Współcześnie ekosystemy morskie są narażone na liczne problemy związane z działalnością człowieka, zmianą klimatu i innymi czynnikami, które mają negatywny wpływ na ich zdrowie i funkcjonowanie. Nie inaczej jest w przypadku Morza Bałtyckiego. Specyficzna charakterystyka geograficzna i hydrologiczna Bałtyku decyduje o jego wyjątkowej wrażliwości na różnego rodzaju presje związane z działalnością człowieka.

prof. dr hab. Ksenia Pazdro, fot. Michał Łepecki Bałtyk jest półzamkniętym akwenem o słonawych wodach i stosunkowo niskiej różnorodności organizmów. Jest zlokalizowany w gęsto zaludnionym obszarze, a w jego zlewni mamy do czynienia z intensywnym rolnictwem i działalnością przemysłową. Ponadto na jego wodach odbywa się około 15% światowego transportu morskiego. Zanieczyszczenia chemiczne stanowią zatem jedno z głównych zagrożeń dla Bałtyku, negatywnie wpływając na stan zdrowia jego fauny i flory, a w konsekwencji zagrażając jego różnorodności biologicznej. Dotychczas podjęte działania, zarówno te w skali krajowej, regionalnej oraz na poziomie Unii Europejskiej, znacznie poprawiły stan Bałtyku. Udało się zmniejszyć ilość substancji niebezpiecznych doprowadzanych do morza, jednak w dalszym ciągu są one obecne w ekosystemie. Zjawiska ekstremalne, w tym sztormy, mogą zwiększać ryzyko ponownego uwolnienia do wód Bałtyku zanieczyszczeń. Na uwagę zasługuje też nowa grupa związków tzw. mikrozanieczyszczenia (np. pozostałości farmaceutyków, plastyfikatory, detergenty, środki ochrony osobistej). Mikrozanieczyszczenia są w różnym stopniu usuwane podczas oczyszczania ścieków, niewiele wiemy o ich oddziaływaniu na organizmy. Utrzymanie w dobrej kondycji tak wrażliwego ekosystemu, jakim jest Morze Bałtyckie, wymaga więc dalszych zdecydowanych działań instytucji odpowiedzialnych za ochronę ekosystemów morskich. Do tego potrzebne są jednak nowoczesne, miarodajne i użyteczne narzędzia. Obecne badania monitoringowe kondycji Bałtyku przebiegają dwutorowo, uwzględniając badania stanu chemicznego środowiska oraz ocenę kondycji organizmów morskich. Co więcej, badania prowadzone dotychczas uwzględniały jedynie wpływ pojedynczych, wybranych substancji, a nie „koktajlu” pierwiastków i związków chemicznych, który jest obecny w wodach Bałtyku.

prof. dr hab. Ksenia Pazdro, fot. Michał Łepecki W ramach projektu Detect2Protect proponujemy zmianę podejścia do ochrony Bałtyku na bardziej holistyczną i skupiającą się na efektach oddziaływań zanieczyszczeń (ang. effect-based methods, EBM). Coraz więcej dowodów wskazuje, że metody oparte na efektach biologicznych mogą stanowić narzędzie umożliwiające odróżnienie toksyczności chemicznej od innych możliwych przyczyn spadku różnorodności biologicznej i służyć jako narzędzie wczesnego ostrzegania o potencjalnych zagrożeniach. Celem projektu jest lepsze zrozumienie związków przyczynowo-skutkowych między zanieczyszczeniem środowiska, a zmianami w różnorodności biologicznej oraz dostarczenie narzędzi do oceny ryzyka środowiskowego w różnych rejonach Bałtyku. W tym celu wykorzystane zostaną tzw. biomarkery, czyli biochemiczne wskaźniki oddziaływania zanieczyszczeń na organizmy morskie. Zharmonizowane badania zostaną przeprowadzone przez naukowców z morskich instytucji badawczych z Finlandii, Estonii, Łotwy, Litwy, Szwecji, Polski i Włoch. Projekt zakłada śledzenie związków między zanieczyszczeniem chemicznym Bałtyku a potencjalną utratą bioróżnorodności, wykorzystując istniejące dane z monitoringu dotyczące zanieczyszczeń chemicznych oraz dane biologiczne. Przeprowadzimy również wspólne badania terenowe w obszarach przybrzeżnych Polski, Łotwy, Litwy, Estonii, Szwecji i Finlandii porównując w każdym z nich miejsca zanieczyszczone z miejscami referencyjnymi. Badania obejmą pomiary stężeń zanieczyszczeń chemicznych w różnych elementach środowiska oraz pomiary efektów biologicznych w reprezentatywnych dla każdego rejonu gatunkach mięczaków, skorupiaków, wieloszczetów i ryb. Do oceny różnorodności biologicznej zostanie wykorzystane metabarkodowanie eDNA. Aby stworzyć odpowiednie narzędzia do modelowania predykcyjnego, potrzebna będzie obszerna analiza zebranych danych i ich integracja.

