato primerjali z meritvami VTN in transporta molekul pri elektroporaciji, ki bodo opravljene na istih celicah, uporabljenih za izgradnjo modela. Izračuni in meritve na takšnih bolj realističnih modelih celic v tkivu bodo omogočili vpogled v delovanje električnega polja na tkivo na ravni posameznih celic, ki je podlaga za makroskopsko obnašanje tkiva med elektroporacijo. Tako pridobljena znanja bodo pripomogla k boljšemu razumevanju elektroporacije in vivo, kar je pomembno za povečanje njene učinkovitosti, predvsem pri poskusih elektrokemoterapije in elektrogenske transfekcije.
Pomen za razvoj znanosti
Z izračuni vsiljene transmembranske napetosti (VTN), meritvami VTN in opazovanjem transporta molekul pri elektroporaciji posameznih celic nepravilnih oblik in celičnih skupkov, smo na izviren način pristopili k odkrivanju ozadja in temeljnih znanstvenih zakonitosti procesa elektroporacije. Ugotovili smo naslednje zakonitosti elektroporacije:
(i) Oblika celic, njihova orientacija, bližina celic in medcelične povezave vplivajo na VTN in elektroporacijo celic in pojasnijo razliko med potekom elektroporacije na posameznih celicah in celicah v tkivu.
(ii) Med VTN in transportom molekul pri elektroporaciji obstaja korelacija. Do vnosa molekul namreč pride vedno najprej na tistih področjih membrane, kjer je VTN najvišja.
(iii) Celice v skupkih se v električnem polju obnašajo povsem drugače kot posamezne, izolirane celice pri tem pa igra pomembno vlogo amplituda električnega polja.
(iv) Pod določenimi pogoji se celice v skupkih elektroporirajo ena za drugo (domino učinek)
V okviru projekta smo razvili tudi tri nove metode:
(i) Metodo za gradnjo realističnih modelov celičnih skupkov na podlagi fluorescenčnih slik skupkov, posnetih na različnih nivojih. Izračuni na takšnih modelih predstavljajo realnejšo sliko dogajanja na celičnih skupkih med izpostavitvijo električnemu polju, kot pa jo dajo obstoječi modeli, sestavljeni iz osnovnih geometrijskih oblik.
(ii) Metodo za nadomestitev membran celic v skupkih s površinami, ki jim priredimo robne pogoje. Metoda znatno poenostavi izgradnjo mreže končnih elementov, saj so majhni elementi, iz katerih bi bila zgrajena mreža membrane, izpuščeni. Posledično se znižajo zahteve po pomnilniku, pohitri pa se čas za izračun problema. Težave pri modeliranju celične membrane so namreč eden od glavnih razlogov, zakaj je danes večina numeričnih modelov skupkov celic sestavljenih iz kombinacije preprostih geometrijskih oblik, kot so polkrogle, valji,...
(iii) Metodo za izgradnjo dinamičnega modela VTN in elektroporacije na osnovi končnih elementov. Model omogoča preučevanje časovnega poteka VTN in elektroporacije na skupkih celic, kar nam je omogočilo preveriti hipotezo o domino učinku elektroporacije. Model predstavlja znanto izboljšavo trenutno uporabljenim sekvenčnim modelom elektroporacije, saj odraža potek elektroporacije v realnem času.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskava je bila izvedena v akademskem okolju, na Fakulteti za elektrotehniko, tako da je bilo novopridobljeno znanje (predvsem o numeričnih modelih nepravilnih oblik in meritvah vsiljene transmembranske napetosti) prenešeno neposredno v pedagoški proces. V raziskave v okviru projekta so bili vključeni tudi dodiplomski in podiplomski študentje (npr. gostujoča iranska podiplomska študentka Leila Towhidi). V okviru mednarodne šole in delavnice o elektroporaciji za podiplomske študente, ki jo organizira Laboratorij za biokibernetiko na Fakulteti za elektrotehniko, smo podiplomskim študentom in raziskovalcem predstavil metodo za spremljanje poteka elektroporacije celične membrane. Na praktičnem primeru smo metodo uporabili za preučevanje vpliva oblike in orientacije celic v električnem polju na učinkovitost elektroporacije. Znanje, pridobljeno v času projekta smo tako prenesli tudi v širši mednarodni prostor, kar je povečalo uveljavljenost vodje projekta, skupine, Univerze in Slovenije v mednarodnem prostoru.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
