W ramach akcji Życia Uniwersyteckiego dotyczącej przedstawiania jednostek UAM tym razem prezentujemy Państwu zespoły badawcze Centrum NanoBioMedycznego UAM.
Zespoły badawcze Centrum NanoBioMedycznego UAM
Obecnie prowadzę kilka projektów dotyczących fotokatalizy, polimerów biomimetycznych i biologicznych losów nanomateriałów. Grupa ogólnie zajmuje się nanokompozytami hybrydowymi, łączymy i badamy zjawiska na ich powierzchniach stykowych w produkcji energii, szczególnie w foto-, elektrorozszczepianiu wody i fotopiezo-, ferro-, fleksoelektrykach. Łączymy również naszą wiedzę, multidyscyplinarne doświadczenie i doświadczenie w charakterystyce fizykochemicznej tych hybrydowych nanokompozytów, aby wygenerować racjonalnie zaprojektowane wielofunkcyjne nanocząstki do zastosowań biomedycznych. Nasz zespół składa się z pracowników CNBM (adiunktów) oraz stypendystów ze stażem podoktorskim (biologów, chemików, fizyków i inżynierów), ale oczywiście najważniejszymi członkami grupy są nasi studenci: doktoranci, magistranci i licencjaci; obecnie prowadzimy ich dziewięcioro i to oni są siłą napędową wszelkich możliwych sukcesów naszej grupy. Główne problemy, którymi się zajmujemy, to zrozumienie interfejsu błon / powłok polimerów biomimetycznych z podłożami funkcjonalnymi i ich wyjątkowej wydajności w produkcji wodoru i pozyskiwaniu energii. Ponadto badamy, w jaki sposób fleksoelektryczność, efekt pokrewny do piezoelektryczności, można wykorzystać w zastosowaniach fotokatalitycznych i być może biomedycznych; wreszcie badamy także losy nanocząstek polimerowych, degradację i żywotność w zastosowaniach biomedycznych.
Nasz zespół naukowy, który nosi nazwę „Functional Materials”, specjalizuje się w opracowywaniu nowych materiałów i ich zastosowania w różnorodnych aplikacjach. W szczególności rozwijamy nanomateriały służące do pozyskiwania czystych źródeł energii, na przykład wodoru poprzez (foto)elektrochemiczne rozkładanie cząsteczek wody, oraz różne aplikacje biomedyczne. W ich ramach wyróżniłbym dwa główne kierunki: inżynierię tkankową i biosensorykę. Nasze osiągnięcia w biosensoryce potwierdzają regularne publikacje w czołowych czasopismach związanych z tą tematyką: „Biosensors and Bioelectronics” oraz „Sensors and Actuators B”. Opracowaliśmy unikalny system biowykrywania oparty na wykorzystaniu fotoluminescencyjnych nanostruktur, które pozwalają z niezwykłą czułością wykrywać na przykład biomarkery raka czy toksyny. Z pewnością mogę stwierdzić, że w ciągu ostatnich pięciu lat działalności naszej grupy naukowej osiągnęliśmy znaczne sukcesy, pomimo niewielkiej liczby badaczy i doktorantów, średnio siedem-osiem osób. Opublikowano około 70 artykułów ze średnim wskaźnikiem wpływu (impact-factor) 6,5. Zrealizowano i wciąż realizuje się projekty lokalne, takie jak OPUS, SONATA BIS, SONATA, PRELUDIUM BIS, PRELUDIUM, a także trzy międzynarodowe projekty w ramach HORIZON 2020, HORIZON EUROPE i M-ERANET. Łączna suma realizowanych projektów wynosi ponad 7 milionów złotych. Dwaj doktoranci naszej grupy pomyślnie obronili prace doktorskie i uzyskali stopień doktora nauk. Jestem przekonany, że te osiągnięcia były możliwe tylko dzięki atmosferze wolności, ciekawości i pracowitości, która panuje w naszym zespole.
Nasz zespół badawczy pracuje nad innowacyjnymi metodami wykrywania i leczenia starzenia się i chorób związanych z wiekiem przy użyciu zaawansowanej nanotechnologii. Projektujemy wyspecjalizowane nanocząstki, które mogą w szczególności atakować starzejące się komórki, odgrywające kluczową rolę w procesie starzenia się i związanych z nim zaburzeniach. Te nanocząsteczki zaprojektowano tak, aby rozpoznawały unikalne biomarkery obecne tylko w starzejących się komórkach, dzięki czemu są bardzo skuteczne w wykrywaniu tych komórek z niezwykłą dokładnością.
