Neinvazivna metoda za permeabilizacijo celične membrane s pulzirajočim elektromagnetnim poljem (2018-2021) |
| Vodja: | prof. dr. Damijan Miklavčič, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko |
| Partner: | / |
| Financiranje: | ARRS – Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS |
| Šifra: | J2-9225 |
Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS).
- Članica Univerze v Ljubljani
- Šifra
- J2-9225
- Naziv projekta
- Neinvazivna metoda za permeabilizacijo celične membrane s pulzirajočim elektromagnetnim poljem
- Obdobje
- 1.7.2018 - 30.6.2021
- Letni obseg
- 1.3 FTE
- Vodja
- Veda
- Tehnika - Sistemi in kibernetika
- Sodelujoče RO
- Vsebinski opis projekta
Če celico izpostavimo električnemu polju ustrezne jakosti in trajanja, pride do povečanja prepustnosti celične membrane. Ta pojav imenujemo elektroporacija, ki jo lahko s pridom izkoristimo za vnos molekul v celico, ki drugače ne morejo ali slabo prehajajo skozi membrano. Z elektroporacijo lahko v celice v pogojih in vitro ali in vivo vnesemo zdravilne učinkovine, med njimi tudi kemoterapevtike in DNK. Pri vseh aplikacijah elektroporacije je potreben neposreden stik med elektrodami in tretirano snovjo, to je bodisi preko ploščatih elektrod, ki objamejo tkivo ali preko invazivnih elektrod, ki so vstavljene v tkivo. Uporaba invazivnih elektrod, kot npr. igelnih elektrod, ki so najučinkovitejše pri elektroporaciji različnih tkiv, povzroča tudi številne nevšečnosti, ki so skupne vsem invazivnim postopkom, npr. potrebo po zagotavljanju sterilnosti in morebitne rane, ki jih povzročijo vbodi elektrod. Poleg tega se pojavijo dodatni neželeni učinki tudi zaradi uporabe električnih pulzov.
Nedavno je bila predlagana nova metoda permeabilizacije celične membrane s pulzirajočim elektromagnetnim poljem. Pulzirajoče elektromagnetno polje inducira povečano prepustnost celične membrane podobno kot običajna elektroporacija, le da se električno polje vzpostavi neinvazivno preko časovno sprejemljivega magnetnega polja. Trenutno je električno polje, ki ga inducira časovno spremenljivo magnetno polje, v primerjavi z električnim poljem, ki se vzpostavi pri običajni elektroporaciji za reverzibilno elektroporacijo membrane, nižje za več redov velikosti. Posledično je učinkovitost pulzirajočega elektromagnetnega polja nižje od običajne elektroporacije. Kljub temu so rezultati različnih študij pokazali, da je povečana prepustnost membrane s pulzirajočim elektromagnetnim poljem možna tako v pogojih in vitro kot tudi in vivo, kjer je elektromagnetno polje posredovalo pri vnosu majhnih molekul v celice kot tudi večjih funkcionalnih molekul.
Zaradi neznane odvisnosti pulzirajočega elektromagnetnega polja od permeabilizacije celične membrane je potrebno nadaljevati z raziskavami vpliva dovedenega elektromagneta polja na celice in tkiva. Predlagani projekt je prvi poskus sistematičnega raziskovanja pojava permeabilizacije celične membrane z uporabo pulzirajočih elektromagnetnih polj s pomočjo in vitro in in vivo poskusov v kombinaciji s teoretično in numerično analizo. V projektu bomo raziskali vpliv različnih parametrov magnetnih pulzov na celično membrano, razvili nove aplikatorje magnetnih pulzov in raziskali možnost vnosa funkcionalnih molekul v celice z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja.
V projektu bomo najprej določili tako magnetno kot električno polje, ki se vzpostavi v celičnih suspenzijah in v tkivih med aplikacijo pulzirajočega elektromagnetnega polja. Določili ju bomo s pomočjo numeričnega modela, ki ga bomo zgradili iz geometrije aplikatorja in tretiranega objekta, tj. celična suspenzija ali tkivo. Osredotočili se bomo na razvoj novih geometrij aplikatorjev magnetnih pulzov. Ovrednotili bomo različne geometrijske razporeditve tuljav aplikatorjev, ki se uporabljajo v poskusih in vitro, pa tudi za in vivo. Ko bomo nove geometrije tuljav preizkusili v numeričnem modelu, bomo najprimernejše tudi izdelali in uporabili v in vitro in in vivo poskusih v nadaljevanju projekta. Ocenili bomo permeabilizacijo celične membrane celičnih suspenzij izpostavljenih pulzirajočem elektromagnetnem polju in določili parametre magnetnih pulzov, s katerimi bomo dosegli največjo permeabilizacijo celic. Z uporabo teh parametrov magnetnih pulzov bomo izvedli vnos citotoksične spojine in nukleinskih kislin v celice. V zaključku projekta bomo analizirali in izboljšali protitumorsko učinkovitost pulzirajočega elektromagnetnega polja kot sistema za vnos zdravil s citotoksičnimi spojinami v tumorje miši in raziskali izvedljivost genske transfekcije za vnos majhnih in velikih molekul v tkiva in vivo z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja.- Sestava projektne skupine
- Faze projekta in njihova realizacija
Cilj projekta je sistematično raziskati pojav permeabilizacije celične membrane z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja s pomočjo in vitro (DS 1) in in vivo (DS 2) poskusov v kombinaciji s teoretično in numerično analizo (DS 3). Ker tehnika neinvazivne permeabilizacije celične membrane še vedno ni poznana, bomo posebno pozornost namenili razširjanju doseženih rezultatov projekta znanstveni skupnosti preko različnih komunikacijskih kanalov (DS 4).