Mamy nadzieję, że uzyskane wyniki pozwolą na zdefiniowanie relacji pomiędzy zanieczyszczeniem wód Bałtyku, a reakcją organizmów na poziomie biochemicznym oraz wyodrębnienie odpowiednich organizmów i biomarkerów wskaźnikowych dla badanych rejonów morza, stanowiąc jednocześnie przyczynek do ochrony jego bioróżnorodności. Wyniki badań, w tym sprawdzony zestaw wskaźników biologicznych (jako narzędzie wczesnego ostrzegania) i zalecenia dotyczące zastosowania w różnych regionach Morza Bałtyckiego, przedstawimy zainteresowanym instytucjom takim jak HELCOM. Podzielimy się też zdobytą wiedzą z szerokim gronem odbiorców, tak aby podnieść świadomość społeczną dotyczącą wpływu mieszanin chemikaliów na możliwą utratę bioróżnorodności w Morzu Bałtyckim.

Wirus SARS-CoV-2, odpowiedzialny za wybuch pandemii COVID-19 w 2020 roku, wywarł ogromny wpływ na światowe systemy ochrony zdrowia. Początkowo uważany był za czynnik zakażeń układu oddechowego, ale okazało się, że jest także przyczyną poważnych uszkodzeń ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Aż 40% zakażonych pacjentów doświadcza przewlekłych objawów neurologicznych, popularnie nazywanych „mgłą covidową”. Chociaż niektóre z tych objawów, (np. zawroty głowy) są stosunkowo łagodne, to u niektórych pacjentów dochodzi do poważnych następstw, takich jak udar czy encefalopatia (uszkodzenie mózgowia). Wobec ciągle toczącej się pandemii SARS-CoV-2, kluczowe jest zrozumienie mechanizmu tych uszkodzeń i opracowanie skutecznych metod ich leczenia. Łukasz Suprewicz, fot. Michał Łepecki

Sposób, w jaki SARS-CoV-2 wpływa na mózg pozostaje nadal przedmiotem intensywnych badań. Jedna z hipotez mówi o nadmiernym wydzielaniu mediatorów zapalnych, określanym jako „burza cytokinowa”, oraz o bezpośrednim wpływie białka S, które wirus wykorzystuje do wniknięcia do naszych komórek. Te procesy są łączone z uszkodzeniem bariery między krwią a strukturami mózgu (tzw. bariery krew-mózg). Jej przerwanie prowadzi do zwiększonego przenikania do mózgu szkodliwych substancji, m.in. wirusów i czynników zapalnych.

W tym kontekście pojawia się rola wimentyny ‒ białka, które buduje cytoszkielet większości komórek, gdzie odgrywa kluczową rolę w procesach takich jak podział komórkowy, migracja oraz ochrona jądra komórkowego przed uszkodzeniem mechanicznym. Wimentyna może być wydzielana do krwi przez komórki układu immunologicznego w odpowiedzi na stan zapalny i nazywamy ją wówczas wimentyną zewnątrzkomórkową. Wyróżniamy dwie formy zewnątrzkomórkowej wimentyny: związaną z powierzchnią komórki oraz niezwiązaną. W jednej z wcześniejszych prac wykazaliśmy, że zewnątrzkomórkowa wimentyna pełni rolę koreceptora dla SARS-CoV-2, a więc jest niezbędna do skutecznej infekcji komórek (Suprewicz et. al. Small 2022).

Łukasz Suprewicz, fot. Michał Łepecki Celem projektu jest poznanie roli zewnątrzkomórkowej wimentyny w procesie zapalnym w OUN towarzyszącym zakażeniu SARS-CoV-2. Badamy mechanizm wpływu zewnątrzkomórkowej  wimentyny na różne rodzaje komórek występujących w obrębie mózgu, takich jak komórki śródbłonka i astrocyty.  Wykorzystujemy trójwymiarowy model bariery krew-mózg w przepływie, aby ocenić przepuszczalność i integralność komórek śródbłonka, a także adhezję i migrację komórek immunologicznych w obecności wimentyny oraz białka SARS-CoV-2. W kolejnym etapie badań ocenimy wpływ badanych substancji na stan zapalny poprzez analizę wydzielania mediatorów zapalnych. Ostatecznie, na poziomie molekularnym, zbadane zostaną szlaki sygnałowe charakterystyczne dla infekcji SARS-CoV-2 oraz uszkodzenia naczyń krwionośnych.