Oprócz wykrywania, można opracowywać nanocząstki z zawartymi w nich lekami, które będą służyć jako precyzyjne nośniki leków stosowanych w terapiach. Dzięki temu można bezpośrednio docierać i leczyć starzejące się komórki, minimalizując jednocześnie skutki uboczne, co może znacznie zwiększyć skuteczność leczenia. Badamy również, w jaki sposób starzejące się komórki można przeprogramować w nowotworowe komórki macierzyste, które powodują choroby. Pochodzenie tych komórek macierzystych nie jest jeszcze dobrze poznane, ale dzięki większej wiedzy na poziomie molekularnym moglibyśmy znaleźć nowe sposoby identyfikacji ich źródła i blokowania ich powstawania. Opracowanie naszych nanocząstek może pomóc nam zrozumieć, jak te same typy komórek w organizmie mogą zachowywać się lub reagować na chemioterapię. Potencjalne zastosowania naszej koncepcji nanotechnologii obejmują jej wykorzystanie w badaniach biomedycznych, odkrywaniu nowych leków i diagnostyce chorób związanych z wiekiem.
Nanomedycyna polega na zastosowaniu cząstek w skali nanometrycznej w celu zwalczania i diagnostyki chorób. Nanocząsteczki są kluczowym składnikiem nanomedycyny i cieszą się dużym zainteresowaniem jako potencjalny system dostarczania leków w terapii przeciwnowotworowej. Najnowsza generacja nanomateriałów wykorzystywanych w nanomedycynie pozwala również łączyć tradycyjne terapie z eksperymentalnymi, takimi jak na przykład terapia fototermiczna, co przyczynia się do osiągnięcia synergistycznego efektu leczenia. Jednakże, pomimo tego, że nanocząstki są obiecującymi nośnikami leków, ich słaba dostępność biologiczna, niestabilność w układzie krążenia oraz niedostateczna biodystrybucja w tkankach i toksyczność stanowią pewne ograniczenia ich praktycznego zastosowania. Aby przezwyciężyć problem małej wydajności dostarczania leków do komórek nowotworowych, prowadzimy badania skupiające się na opracowaniu nanocząstek o ulepszonych właściwościach. W ostatnich latach obiecującą strategią stała się biomimetyczna (imitująca elementy natury) funkcjonalizacja, która polega na opłaszczaniu nanocząstek błonami komórkowymi. Dzięki projektowi SONATA otrzymano platformę opartą na polimerowych nanocząstkach opłaszczonych nowotworowymi błonami komórkowymi (biomimetyczne nanocząstki) o wydłużonym czasie krążenia we krwi, do lepszego, aktywnego celowania w komórki nowotworowe, dostarczania niskocząsteczkowego leku, obrazowania oraz terapii fototermalnej w modelu nowotworu wątroby.
W centrum prowadzę projekt SONATA 18, zatytułowany „Nowe biosorbenty na bazie celulozy w technologiach uzdatniania wody: rola oddziaływań powierzchniowych i międzycząsteczkowych”. Idea projektu narodziła się w mojej głowie już jakiś czas temu. Wyniki wstępne otrzymałam w ramach MINIATURY, której również byłam kierownikiem. Zawsze dużo bardziej fascynowały mnie materiały czy związki, które nie tylko wykazują znaczenie aplikacyjne, ale przede wszystkim potencjalnie można je wdrożyć, pochodzą z materiałów naturalnych i są dobrymi zamiennikami materiałów leżących na akademickich półkach. Stąd idea mojego projektu dotyczy wykorzystania surowca celulozowego do oczyszczania wody.
W grupie, w której pracujemy nad projektem, skupiamy się na opracowaniu metody usuwania mikro- i nanomateriałów polimerowych (zanieczyszczenia tego typu materiałami są niebezpieczne nie tylko ze względu na skalę ich występowania i trudności w usunięciu, ale również wspomaganie przez nie przenoszenia się toksycznych substancji) z roztworów wodnych za pomocą funkcjonalizowanych cieczami jonowymi nanostruktur celulozowych. W tym celu projektujemy odpowiednie ciecze jonowe, które następnie zostaną przyłączone do wcześniej przygotowanych nanostruktur celulozowych. Niezwykle istotnym punktem projektu jest również ocena oddziaływań zachodzących pomiędzy zanieczyszczeniem i otrzymanym sorbentem oraz określenie dokładnej roli oddziaływań powierzchniowych i międzycząsteczkowych w procesie usuwania zanieczyszczeń polimerowych.
