Jak komórki macierzyste złożyły bandaż w medyczne origami

Iwona Kłopocka-Marcjasz
Iwona Kłopocka-Marcjasz
Dominika (z lewej) i Joanna podczas prezentacji swojego projektu. Dziewczyny zapraszają na stronę https://www.facebook.com/origamibiobandage.
Dominika (z lewej) i Joanna podczas prezentacji swojego projektu. Dziewczyny zapraszają na stronę https://www.facebook.com/origamibiobandage. Krajowy Fundusz na Rzecz Dzieci
Na pomysł naukowego projektu łączącego origami, komórki macierzyste i modelowanie matematyczne Dominika Bakalarz, maturzystka z III LO w Opolu, wpadła w wiedeńskim metrze.

Krajowy Fundusz na Rzecz Dzieci

Krajowy Fundusz na Rzecz Dzieci od 1983 roku przyznał 13 175 nominacji do programu pomocy wybitnie zdolnym uczniom.
Fundusz jest także od 20 lat krajowym organizatorem Konkursu Prac Młodych Naukowców Unii Europejskiej. Młodzi badacze z Polski zdobyli w EUCYS aż 22 nagrody główne i 22 dodatkowe.

Dominika i jej przyjaciółka Joanna Jurek, również maturzystka, z Piotrkowa Trybunalskiego, właśnie spędzały wakacje na stażu z fizyki kwantowej w Wiedniu. Rano biegły do laboratorium Instytutu Kwantowej Optyki i Informatyki, a popołudniami zwiedzały zabytki. Pewnego wieczoru wracały zmęczone do hotelu i jadąc metrem, umilały sobie czas niezobowiązującą paplaniną, jak to nastolatki. Dominika opowiadała Asi o fascynującej prezentacji w internecie Roberta Langa, na temat połączenia jej największych pasji: origami i matematyki.

Prelegent był z zawodu origamistą i opowiadał o tym, jak coraz większa liczba naukowców zgłasza się do niego z prośbą o pomoc przy rozwiązaniu problemów inżynierskich. Najczęstszą trudnością była potrzeba złożenia danego obiektu do mniejszego rozmiaru, a następnie ponownego rozłożenia go. Było tak np. w przypadku gigantycznego satelity, który nie mieścił się w żadnej rakiecie, więc został złożony i rozkładał się dopiero po wyniesieniu na orbitę.

Asię, zakochaną w biologii i biotechnologii, akurat czekał kolejny staż badawczy i dziewczyny postanowiły zastosować origami w inżynierii medycznej. Kiedy wysiadały z metra, już wiedziały, że zrobią wspólny projekt. W hotelu od razu rzuciły się do komputera i napisały do Roberta Langa prośbę o rozwinięcie wątku dotyczącego origami w medycynie. Dowiedziały się, że jedyną grupą badawczą nad tym pracującą byli japońscy naukowcy pod kierunkiem Kaori Kuribayashi-Shigetomi, którzy zajmowali się cell origami, czyli składaniem origami z wykorzystaniem komórek.

Mówiąc w skrócie - komórki nałożone na siatki sześcianów i czworościanów dzięki siłom trakcyjnym i jeszcze dla zachęty dźgane pęsetą, składają te siatki w bryły. Dziewczyny zainspirowały się tym wątkiem. Po długich dyskusjach i z pomocą opiekunów, postanowiły zaprojektować taki materiał, który mógłby się zwinąć w rulon i w celach leczniczych zostać wprowadzony do ludzkiego organizmu - po to, by otrzymać narzędzie do rekonstrukcji tkanek. Tak narodził się projekt "Origami BioBandage - multipotencjalny bioimplant oparty na nanowłókninie o powierzchni zmodyfikowanej przez komórki macierzyste".

