Zaměření výzkumu

Výzkumné týmy CENAB se dlouhodobě zaměřují na vývoj chemicky modifikovaných nanovlákenných materiálů, nanokompozitů a polymerních nanovrstev pro specifické funkce – pro ochranu životního prostředí, technické a medicínské aplikace. Zabýváme se rovněž studiem interakcí nanomateriálů s biologickými modely na různých úrovních komplexity, problematikou cíleného doručování léčiv a vývojem mikrofluidních zařízení pro biotechnologie a lékařskou diagnostiku.

Příprava a charakterizace nových materiálů pro oblast tkáňového inženýrství

Využití mnoha materiálů může být limitováno tím, že jejich povrchové vlastnosti nejsou vhodné pro některé aplikace. Proto je cílem našeho výzkumu vyvíjet metody pro cílenou úpravu těchto povrchových vlastností tak, abychom je zlepšili a rozšířili tak oblast jejich využití. Využíváme metody chemické, fyzikální, fyzikálně chemické nebo jejich kombinaci tak, abychom změnili povrchovou chemii, náboj, drsnost, smáčivost, které posléze mohou vést k následné lepší adhezi nových chemických látek podporujících růst buněk či omezující růst bakterií a řas.

Kontaktní osoba: doc. Ing. Zdeňka Kolská, Ph.D.

Výzkum nanovlákenných membrán pro antimikrobiální nanofiltrace

Zabýváme se vývojem polymerních nanovlákenných membrán, které připravujeme elektrostatickým zvlákněním a zároveň je chemicky modifikujeme antimikrobiálními látkami. Součástí vývoje jsou rovněž charakterizace vzdušné a kapalinové propustnosti a testy antimikrobiální účinnosti. Testujeme také stabilitu složení membrán a stabilitu jejich účinnosti v čističkách vzduchu. Technologie výroby je tzv. jednokroková, to znamená, že modifikující antimikrobiální látky jsou vloženy přímo do zvlákňujících roztoků. Tyto membrány jsou vhodné jak pro čističky vzduchu, tak i jako obličejové ochranné masky.

Kontaktní osoba: prof. RNDr. Pavla Čapková, DrSc., RNDr. Petr Ryšánek, Ph.D.

Vývoj nanokompozitních membrán degradující nebezpečné toxické polutanty

Ve spolupráci s komerčními partnery vyvíjíme nanokompozitní membrány pro degradaci nebezpečných látek. Polymerní nanovlákenné membrány připravené elektrostatickým jehlovým zvlákněním jsou chemicky modifikované nanočásticemi směsných oxidů přechodných kovů a vybranými chemickými látkami pro specifické funkce, např. pro degradaci toxických a zvlášť obtížně rozložitelných polutantů (jako jsou pesticidy, cytostatika a nervově paralytické látky).

Kontaktní osoba: prof. RNDr. Pavla Čapková, DrSc.

Vývoj nové generace organicko/anorganických materiálů pro detekci, zachycení a využití CO2

Vyvíjíme chemicky modifikované nanostrukturované materiály, nanovlákenné membrány a nanokompozitní materiály na bázi nanovláken a nanočástic pro selektivní záchyt plynů (CO2) ze specifických chemických a fotokatalytických procesů a jejich zpětné využití.

Kontaktní osoba: doc. Ing. Zdeňka Kolská, Ph.D.

Pokročilé plazmonové technologie pro výrobu, skladování a využití “zeleného” vodíku

Podílíme se na vývoji nanokompozitních materiálů pro selektivní záchyt a zpětné využití “zeleného” vodíku jako součást kaskádové filtrace odpadních plynů.

Kontaktní osoba: doc. Ing. Zdeňka Kolská, Ph.D.