Wyniki uzyskane w ramach tego projektu mogą znacząco rozszerzyć naszą wiedzę na temat wpływu zewnątrzkomórkowej wimentyny i jej modyfikacji na interakcję komórek śródbłonka i komórek immunologicznych podczas zakażenia SARS-CoV-2. To może przyczynić się do skuteczniejszego leczenia pacjentów z COVID-19, w szczególności tych, którzy doświadczają powikłań neurologicznych. Praca może także wskazać nowe cele terapeutyczne, które pomogą w walce z ewentualnymi, kolejnymi globalnymi pandemiami, biorąc pod uwagę, że rola zewnątrzkomórkowej wimentyny jako koreceptora nie jest ograniczona jedynie do SARS-CoV-2 lecz dotyczy również innych zakażeń, w tym bakteryjnych.

Diapedeza ludzkich neutrofilów nietraktowanych lub stymulowanych wimentyną (Vim), cytrulinowaną wimentyną (CitVim) lub lipopolisacharydem (LPS) w model 3D naczyń krwionośnych. Elastaza neutrofilowa (zielony), aktyna (czerwony), DNA (niebieski).

Zakażenia bakteryjne powodowane przez zorganizowane społeczności komórek drobnoustrojów nazywane biofilmami, stanowią narastający, multidyscyplinarny i złożony problem medyczny. Struktury te pokryte są zewnątrzkomórkową, ochronną macierzą, która znacznie utrudnia dotarcie antybiotykom oraz antyseptykom do ukrytych w niej komórek bakteryjnych. Między innymi dlatego biofilmy charakteryzują się nawet 1000-krotnie większą tolerancją na środki przeciwdrobnoustrojowe w porównaniu do komórek tego samego drobnoustroju występujących w tak zwanej formie planktonicznej (pozbawionej ochronnej warstwy macierzy). Pomimo postępów w nauce i technologii, wciąż nie dysponujemy wystarczająco skutecznymi metodami zapobiegania i zwalczania infekcji wywołanych przez drobnoustroje tworzące biofilm.

prof. Karol Fijałkowski, fot. Michał Łepecki W swoich wcześniejszych badaniach odkryliśmy, że Wirujące Pole Magnetyczne (WPM) o ściśle zdefiniowanych parametrach podnosi aktywność przeciwdrobnoustrojową antybiotyków oraz antyseptyków względem patogennych biofilmów. Uznaliśmy, że obserwacja ta może mieć fundamentalne znaczenie w opracowywaniu nowatorskich metod zwalczania biofilmów i zapobiegania ich powstawaniu, ale do tego celu konieczne było wyjaśnienie mechanizmów stojących za obserwowanym efektem. Dlatego podstawowym celem niniejszego projektu było wyjaśnienie mechanizmów istotnie podwyższonej aktywności związków przeciwdrobnoustrojowych – antyseptyków i antybiotyków – względem biofilmów bakteryjnych w obecności WPM.

Prace badawcze prowadzone były z wykorzystaniem generatorów WPM, skonstruowanych w trakcie realizacji wcześniejszego projektu „Lider V”, przyznanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Wykorzystując zaawansowane techniki spektrometryczne wykazaliśmy, że WPM zmienia skład chemiczny macierzy biofilmowej, co przekładało się między innymi na jej podwyższoną porowatość, którą zaobserwowaliśmy z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej. Stwierdziliśmy także zmiany w stężeniach białek występujących w ścianie komórkowej bakterii poddanych ekspozycji na WPM. Ponadto udało nam się wykazać różnice w metabolizmie bakterii eksponowanych na WPM, przejawiające się między innymi zmianami w stężeniu cząsteczek odpowiedzialnych u bakterii za przekazywanie informacji. Udowodniliśmy również, że efekt wywierany przez WPM (bez substancji przeciwdrobnoustrojowej) manifestuje się poprzez spektrum relatywnie subtelnych zmian kumulujących się przede wszystkim w komórkowych strukturach zewnętrznych ‒ ścianach i błonach komórkowych oraz w macierzy biofilmowej. Aktywność WPM była na tyle subtelna, że komórki zdolne były do relatywnie szybkiego usuwania uszkodzeń, co z kolei przejawiało się brakiem trwałego efektu poekspozycyjnego. Jednakże, po wprowadzeniu do eksponowanych na WPM hodowli bakteryjnych środka przeciwdrobnoustrojowego, szczególnie takiego, którego mechanizm aktywności opiera się na uszkodzeniu ścian komórkowych, dochodziło do silnego podniesienia jego skuteczności, przejawiającej się zwiększoną liczbą martwych, niezdolnych do wzrostu komórek. Istotnie podniesioną efektywność substancji przeciwdrobnoustrojowej pod wpływem WPM obserwowaliśmy także przy zmniejszonym jej stężeniu i w krótszym czasie kontaktowym, w porównaniu do efektów osiąganych w układzie niepoddawanym ekspozycji na WPM. Jak ustaliliśmy, w tym wypadku zwiększona efektywność substancji przeciwdrobnoustrojowych związana była przede wszystkim z szeregiem zmian indukowanych przez WPM w morfologii, ale także w metabolizmie i proteomie bakterii, dzięki którym oddziaływała ona z osłabionymi pod względem funkcjonalnym i strukturalnym komórkami, a w przypadku kiedy rozpatrywany był biofilm, również z częściowo zdezintegrowaną macierzą.