Podział pracy wynikał ze specjalizacji obu dziewczyn. Joanna zajęła się na stażu badawczym na Politechnice Warszawskiej oraz w Centrum Onkologii syntezą maty polimerowej i przygotowaniem komórek. Matę zasiedliła komórkami macierzystymi - w połączeniu tworzą one bioimplant. Wyniki doświadczeń przekazała Dominice, a młoda opolanka tłumaczyła je na język matematyczny. - Modelowanie matematyczne kluczowe było do wykazania, że komórki na macie są w stanie ją poskładać - wyjaśnia Dominika. - Musiałam udowodnić, że siły wytwarzane przez te komórki są wystarczające duże, by tego dokonać. Poszłyśmy w stronę modelowania matematycznego i dalej rozwijałyśmy projekt pod kątem badań in silico (tym terminem określa się badania przeprowadzone z użyciem komputera). To bardzo świeża dziedzina nauki. Chodzi o to, by badania medyczne najpierw przeprowadzić w formie symulacji komputerowej, a potem przechodzić do kolejnych etapów. Zajęłam się więc komputerowym odwzorowaniem naszego bioimplantu.
Pierwszy model wykazał, poprawność założeń, że komórki mogą wchodzić w interakcję z matą i że można wykorzystać siły komórek macierzystych tak, by odkształcały materiał w żądany i oczekiwany sposób. Natomiast drugi model był dużo bardziej kompleksowy. Asia dostarczyła zdjęć z mikroskopii ich bioimplantu, które Dominika wczytywała i opracowała algorytmy pozwalające odtworzyć ułożenie komórek.
Opatrunek dla kości
Cała idea polega na tym, by taki implant mógł być aplikowany w miejscu złamania kości w celu jej regeneracji.
- Naszym celem jest leczenie powikłań uszkodzeń tkanki kostnej - mówi Dominika. I od razu zastrzega: - Ale na razie absolutnie nie ma mowy o żadnym leku. To jeszcze bardzo długi proces. Prowadząc dalsze badania, małymi kroczkami, jak to zwykle w nauce, będziemy jednak do tego dążyć.
Właśnie dlatego w projekcie użyte są komórki macierzyste. Tego typu komórki mają dwie zdolności - dzielą się w sposób niemal nieograniczony i różnicują się do innych typów komórek. Są jak biała karta, ale wystarczy je odpowiednio ukierunkować, by tworzyły żądany rodzaj komórek i tkanek, np. kości.
W przypadku uszkodzeń kostnych istnieją różne rodzaje złamań. Większość z nich da się łatwo wyleczyć, ale istnieją takie miejsca (główki kości), gdzie sprawa się komplikuje. Dodatkowo u osób z osteoporozą proces regeneracji kości jest bardzo osłabiony. Ta choroba - występująca najczęściej u kobiet po menopauzie - charakteryzuje się m.in. niską masą kostną, upośledzoną mikroarchitekturą tkanki kostnej, a w konsekwencji zwiększoną jej łamliwością.
Dziewczyny wraz z opiekunami przygotowały polimerową matę, która mogłaby być podatna na różne odkształcenia w zależności od środowiska w jakim by się znalazła. Jest to bardzo ważne z punktu widzenia medycyny przyszłości, gdyż samodopasowujące się materiały ograniczają, a nawet eliminują “czynnik ludzki". Maleje zatem ryzyko zakażenia czy mechanicznego uszkodzenia tkanek pacjenta. Możliwe, że działając za pomocą komórek zasiedlających matę, będzie można ten proces kontrolować. Jeśli się uda, ułatwi to leczenie urazów kostnych.
Zdolne dziecko
Dominika Bakalarz i Joanna Jurek w marcu zajęły pierwsze miejsce w krajowym finale Konkursu Prac Młodych Naukowców Unii Europejskiej i we wrześniu - wraz z autorami dwóch innych projektów - będą reprezentować Polskę w finale EUCYS, który odbędzie się w Mediolanie.