Příprava a charakterizace nanomateriálů a nanostrukturovaných materiálů pro oblasti vývoje inteligentních magnetických materiálů

Výzkum je zaměřen na přípravu nových magnetických materiálů v objemové formě, ukotvené v polymerním médiu, organokovové síti a/nebo deponovaných na různých substrátech na bázi polymerů. U připravených materiálů probíhá charakterizace vlastností deponovaných složek (struktura povrchu, morfologie, chemické složení, náboj, optické vlastnosti, povrch a porozita, magnetické vlastnosti) řadou metod a materiály slouží ke studiu spinově-mřížkové relaxační doby, změnu magnetické rozměrnosti a odezvy na externí excitaci. Navržené studie přispějí k pochopení jevů předpokládaných v novém typu uspořádání zvaném „spinterface“.

Kontaktní osoba: doc. Ing. Zdeňka Kolská, Ph.D.

Exosomy jako přirozené nanovesikuly v mezibuněčné komunikaci a studium jejich využití pro dopravu léčiv do buněk

Vezikuly odvozené (EVs) z plazmatické membrány – exosomy jsou významnými indikátory fyziologických i patologických procesů organismu i jednotlivých buněk. Transportují informační a regulační molekuly. Exosomy mají významný vliv jako diagnostické markery a současně mohou ovlivnit např. vývoj metastáz u nádorových onemocnění či progresi degenerativních změn, nebo modulaci imunitních reakcí. Současně jsou EVs široce studovány pro svou schopnost transportovat vložené regulační molekuly či léčiva. EVs procházejí hematoencefalickou bariérou a jsou proto také studovány pro terapeutické účely zacílené na CNS. Cílem studia je charakterizace produkce a složení exosomů v závislosti na terapeutických přístupech. Dále pak modulace exosomů po interakci s léčivy či nanomateriály, jejich přenos, a také možnost transportovat léčiva a nanomateriály jejich prostřednictvím. Dalším cílem studia je také vytvoření nového terpeutického přístupu – in vitro modelu hematoencefalické bariéry pro studium přenosu léčiv a nanomateriálů a exosomů s léčivy a nanomateriály přes tuto bariéru.

Kontaktní osoba: Mgr. Olga Janoušková, Ph.D.

Studium vývojové toxicity nanomateriálů v in vivo modelu Danio rerio

Modelový organismus – ryba dánio pruhované (Danio rerio) umožňuje testovat širokou škálu látek, ať už z hlediska toxicity, tak i obecně jejich biologické aktivity či biodistribuce/akumulace v organismu. Mezi výhody tohoto organismu patří externí embryonální vývoj, který umožňuje neinvazivně a relativně jednoduše přímo sledovat vývoj embrya a jeho případné odchylky, způsobené toxicitou zkoumaných látek (např. syntetických či biologických nanočástic). Testování toxicity na embryích dania pruhovaného se řídí modifikovanou směrnicí OECD 236 (tzv. FET test), kdy jsou embrya vystavena stoupajícím koncentracím testované látky po dobu 96 hodin. Následně se na základě morfologických změn vyhodnocuje mortalita a stanovuje hodnota LC50 (koncentrace, při které uhyne 50% testovaných embryí).

Kontaktní osoba: Mgr. Michaela Liegertová, Ph.D.

