Tworzenie bioinżynieryjnych narzędzi poprawiających zdrowie mózgu
Padaczka jest poważną przewlekłą chorobą mózgu charakteryzującą się powtarzającymi się napadami. Jest to jedno z najczęstszych poważnych schorzeń neurologicznych, które dotyka około 60 milionów ludzi na całym świecie. „Nadal istnieją pilne i niezaspokojone potrzeby w zakresie leczenia takich chorób neurologicznych”, wyjaśnia koordynatorka projektu PRIME(odnośnik otworzy się w nowym oknie) Deirdre Kilbane z Walton Institute(odnośnik otworzy się w nowym oknie) na South East Technological University(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (SETU) w Irlandii.
Autonomiczne i wszczepialne systemy żywych komórek
Celem projektu PRIME było podjęcie tego wyzwania za pomocą pionierskiej, nowatorskiej techniki. Skupiający siedmiu międzynarodowych ekspertów z różnych dziedzin, w tym biologii syntetycznej, informatyki, inżynierii komunikacji i nanoleków, projekt zakładał opracowanie autonomicznego, wszczepialnego systemu żywych komórek, zdolnego do tłumienia napadów padaczkowych. Pomysł polega na tym, że po wszczepieniu do mózgu komórki te mogą przewidywać napady padaczkowe i na bieżąco uwalniać cząsteczki terapeutyczne. Głównym przedmiotem prac w ramach projektu było modelowanie i symulacja molekularnych szlaków komunikacyjnych istotnych dla wystąpienia napadu padaczkowego. Zajął się tym Walton Institute na SETU. Naukowcy z Aarhus University skupili się na regulacji ekspresji genów i początku napadu padaczkowego, podczas gdy zespół z Royal College of Surgeons w Irlandii zajął się projektowaniem molekularnym, wdrażaniem i walidacją funkcjonalną zmodyfikowanych komórek nerwowych. Na Uniwersytecie w Ferrarze naukowcy badali możliwości inżynierii komórek ssaków z molekularnymi funkcjami obliczeniowymi. Partnerzy projektu z Uniwersytetu w Tampere wnieśli wiedzę specjalistyczną w zakresie mikrofabrykacji, technologii membranowej i hermetyzacji komórek bioobliczeniowych. Jednocześnie partner projektu, firma omiics, wykorzystała swoje doświadczenie w niskoprzepustowym sekwencjonowaniu RNA i analizie bioinformatycznej, podczas gdy zespół EPOS-IASIS zapewnił informacje na temat nanoprodukcji, nanomateriałów, nanoleków i technologii genetycznych.
Sztuczna inteligencja optymalizuje odpowiedź i skuteczność
Dzięki tej interdyscyplinarnej współpracy osiągnięto znaczące postępy. Wśród kluczowych osiągnięć warto wymienić symulację komunikacji molekularnej, inżynierię komórkową i projektowanie urządzeń wszczepialnych. Prototypowe narzędzie do projektowania komórek inżynierskich wykorzystuje sztuczną inteligencję (SI) i integruje symulacje komunikacji molekularnej oparte na modelowaniu biofizycznym i mechanice statystycznej. „Duże zbiory danych eksperymentalnych uzyskane na każdym etapie rozwoju umożliwiły nam wykorzystanie SI do dokładnego przewidywania i optymalizacji odpowiedzi i skuteczności”, twierdzi Kilbane. Partnerzy z powodzeniem zaprojektowali komórki ARPE-19 ssaków z molekularnymi funkcjami obliczeniowymi umożliwiającymi wykrywanie sygnałów związanych z napadami (tsRNA) i wyzwalanie uwalniania cząsteczki terapeutycznej (GDNF). Owocem prac prowadzonych w ramach projektu jest kilkanaście publikacji, w tym opublikowany niedawno artykuł(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opisujący niektóre z prac przeprowadzonych w celu opracowania modeli propagacji komunikacji molekularnej i wszczepialnych urządzeń biosensorycznych.
Diagnozowanie i monitorowanie zaburzeń neurologicznych
Partnerzy konsorcjum PRIME nadal gromadzą wyniki i prowadzą analizy. W następnej kolejności planowane są testy in vivo, aby potwierdzić, że zespół jest w stanie zrealizować swoje kluczowe założenia. „Jest to innowacyjny projekt charakteryzujący się ścisłą współpracą między partnerami”, mówi Kilbane. „Liczymy na kontynuację bieżącej pracy w ostatnich miesiącach realizacji projektu PRIME”. Ogólnie rzecz biorąc, projekt stanowi znaczący kamień milowy na drodze do poprawy jakości życia osób cierpiących na padaczkę i inne przewlekłe zaburzenia neurologiczne. Koncepcja wszczepiania programowalnych syntetycznych komórek, które naśladują elektroniczne obwody obliczeniowe, mogłaby zostać poszerzona w celu leczenia innych schorzeń neurologicznych. „Innowacje wprowadzone w projekcie PRIME mogą zrewolucjonizować sposób diagnozowania i monitorowania chorób neurologicznych poprzez skuteczne wykrywanie biomarkerów”, dodaje Kilbane. „Poczyniliśmy ogromny krok w kierunku stworzenia bioinżynieryjnych narzędzi służących poprawie zdrowia mózgu”.