Dziewczyny odniosły także sukces w Konkursie Naukowym E(x)plory organizowanym przez Fundację Zaawansowanych Technologii. Finał był częścią prestiżowego w środowisku naukowym wydarzenia Gdynia E(x)plory Week. Do finału dostało się 27 projektów, a Asia z Dominiką zdobyły trzecie miejsce. Projekt otrzymał wiele pozytywnych opinii. Dyskusje nad różnymi aspektami na pewno zaaowocują w przyszłości.
Dominika podkreśla, że sukces zawdzięcza głównie pracowitości, ale z talentem do matematyki trzeba się urodzić. Natomiast bakcyla origami połknęła w podstawówkowej świetlicy, w której spędzała codziennie wiele godzin. Złapała go od nauczycielki Maryli Maciąg i nie chciała się wyleczyć. Tata kserował Dominice wszystkie książki od pani, a ona ćwiczyła zwinne palce w precyzyjnym składaniu kartek papieru i cieszyła się, gdy powstawało trójwymiarowe cudeńko.
W szkole z matmą nigdy nie miała problemów. Lubiła rozwiązywać zadania, brała od starszych znajomych książki i chłonęła - bez trudu, za to z wielką pasję.
W drugiej i trzeciej klasie gimnazjum Dominika już była laureatką ogólnopolskiej olimpiady dla gimnazjalistów. W I klasie liceum została finalistką Olimpiady Matematycznej, rok później powtórzyła sukces. - Matematyka jest fascynującą dziedziną, ale ja jednak od abstrakcyjnych zadań wolę te, których rozwiązanie może przydać się w życiu. Dlatego oprócz udziału w olimpiadach postanowiłam zacząć własny projekt naukowy - mówi dziewczyna.
- Kiedy przyszła do naszego gimnazjum, szybko wyłowiliśmy ten skarb - mówi Joanna Raźniewska, dyrektor zespołu szkół, w skład którego wchodzi III LO i PG 9 w Opolu.
Szkoła zaproponowała wsparcie dla jej zainteresowań. Tak dziewczyna stała się stypendystką Krajowego Funduszu na Rzecz Dzieci, najlepszego w kraju programu stypendialnego. Szczególnie uzdolnione dzieci nie dostają tam pieniędzy, lecz najbogatszy pakiet możliwości naukowego lub artystycznego rozwoju, poprzez opiekę mentorów czy obozy naukowe, które odbywają się w najlepszych placówkach badawczych.
- To, co oferuje Fundusz, jest dużo cenniejsze niż pieniądze - mówi Dominika. - Podczas warsztatów poznałam wielu rówieśników o podobnych zainteresowaniach. Co ważne, nie miało to formy "wyścigu szczurów". Dobrze się dyskutuje w gronie ludzi zafascynowanych nauką, dociekliwych i chętnie dzielących się swoją wiedzą.
Dziś Dominika - z pięcioletnim stażem - jest już weteranką Krajowego Funduszu, ma na koncie kilkanaście warsztatów i trzy staże badawcze, które odbyły się w tak prestiżowych instytutach jak Polska Akademia Nauk czy Uniwersytet Warszawski.
W Funduszu poznała też Joasię Jurek, z którą stworzyła innowacyjny projekt.
Równania opisują cały świat
Przepis na matę już był znany- dziewczyny współpracowały z Politechniką Warszawską z Wydziałem Inżynierii Materiałowej, gdzie podobne maty już wcześniej produkowano. Ale nie skupiano się tam na efekcie origami i modelowaniu matematycznym.
Modelowanie matematyczne do opisania zachodzących na macie zjawisk to wkład Dominiki. Pierwszy opisany model powstał pod opieką Politechniki Warszawskiej. Teraz dziewczyny podjęły współpracę z Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Informatycznego i Matematycznego przy Uniwersytecie Warszawskim. Wykorzystuje się tam narzędzia informatyczne do opisu zjawisk przyrodniczych, pogodowych, fizycznych. Podczas wakacji Dominika i Asia będą tam kontynuować swoje badania. Dominika bardzo często pracuje na odległość i przyznaje, że pracę ułatwiłby jej dobrej jakości sprzęt - komputer z mocnym procesorem i dodatkowym monitorem.