Vývoj tzv. orgánů na čipu pro simulaci tkáňových bariér a 3D buněčné kultivace

V souvislosti s rychlým rozvojem poptávky po masivním testování nových potenciálně účinných léčiv a současnými etickými otázkami spojenými s využitím pokusných zvířecích modelů, narůstá výrazným tempem potřeba vývoje alternativních funkčních modelů tkání, tkáňových bariér či kompletních orgánů. V poslední době se do popředí zájmu dostávají modely, založené na kombinaci tzv. mikrofluidních zařízení a kultivovaných souborů buněk, schopných mimikovat konkrétní tkáň, popř. i celý orgán. Tyto tzv. orgány na čipu mohou výrazným způsobem posunout a urychlit základní a aplikovaný biologický výzkum, vyžadující v některé své fázi testování látek na živých organismech. Základním předpokladem tohoto přístupu je schopnost kultivace specifických biologických struktur se zajištěním vhodného mikroprostředí v jejich nejbližším okolí, jako je např. doprava živin či odvod metabolitů. Jednou z problematických oblastí, na které se vývoj těchto zařízení soustředí, je vývoj tzv. tkáňových bariér (např. endotel cév, hematoencefalická bariéra, rozhraní céva/nádor). Tyto bariéry jsou místem, kde dochází k selektivnímu prostupu látek (tj. i léčiv) z krve do tkání, k prostupu cirkulujících nádorových buněk či exosomů a následným metastázím. Vývoj mikrozařízení, které by simulovalo tyto bariéry, vyžaduje zajistit podmínky pro vytvoření dvou prostředí s odlišným dynamickým tokem látek a složením, oddělených ucelenou vrstvou buněk (dle typu modelu).
Zabýváme se vývojem nových typů mikrofluidních zařízení, vhodných pro konstrukci biologického modelu mimikujícího tkáňové bariéry. V rámci tohoto výzkumu kombinujeme řadu přístupů, jako je simulace hydrodynamických vlastností zařízení metodami počítačového modelování (CFD), výroba prototypů zařízení mikro(nano)technologickými postupy (laserová a UV fotolitografie, suché leptání DRIE, bonding procesy, 3D stereolitografie, soft litografie) zejména z polymerních materiálů a testování prototypů v buněčných kultivacích.

Kontaktní osoba: Mgr. Jan Malý, Ph.D., Mgr. Marcel Štofik, Ph.D.

Studium vlastností cytoskeletu

Cytoskelet je dynamický soubor proteinových polymerů zodpovědný za základní mechanické, transportní, ale i signalizační vlastnosti buňky (buněčný pohyb, resilience, dělení, vnitrobuněčný transport, senzorické funkce aj.).
Pro studium vlastností cytoskeletu v současnosti využíváme nově zaváděný modelový organismus, želvušku Hypsibius exemplaris. Želvušky (Tardigrada) jsou drobní bezobratlí s velmi vysokou odolností k extrémním vlivům prostředí (sucho, nízké teploty, radiace, vysoká osmolarita, vakuum atd.). Nepříznivým podmínkám čelí mnohé nejodolnější druhy morfologickou přeměnou do stavu s téměř nulovou hladinou metabolismu zvanému kryptobióza. Za příznivých podmínek se však opět dokáží vrátit zpět do normálního stavu. Jak tyto zajímavé procesy probíhají a jaké jsou jejich molekulární mechanismy je stále z velké části neznámé. Je však jisté, že v morfologických změnách hraje nezastupitelnou roli právě cytoskelet. O jeho stavbě a složení u želvušek je toho však známo doposud velmi málo.
V současně řešeném projektu vytváříme bioinformatické nástroje pro analýzu cytoskeletálních genů u želvušek. Na jejich analýze spolupracujeme se skupinou dr. Cedrica Notredame z Centre for Genomic Regulation (CRG) v Barceloně. Cílem projektu je vytvořit nástroje pro analýzu želvuščích cytoskeletálních genů a jejich postupnou fylogenetickou i funkční charakterizaci. Mezi dalšími připravovanými projekty je např. transgeneze želvušek. V rámci všech projektů týkajících se želvušek úzce spolupracujeme s dr. Michaelou Czernekovou, expertkou na želvušky z katedry biologie PřF, UJEP.
V budoucnu plánujeme využití modelu hlodavčích primárních embryonálních neuronálních kultur pro studium sestřihových variant cytoskeletálních genů v průběhu neuronálního vývoje pomocí metod nejen molekulárně biologických (editace genomu metodou Crispr/Cas9, mikroskopická analýza neuronálního vývoje), ale i fyzikálních (studium diferenciace a růstu wt i geneticky modifikovaných neuronů na speciálně upravených površích či v rozličných 3D prostředích).

Kontaktní osoba: Ing. Stanislav Vinopal, Ph.D.