V delovnem sklopu 1 (DS 1) bomo s pomočjo in vitro poskusov sistematično raziskali pojav permeabilizacije celične membrane z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja. Začeli bomo z izvajanjem eksperimentov na celični suspenziji pomešani s fluorescentnimi barvili, ki se običajno uporabljajo pri zaznavanju celične permeabilizacije. Ocenili bomo permeabilizacijo celične membrane celičnih suspenzij izpostavljenih pulzirajočemu elektromagnetnemu polju in določili parametre magnetnih pulzov, s katerimi bomo dosegli največjo permeabilizacijo celične membrane pri visokem preživetju celic. Z uporabo teh parametrov magnetnih pulzov bomo izvedli vnos citotoksične spojine in nukleinskih kislin v celice.
V delovnem sklopu 2 (DS 2) bomo uporabili nov in izboljšan aplikator za poskuse in vivo, ki bo razvit v DS 3 in parametre magnetnih pulzov (določenih v DS 1), ki omogočajo najbolj učinkovito permeabilizacijo celične membrane. Najprej bomo analizirali in izboljšali protitumorsko učinkovitost pulzirajočega elektromagnetnega polja kot sistema za vnos zdravil s citotoksičnimi spojinami v tumorje miši z uporabo novega aplikatorja. Miši s tumorji bomo zdravili z intravenskim vnosom cisplatina, pulzirajočega elektromagnetnega polja ali s kombinacijo obeh terapij. Ocenili bomo protitumorsko učinkovitost zdravljenja z analizo zaostanka rasti tumorjev in z merjenjem vsebnostjo citotoksičnih spojin v tumorjih. V drugem delu DS 2 bomo raziskali izvedljivost genske transfekcije za vnos majhnih in velikih molekul v tkiva in vivo z uporabo pulzirajočega elektromagnetnega polja.
V okviru delovnega sklopa 3 (DS 3) bomo najprej določili tako magnetno kot električno polje, ki se vzpostavi v celičnih suspenzijah iz DS 1 in v tkivih iz DS 2 med aplikacijo pulzirajočega elektromagnetnega polja. Določili ju bomo s pomočjo numeričnega modela, ki ga bomo zgradili iz geometrije aplikatorja in tretiranega objekta, tj. celična suspenzija ali tkivo. Izvedli bomo tudi validacijo modela s primerjavo izračunanih vrednosti z meritvami. V drugem delu DS 3 se bomo osredotočili na razvoj novih geometrij aplikatorjev magnetnih pulzov. Ovrednotili bomo različne geometrijske razporeditve tuljav aplikatorjev, ki se uporabljajo v poskusih in vitro, pa tudi za in vivo. Ko bomo nove geometrije tuljav preizkusili v numeričnem modelu, bomo najprimernejše izdelali in uporabili v poskusih v DS 1 in DS 2.
V okviru delovnega sklopa 4 (DS 4) bomo zaščitili intelektualno lastnino pridobljeno tekom projekta in dosežene rezultate projekta predstavili zainteresirani znanstveni skupnosti. Ker pojav neinvazivne permeabilizacije celične membrane še vedno ni poznan, bomo posebno pozorni namenili uporabi različnih komunikacijskih kanalov, kot so znanstvene revije in poljudne revije, konference in kongresi. Za izmenjavo tehnike in strokovnega znanja v zvezi z neinvazivno tehniko permeabilizacije celične membrane bomo pripravili delavnico v okviru mednarodne znanstvene delavnice in podiplomske šole Electroporation based Technologies and Treatment.
- Bibliografske reference
Novickij V, Kranjc M, Staigvila G, Dermol-Černe J, Meleško J, Novickij J, Miklavčič D. High pulsed electromagnetic field generator for contactless permeabilization of cells in vitro.
IEEE Trans. Magn.: 1-6, 2020. 2020 IEEE DOI 10.1109/TMAG.2020.2979120Miklavčič D, Novickij V, Kranjc M, Polajžer T, Haberl Meglič S, Batista Napotnik T, Romih R, Lisjak D. Contactless electroporation induced by high intensity pulsed electromagnetic fields via distributed nanoelectrodes.
Bioelectrochemistry 132: 1-9, 2019. 2019 The Authors DOI 10.1016/j.bioelechem.2019.107440Kranjc M, Kranjc Brezar S, Serša G, Miklavčič D. Contactless delivery of plasmid encoding EGFP in vivo by high-intensity pulsed electromagnetic field.
Bioelectrochemistry 141: 107847, 2021. 2021 The Authors DOI 10.1016/j.bioelechem.2021.10784Kranjc Brezar S, Kranjc M, Čemažar M, Buček S, Serša G, Miklavčič D. Electrotransfer of siRNA to silence enhanced green fluorescent protein in tumor mediated by a high intensity pulsed electromagnetic field.
Vaccines 2020, 8: 1-15, 2020. 2020 The Authors DOI 10.3390/vaccines8010049Hu Q, Joshi RP, Miklavcic D. Calculations of cell transmembrane voltage induced by time-varying magnetic fields.
IEEE Trans. Plasma Sci.: 1-8, 2020. 2020 IEEE DOI 10.1109/TPS.2020.2975421