Matematyka ułatwia opisanie zjawisk. Przy jej pomocy opisuje się już nawet miłość. W naukach przyrodniczych jest kapitalnym narzędziem. Prowadząc eksperymenty biologiczne widzimy początek i koniec. A matematyka pozwala dowiedzieć się, jak to przebiegało, a także pozwala przewidzieć, jakie czynniki mają wpływ na wynik eksperymentu. Matematyka pozwala też przeprowadzić eksperymenty, których wyniki są bardzo skomplikowanymi formułami albo są trudne do przeprowadzenia. Przyspiesza proces badawczy, ułatwia go i pozwala zrozumieć, co się dzieje w procesach biologicznych.
Dziewczyny będą rozwijać swój projekt. Zawsze jest ryzyko, trzeba prowadzić mnóstwo badań. - Dlatego stawiamy na modelowanie matematyczne by mieć wiedzieć, co robimy dobrze, a co stanowi przeszkodę - mówi Dominika.
To, co osiągnęły do tej pory jest zaledwie pomysłem, popartym wstępnymi badaniami.
90 procent z matury
Osiągnięte na konkursach sukcesy już otwierają przed Dominiką większość polskich uczelni. Dziewczynę kusi jednak prestiżowy ośrodek zagraniczny, bo tam na naukę przeznacza się ogromne pieniądze, a bez pieniędzy nawet geniusz nie ma gwarancji sukcesu.
Ze wszystkich egzaminów maturalnych musi uzyskać średnią 90 procent punktów, żeby dostać się na uniwersytet w Cambridge. Już złożyła tam aplikację, była na rozmowie kwalifikacyjnej.
Studia zagraniczne to duży koszt. W przypadku Cambridge czesne wynosi 9 tysięcy funtów, a utrzymanie drugie tyle. Dlatego ważne jest każde stypendium czy sponsor. Taką szansę Dominice dałby sukces w Mediolanie na międzynarodowym finale Konkursu Prac Młodych Naukowców UE. Co roku w konkursie bierze udział ok. 30 tys. uczestników w wieku 14-21 lat, a w finale prezentowanych jest około stu najlepszych projektów. To poważna impreza, przyjeżdżają na nią przedstawiciele dużych ośrodków naukowych i firm wdrożeniowych.
Na razie jednak celem numer jeden jest matura. Dominika odczuwa stres jak każdy maturzysta. - Bo ja jestem zwykłą nastolatką - podkreśla.
Najgłupsze pytanie, jakie jej zadano: Czy nim umówi się na randkę, robi chłopakowi test z matematyki. - Nie wiem, skąd przekonanie, że jak ktoś interesuje się nauką, to już niczego poza nią nie widzi. Filmy, muzyka, sport, czasu wystarcza na wszystko. Tylko trochę krócej się wtedy śpi - śmieje się Dominika.
Najtrudniejsze pytanie, jakie też sama sobie stawia, to kim chce być. - Mam wybrać jeden zawód, gdy interesuje mnie kilkadziesiąt. Mogłabym być prezesem Polskiej Akademii Nauk, ale też stewardessą. Interesuje mnie fotografia, mogę też założyć własną firmę, która wprowadzać będzie w życie wyniki moich badań naukowych. Marzy mi się staż w Google i wyjazd do Doliny Krzemowej. Nie chcę spędzić całego życia na uniwersytecie, ale robić coś przydatnego, coś, co pozwoli zapisać się na kartach historii. Nobla z matematyki nie dają, dlatego krążę wokół medycyny - uprzedza pytanie. - A może wywrócę wszystko do góry nogami i zostanę malarką...

Dołącz do nas na Facebooku!

Publikujemy najciekawsze artykuły, wydarzenia i konkursy. Jesteśmy tam gdzie nasi czytelnicy!

Polub nas na Facebooku!

Kontakt z redakcją

Byłeś świadkiem ważnego zdarzenia? Widziałeś coś interesującego? Zrobiłeś ciekawe zdjęcie lub wideo?

Napisz do nas!
Wróć na nto.pl Nowa Trybuna Opolska