Studium interakce nanomateriálů s buněčnými systémy či biologickými modely a jejich využití pro cílenou dopravu léčiv

Výzkum v této oblasti je zaměřen na sledování širokého spektra nanomateriálů (polymerů, nanokrystalů, nanogelů, dendrimerů) určených pro medicínské aplikace v interakci s buňkami či buněčnými modely in vitro. Nanomateriály jako terapeutika mohou významně pomoci v minimalizaci vedlejších účinků nízkomolekulárních látek, dále v zacílení terapie a zlepšení biodistribuce léčiv. Cílem studia je popis chování buněk a buněčných modelů z pohledu morfologie, viability, změny genové a proteinové exprese, proliferace a diferenciace po interakci s nanomateriálem. Dále pak popis chování nanomateriálu v buňkách a buněčných systémech, zejména pak transport, lokalizace, stabilita, degradace. In vitro studie realizujeme s využitím klasických 2D tkáňových kultur a dále také s využitím 3D kultur – sferoidů, které blíže mimikují přirozené nádorové prostředí.

Kontaktní osoba: Mgr. Olga Janoušková, Ph.D.

Biofyzikální studie interakce nanomateriálů s biologickými modely (liposomy, proteiny, nukleové kyseliny)

Zabýváme se studiem interakce nanomateriálů s jednoduchými biologickými modely, jako jsou liposomy, proteiny a nukleové kyseliny. Cílem výzkumu je popsat základní vlastnosti nových typů nanomateriálů zejména s ohledem na jejich potenciální negativní vliv na biologické struktury. Pro simulace biologických membrán využíváme uměle připravené liposomy různého složení, velikosti a povrchového náboje. Studujeme změny fyzikálně-chemických parametrů membrán jako důsledek interakce s nanočásticemi využitím řady biofyzikálních a mikroskopických metod, jako je např. fluorescenční anizotropie, diferenciální skenovací kalorimetrie, dynamický rozptyl světla, zeta-potenciálové měření a transmisní elektronová mikroskopie. Vyvíjíme rovněž nové způsoby cílené povrchové modifikace lipozómů polymerními nanočásticemi pro jejich potenciální využití jako drug-delivery systémy. Studujeme vznik komplexů nanomateriálů s modelovými proteiny s cílem popsat možnou denaturaci proteinů, vznik nanočásticových či proteinových koron atp. Využíváme techniky, jako je izotermální titrační kalorimetrie, spektroskopie cirkulárního dichroismu a spektrofluorimetrie. Experimentální výsledky jsou rovněž podpořeny pomocí molekulárních simulací na atomární a mezoškálové úrovni.

Kontaktní osoba: Mgr. Jan Malý, Ph.D., MSc. Dominika Wróbel, Ph.D.

Vývoj mikrofluidních diagnostických zařízení/biosenzorů pro detekci nádorových markerů

Zabýváme se vývojem mikrofluidních zařízení pro lékařskou diagnostiku s cílem detekovat, resp. izolovat tzv. vzácné buňky (např. cirkulující nádorové buňky) a exosomy, jako potenciální markery nádorových onemocnění. Navrhujeme a vyvíjíme prototypy těchto zařízení a testujeme jejich funkčnost. Při vývoji těchto zařízení využíváme postupy: (i) návrh designu v CAD systému, (ii) studium hydrodynamiky pomocí CFD simulací, (iii) výroba zařízení z různých materiálů (sklo, polymery, křemík) a různými postupy (UV fotolitografie, výroba masek, výroba masterů pro soft litografii z fotorezistů a suchým leptáním (DRIE), soft litografie, UV-NIL litografie, bonding procesy), (iv) napojení zařízení na interface (3D tištěné konektory, pumpy atp.), (v) modifikace povrchů mikrofluidního zařízení (chemická modifikace, navázaní specifických binderů atp.), (vi) testování funkčnosti na modelových a reálných vzorcích (optická detekce pod fluorescenčním/konfokálním mikroskopem).

Kontaktní osoba: Mgr. Jan Malý, Ph.D., Mgr. Marcel Štofik, Ph.D.