Celične in tkivne mreže

Kolektivna aktivnost predstavlja osnovo ritmičnosti in aktivnosti nasploh v kompleksnih mrežah celic in tkiv. Nedavni tehnološki napredki v izdelavi bioloških označevalcev, izboljšave optičnih komponent, hitrosti zajemanja mikroskopskih podatkov ter pojav novih, občutljivejših detekcijskih sistemov so nam omogočili zajem eksperimentalnih podatkov, ki jih sedaj lahko izvorno vrednotimo z različnimi orodji napredne računske analize (teorija kompleksnih mrež, model spinskega stekla, model preklapljajoče faze, teorija naključnih matrik, ipd.) in tako bolje razumemo organizacijske in funkcionalne principe delovanja živih organov na različnih skalah. Že objavljene rezultate, o komuniciranju preko kratkodosežnih ali dolgodosežnih povezav med celicami bomo nadgradili z različnimi oblikami zunajcelične signalizacije z upoštevanjem mikrofluidičnih zakonitosti in Big Data analitičnih rešitev. Tovrstna analiza bo omogočila tekoče zapisovanje kinetike znotrajceličnega kalcija v različnih fizioloških in farmakoloških režimih, kakor tudi v patofizioloških razmerah. Kombinacija znotrajcelične dinamike in mikrofluidne analize bo pripomogla k rekonstrukciji funkcionalnih trirazsežnih modelov tkiv in k razumevanju fiziologije in patofiziologije v kontekstu prostorske organizacije in mrež signalnih poti. Dostopnost človeškega tkiva bo omogočila neposredno evalvacijo rezultatov pridobljenih na živalskih modelih, kar je pomembno iz vidika evolucijske biologije kot tudi potencialnih kliničnih aplikacij. Rezultati naših poskusov in analiz celičnih kolektivov, izdelanih v okviru predlaganega raziskovalnega programa bodo uporabljeni za strategije preprečevanja, diagnostike in zdravljenja pomembnih bolezenskih stanj. Začetni poudarki bodo na preučevanju pakreatičnih otočkov kot endokrinih organov, ki dostavljajo kritično pomembne hormone, npr. inzulin, drugim celičnim sistemom v telesu. Motnje v signalizaciji inzulina v telesu pripeljejo do sladkorne bolezni, ki predstavlja resno grožnjo javnemu zdravstvu.

Tkivne rezine so bile zaradi svoje kompleksnosti doslej le redko uporabljene za preučevanje tkivne funkcije. Pred nedavnim je naša skupina razvila novo tehniko za preučevanje endokrine funkcije trebušne slinavke, organa, ki je pomemben pri uravnavanju nutrientov v krvi in katerega nepravilno delovanje je kritično pri mnogih boleznih, npr. sladkorni bolezni. Naš pristop je prvi, ki omogoča, da izmerimo električno aktivnosti, znotrajcelično odklanjanje koncentracije prostega kalcija in izločanje insulina pri beta-celicah v intaktnem tkivu na ravni posamezne celice in kjer lahko ionske kanale in metabolno aktivnost preučujemo hkrati s sekretorno kompetenco. Pričakujemo, da bo uporaba živali divjega tipa, metabolno kompromitiranih glodalskih modelov, modelov s tarčni izbitimi geni in človeških vzorcev dala ključne podatke o defektih, ki povzročijo endokrino bolezen, kot npr. sladkorno bolezen in nam pomagala razviti nove metode preventive, zdravljenja in diagnostike. Na obstoječem vrhunskem multifotonskem mikroskopu smo inovativno razvili nove pristope za uporabo fluorescenčnih označevalcev dinamičnih sprememb v celični koncentraciji kalcija in membranski napetosti. Z interdisciplinranim pristopom pa bomo izvirne poskusne podatke nadgradili z naprednimi računskimi pristopi (teorija kompleksnih mrež, model spinskega stekla, model preklapljajoče faze, teorija naključnih matrik, analize velike količine podatkov).

Endokrine motnje, kot npr. sladkorna bolezen so v razvitem svetu zelo razširjene in tukaj Republika Slovenija ni izjema. Približno 8% Evropejcev in več kot 415 milijonov ljudi po celem svetu boleha za sladkorno boleznijo. Zaradi povečane obolevnosti v razvitem, kot tudi razvijajočem se svetu, ta bolezen predstavlja vedno večji problem za javno zdravstvo. Vzrok sladkorne bolezni je še nezadostno poznan. Prevladujoče je mnenje, da gre za omnigeno bolezen, na katero vplivajo številni, tudi okoljski dejavniki. Običajno nastopi v srednjih letih, obolevnost je pogostejša ob sočasni debelosti. Glede na epidemične razsežnosti bolezni in trenutni način diagnostike in zdravljenja predstavlja vedno bolj resno grožnjo za javni zdravstveni sistem. Alternativna in stroškovno učinkovejša diagnostika in terapija endokrinih motenj, vključno s sladkorno boleznijo, bo značilno doprinesla k razbremenitvi javnega zdravstvenega sistema.