Projekt realizowany był w ramach konsorcjum z instytutem naukowo-badawczym Sieć Badawcza Łukasiewicz ‒ PORT Polski Ośrodek Rozwoju Technologii. Koordynatorem projektu po stronie partnera był dr hab. Adam Junka, prof. UMW.

Nasz projekt badawczy to innowacja w dziedzinie nanomateriałów węglowych. Nanostruktury są geometrycznymi, skomplikowanymi, często periodycznymi powierzchniami o rozmiarach nanometrycznych czyli ok. 1/100 grubości ludzkiego włosa. W projekcie skupiamy się na tworzeniu nanostruktur z diamentu o periodycznej strukturze, które mają nadzwyczajne właściwości optyczne oraz elektroniczne i są trudne lub wręcz niemożliwe do wytworzenia za pomocą konwencjonalnych technologii. Co więcej, używamy syntetycznego diamentu, co sprawia, że uzyskujemy materiał o wyjątkowej stabilności chemicznej i biokompatybilności.

Diament jest znanym materiałem o niezwykłej twardości, przez co jego nanostrukturyzowanie, czyli kształtowanie powierzchni w skali nano za pomocą atomów, jest wyjątkowo trudne. Jednak dzięki zaawansowanym technologiom stosowanym w przemyśle półprzewodnikowym, jesteśmy w stanie osadzać syntetyczny diament na matrycach o określonym kształcie, tworząc trójwymiarowe nanostruktury. Innym podejściem jest tworzenie trójwymiarowych nanostruktur z kompozytów diamentowych, które indukują periodyczność w strukturze.

dr hab. inż. Robert Bogdanowicz, fot. Michał Łepecki Projekt ma na celu wytworzenie i zbadanie nowych trójwymiarowych nanostruktur diamentowych, zoptymalizowanych pod kątem potrzeb medycyny i produkcji bioczujników. Tym co sprawia, że nasze struktury są wyjątkowe, jest możliwość jednoczesnego odczytu sygnałów optycznych i elektrochemicznych, co redukuje ryzyko błędów i skraca czas pomiaru w porównaniu do tradycyjnych czujników. Dane elektrochemiczne w połączeniu z odczytem optycznym są niezwykle wiarygodne i umożliwiają wczesną diagnostykę. To pozwala na wykrywanie materiałów biologicznych, np. wirusów, komórek rakowych, bakterii, markerów chorobowych, w sposób wysoce selektywny i czuły. Bioczujniki, czyli biosensory, to platformy detekcyjne, które wykorzystują biologiczne receptory, na przykład przeciwciała, do wykrywania różnych materiałów biologicznych. Aby uzyskać selektywność w wykrywaniu określonych materiałów biologicznych konieczne jest biofunkcjonalizowanie powierzchni czujnika, polegające na uczulaniu powierzchni na konkretne i specyficzne oddziaływania biologiczne poprzez specyficzne oddziaływanie białek. Do tego celu używamy białek antygenów.

Kluczowym elementem projektu jest współpraca polskich i czeskich naukowców. Naukowcy z Pragi specjalizują się w tworzeniu i diagnozowaniu periodycznych struktur diamentowych, badacze z Gdańska zajmują się modyfikacją ich parametrów elektrochemicznych, a grupa z Warszawy to optoelektronicy specjalizujący się w biosensoryce. Synergia kompetencji i doświadczeń pozwoli na zrozumienie i rozwinięcie potencjału tych fascynujących nanostruktur.