Zespół naukowców, z którym mam przyjemność pracować, w głównej mierze prowadzi badania w obszarze nanomateriałów wytworzonych na podstawie tzw. materii miękkiej, czyli układów polimerowych, lipidów, koloidów itp. oraz systemów hybrydowych – łączących w sobie część organiczną i nieorganiczną. Grupa realizuje tematykę w ramach dwóch projektów badawczych: grantu SONATA BIS poświęconego lipidowym nanocząstkom ciekłokrystalicznym oraz polsko-chińskiego nanoHeart zorientowanego na zastosowanie nanotechnologii w dostarczaniu mikroRNA. Zadania projektowe zakładają wytworzenie efektywnych i bezpiecznych dla organizmów żywych substancji, które mogą być użyte w teranostyce, to jest aplikacji leku przy jednoczesnym monitorowaniu jego dystrybucji w organizmie oraz zastosowaniu nanocząstek lipidowych i polimerowych w leczeniu zmian pozawałowych mięśnia sercowego. Tematyka grupy jasno wskazuje, że w tym zespole musimy mieć fachowców z różnych dyscyplin, i tak oczywiście jest. Wśród nas są doskonali chemicy, fizycy oraz biotechnolodzy, do których należy ostateczna weryfikacja przydatności materiałów w zastosowaniach biomedycznych. W niektórych przypadkach przechodzimy do etapu badań z udziałem zwierząt, które są niezwykle skomplikowane ze względu na kwestie etyczne. Wśród nas są zarówno doświadczeni naukowcy, jak również doktoranci i magistranci. Naszą ambicją jest przejście z etapu badań podstawowych do etapu badań przedklinicznych wytworzonych przez nas środków kontrastujących oraz nanosystemów dostarczania leków.
Grupa prowadzi badania naukowe z zakresu fizykochemii powierzchni. Tematyka badań koncentruje się przede wszystkim wokół wytwarzania nowych materiałów dwuwymiarowych na podłożach monokrystalicznych, określania ich struktury oraz właściwości elektronowych, katalitycznych i magnetycznych. Jedną z grup materiałów znajdujących się w orbicie zainteresowań naukowców są ultracienkie warstwy związku żelaza, takich jak tlenki, azotki i siarczki. Badania są realizowane głównie w wyidealizowanych warunkach ultrawysokiej próżni (UHV) z wykorzystaniem metod skaningowej mikroskopii i spektroskopii tunelowej (STM/STS), dyfrakcji elektronów niskiej energii (LEED) i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS). Grupa specjalizuje się również w projektowaniu i konstruowaniu aparatury naukowo-badawczej, czego przykładem jest znajdujący się w CNBM układ do pomiarów magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE) w warunkach UHV. Jednym z kluczowych osiągnięć grupy jest opisanie występującego w układzie wysp tlenku żelaza na rutenie zjawiska tzw. dojrzewania Ostwalda, które może odpowiadać za ewolucję strukturalną materiału w warunkach reakcji katalitycznych. Jeszcze w tym roku grupa rozpocznie realizację projektu badawczego mającego na celu określenie roli efektów transferu ładunku elektrycznego w katalizatorach jednoatomowych żelazo – grafen. Aktualnie w skład grupy wchodzą dr Weronika Andrzejewska, dr Mariya V. Dobrotvorska oraz realizujący pracę doktorską mgr inż. Szymon Murawka.
Zajmuje się zagadnieniami związanymi z biodrukiem 3D oraz wytwarzaniem rusztowań komórkowych. W ramach obecnego projektu badawczego SONATA jej grupa badawcza będzie rozwijać tematykę tworzenia biotuszy do inżynierii tkanki sercowo-naczyniowej. Doktor Litowczenko-Cybulska niedawno wróciła z prestiżowego grantu europejskiego Marie Curie Individual Fellowship, który otrzymała na realizację w Bellvitge Biomedical Research Institute we współpracy z University College London. W ramach grantu STEMCEDIF zajmowała się biodrukiem 3D naczyń krwionośnych oraz różnicowaniem ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSCs). SONATA to już czwarty projekt dotyczący biodruku 3D tkanek miękkich, kierowany przez dr Litowczenko-Cybulską. Jego celem jest wytworzenie innowacyjnych stabilnych, biodrukowanych 3D stentów / implantów, które będą pełnić funkcję biokompatybilnych i biomimetycznych konstruktów zawierających ludzkie kardiomiocyty i komórki śródbłonka. Szczegółowy wpływ biotuszu na zachowanie komórek oraz interakcje między dwoma typami ludzkich komórek (kardiomiocytami i komórkami śródbłonka) będzie analizowany in vitro oraz w zaprojektowanym bioreaktorze ex vivo. Projekt ma na celu stworzenie stabilnej protezy komórkowej do długotrwałej hodowli, która może być wykorzystana jako model do testowania lub leczenia chorób sercowo-naczyniowych w przyszłości. Projekt realizowany przez grupę badawczą dr Litowczenko-Cybulskiej jest realizowany w Centrum NanoBioMedycznym UAM we współpracy między innymi z University of Michigan.
zob. też Swobodnie tkamy nasze projekty
