Projekti / Programi
Razvoj naprednih elektrokemičnih senzorjev za raziskave razvoja in delovanja možganov v in vitro in in vivo pogojih
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.04.01 |
Biotehnika |
Veterina |
Morfologija, fiziologija in reprodukcija živali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B000 |
Biomedicinske vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 4.03 |
Kmetijske vede in veterina |
Veterina |
Možgani, razvoj, nevrotransmiterji, receptorji vezani z beljakovino G, elektrokemija, biološki senzorji, CMOS tranzistorji
Raziskovalci (14)
Organizacije (4)
Povzetek
Raziskave razvoja in delovanja možganov so eden glavnih izzivov sodobne biomedicinske znanosti. Razumevanje razvoja in delovanja možganov predstavlja izjemno zahtevno nalogo zaradi zapletenosti centralnega živčnega sistema, delno pa tudi zaradi pomanjkanja natančnih in specifičnih orodij za tovrstne raziskave. Živčne celice komunicirajo med seboj preko sinaps. V območju sinapse je ob aktivaciji iz predsinaptične celice izločen živčni prenašalec, ki na postsinaptični celici sproži specifičen odgovor in na ta način posreduje sporočila med živčnimi celicami. Živčni prenašalco tako predstavljajo glavni način komuniciranja med živčnimi celicami. Prenašalci so zelo različne molekule kot so aminokisline, peptidi, monoamini, plini in druge. Prenašalce lahko merimo v tekočinah s pomočjo imunskih metod kot sta RIA in ELISA, ali jih vizualiziramo v možganskem tkivu s pomočjo in situ hibridizacije ali imunohistokemije, vendar pa nobena od teh metod ne more podati ustreznih informacij o sproščanju prenašalcev v živih možganih v realnem času. V zadnjih letih so bile razvite elektrokemične metode za merjenje nekaterih živčnih prenašalcev v živem možganskem tkivu, vendar pa imajo te metode več omejitev kot so relativno slaba občutljivost, slaba prostorska resolucija, omejeno število prenašalcev, ki jih lahko zaznavamo s temi metodami, in nenazadnje, vprašanje ali lahko električni tok, potreben za izvajanje takšnih merjenj, lahko vpliva na delovanje možganskih celic. V predlaganih raziskavah bomo zato razvili novo obliko mikrosenzorja v obliki mikromreže, ki bo lahko zaznal več prenašalcev v živem možganskem tkivu naenkrat ob natančnem prostorskem in časovnem zaznavanju in ga bomo uporabili za spremljanje izločanja živčnih prenašalcev v živih tkivnih rezinah možganov. V prvi fazi projekta bomo razvili mikrosenzor za hkratno detekcijo dopamina in serotonina , ki bo temeljil na merjenju elektrokemične impedance z elektrodami, ki jih je pred kratkim razvil eden od partnerjev na projektu. V drugi fazi projekta pa bomo razvili povsem nov koncept mikrosenzorja z uporabo modificirane MEMS tehnologije in vezave receptorjev, vezanih z beljakovino G, na senzorsko površino kot detekcijske molekule. Receptorji za živčne prenašalce bodo selektivno vezani na senzorsko površino v obliki mikromreže z uporabo liposomov ali amfipolov kot nosilnih molekul. Vezavo liganda na specifičen receptor bomo zaznali v realnem času (s hkratno zaznavo časa in prostorske lokacije na senzorju) na mikromreži različnih senzorskih polj z uporabo izjemno občutljivih meritev impedance s pomočjo nizkošumnega analognega in digitalnega procesiranja s kratkokanalno CMOS tehnologijo. V predlaganem projektu bomo torej razvili povsem novo, izjemno uporabno in pomembno orodje za raziskave možganov. Tak senzor bomo v začetku uporabljali v pogojih in vitro na živih tkivnih rezinah možganov za raziskave razvoja in delovanja možganov. V nadaljevanju teh raziskav (v letih po končanju predlaganega projekta) pa predvidevamo razvoj podobnega mikrosenzorja, ki bi ga lahko uporabili in vivo tako pri živalih kot pri ljudeh. Razvoj takšnega senzorja bo predstavljal pomemben preboj, ki bo omogočil povsem nov koncept raziskovanja možganov. Senzor bo zato pomemben za široko področje nevroznanosti tako v veterinarski kot v humani medicini. Tak senzor pa ne bo predstavljal le pomembnega orodja za osnovne nevroznanstvene raziskave, temveč bo tudi visokotehnološki izdelek, ki ga bo mogoče hitro prenesti v industrijo. Poleg tega koncept senzorja ne bo pomemben samo za osnovne nevroznanstvene raziskave, temveč bo uporaba podobnih senzorjev (katerih razvoj bo po vzpostavitvi koncepta razvoja prototipa dokaj enostaven) imela široko uporabo v biotehnologiji in biomedicini (veterinarski in humani) kot nova diagnostična orodja ali za analize v prehranski industriji.
Pomen za razvoj znanosti
V okviru projekta smo razvijali senzor na osnovi CMOS tehnologije z različnimi metodami funkcionalizacije senzorske površine. Projekte je bil tehnološko izjemno zahteven in kljub omejenim rezultatom pomeni pomemben prispevek k znanosti, predvsem povsem nov način funkcionalizacije senzorske površine s pomočjo nafionske membrane, kar po nam znanih podatkih pred tem še ni bilo narejeno. Seveda pa so pomembni tudi negativni oziroma težavni rezultati s preiskušanjem drugih metod funkcionalizacije (z amino vezmi ter s pomočjo rceptorjev, vezanih z beljakovino G), ki so nam pokazale, da te metode z današnjim znanjem niso optimalne za funkcionalizacijo senzorja, ki deluje na principu CMOS tehnologije.
Pomen za razvoj Slovenije
Nadaljni razvoj takšnih senzorjev na podlagi tehnologije, ki smo jo razvili v okviru projekta, bi lahko imel velik pomen za tehnološki razvoj Slovenije. Namen projekta je bil sicer razvijati senzor za zazanavanje živčnih prenašalcev v možganih v realnem času, a podobna tehnologija bi se lahko uporabila za zaznavanje različnih bioloških snovi in bi zato takšen senzor lahko imel veliko uporabo na številnih področjih kot so medicina, prehranska industrija in podobno. Optimizacija takšnih senzorjev bi zahtevala nadaljnja vlaganja (ki jih žal trenutno ni), vsekakor pa bi lahko ob dodatnih sredstvih, glede na dobre rezultate v zadnjem letu projekta, v nekaj letih senzor skoraj zagotovo optimizirali za praktično uporabo in bi lahko takšen senzor dali na tržišče.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
