Schválené projekty 2015

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2015

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 52 908 039 Kč

Z toho 2.5% - 1 320 739 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v Kč
FBI  1 172 500
EKF  4 962 700
FAST  3 070 000
FS  8 256 000
FEI 12 282 100
HGF  5 433 000
FMMI  6 188 000
VC 10 223 000
CELKEM 51 587 300
KódSP2015/172
Název projektuCytotoxické účinky nanočástic oxidu titaničitého jako funkce jejich fyzikálně-chemických vlastností
ŘešitelBrzicová Táňa Ing. Mgr.
Školitel projektuprof. RNDr. Pavel Danihelka, CSc.<br />
Období řešení projektu01.01.2015 - 31.12.2015
Předmět výzkumuNa nanomateriály a nanotechnologie je pohlíženo jako na revoluční technologii 21. století, která díky stále se zdokonalující schopnosti manipulace hmoty na úrovni atomů a molekul umožňuje vyrábět nové materiály s unikátními vlastnostmi [1]. Aplikace nanomateriálů (tj. materiálů s jedním z rozměrů do 100 nm) mohou vést k převratnému pokroku téměř ve všech oblastech lidské činnosti, neboť teoreticky každý produkt a každá technologie může být vylepšena použitím materiálů v jejich nanoformě. O významu nanotechnologií pro lidskou společnost svědčí jejich zařazení Evropskou komisí mezi klíčové průlomové technologie (Key Enabling Technologies) [2]. Podpora rozvoje stávajících a vývoje nových nanotechnologií je považována za zásadní pro budoucí udržitelnost a konkurenceschopnost průmyslu na úrovni Evropské unie i jednotlivých členských států.
Uplatnění a naplnění potenciálu každé nové technologie je však závislé nejen na předpokládaném přínosu pro společnost, ale také na potenciálních rizicích její aplikace a naší schopnosti tato rizika včas odhalit a efektivně řídit. Toxicita nanomateriálů je v odborné literatuře řešena se stále rostoucí intenzitou již od 90. let minulého století [3, 4], avšak celá problematika se ukázala být natolik komplexní a specifická, že dosud nemáme spolehlivá data a metody pro efektivní management rizik nanomateriálů. Nanomateriály se z hlediska interakcí s biologickými systémy v určitých aspektech liší od klasických chemických látek, doposud však nebyla identifikována specifická „nanonebezpečnost“, která by podmiňovala toxicitu nanomateriálů jako takových [5]. Typ i míra toxických účinků nanomateriálů závisí dle současného stavu poznání na kombinaci řady jejich fyzikálně-chemických vlastností (tedy nejen na chemickém složení, jako je tomu u klasických chemických látek). Změnou velikosti, tvaru, krystalové struktury a dalších charakteristik tak můžeme dosáhnout optimálních průmyslových (např. mechanických, optických, vodivých) vlastností, zároveň však můžeme měnit toxický potenciál nanomateriálů [6]. Z hlediska managementu rizik je pochopení vztahu mezi vlastnostmi nanomateriálů a jejich nebezpečností zcela zásadní, neboť umožní detekovat potenciálně nebezpečné nanomateriály pouze na základě znalosti jejich fyzikálně-chemických vlastností (tedy bez finančně i časově velmi náročného experimentálního testování) a designovat nanomateriály tak, aby nepředstavovaly významné zdravotní riziko pro exponované osoby [7].
Předložený projekt je zaměřen na získání experimentálních dat, která přispějí k pochopení významu základních fyzikálně-chemických vlastností (velikosti, krystalové struktury a tvaru) nanočástic oxidu titaničitého (nanoTiO2) jako faktorů ovlivňujících jejich toxicitu.
NanoTiO2 je jedním z nejdéle a v současné době i nejvíce používaných nanomateriálů. OECD zařadila nanoTiO2 na seznam prioritních nanomateriálů, jejichž potenciálním toxickým účinkům by měla být věnována přednostní pozornost [8]. Evropská komise [9] odhaduje světový roční tržní objem nanoTiO2 na 10 000 tun, což jej řadí mezi šest komerčně nejúspěšnějších nanomateriálů současnosti. NanoTiO2 je běžnou složkou řady konzumních produktů v potravinářství (sladkosti, mléčné výrobky), kosmetice (opalovací krémy, zubní pasty) a v dalších odvětvích, a jako takovému je mu exponována většina lidské populace. „Nenanoforma“ oxidu titaničitého je považována za chemicky i biologicky inertní [10], avšak při snižování rozměrů částic TiO2 do jednotek v řádu desítek nanometrů dochází k významných změnám v chování TiO2 a je otázkou, jak se tyto změny projeví na úrovni interakcí s biologickými systémy. Výsledky studií zabývající se toxicitou nanoTiO2 jsou velmi nekonzistentní a dostupná toxikologická data neumožňují vyvození obecných závěrů o toxicitě nanoTiO2. Příčinou rozporuplných výsledků je kombinace velké variability nanoTiO2 aplikovaných v testech i dostupných na trhu (různá velikost částic, míra agregace, tvar, kontaminace toxickými prvky, povrchové modifikace atd.), rozmanitosti postupů při jejich výrobě, chybějící standardizace protokolů pro přípravu vzorků a testování toxicity a absence důkladné charakterizace testovaných materiálů. Nanomateriály stejného chemického složení (např. TiO2) tak zahrnují množství variant s odlišnými vlastnostmi, aplikacemi a s největší pravděpodobností i odlišným toxickými účinky. Nanomateriály navíc dynamicky reagují na charakter okolního prostředí, tudíž každá manipulace se vzorky může významně pozměnit jejich vlastnosti, chování a tím i potenciální toxické účinky [11].
Předložený projekt je proto zaměřen na systematické hodnocení toxicity série vzorků nanoTiO2 lišících se v základních vlastnostech (velikost, krystalová struktura a tvar) s definovanými postupy výroby testovaných materiálů, charakterizace, přípravy vzorků a testování, s cílem minimalizovat faktory, které mohou měnit vlastnosti a tím i chování nanomateriálů, a zajistit tak maximální reproducibilitu a spolehlivost získaných výsledků. Dynamika vlastností v průběhu přípravy a testování vzorků bude sledována opakovanou charakterizací nanomateriálů před a po expozici v kultivačním médiu. Při charakterizaci, přípravě a testování vzorků budou využívány dostupné standardní operační postupy a standardizované protokoly vyvinuté v rámci FP7 EU projektů tak, aby získané výsledky byly kompatibilní s připravovanými mezinárodními nanotoxikologickými databázemi. Při testování budou využívány moderní screeningové tzv. high throughput metody umožňující testování velkého počtu vzorků najednou s cílem získání dostatečného množství experimentálních dat pro vyvození obecnějších závěrů o významu testovaných charakteristik pro toxicitu nanoTiO2. Hodnoceným toxikologickým parametrem bude cytotoxicita (tedy schopnost testované látky zabíjet exponované buňky), která je základní charakteristikou toxicity testované látky a výchozí informací pro hodnocení dalších, např. mutagenních a karcinogenních, účinků. Biologickým modelem pro in vitro testování bude buněčná linie BEAS-2B (imortalizované lidské buňky epitelu plic), jejíž vhodnost pro hodnocení cytotoxity nanomateriálů byla ověřena v rámci předběžných experiementů [12]. Nanomateriály budou testovány v širokém rozmezí koncentrací umožňující určení závislosti dávka-účinek a odvození parametrů charakterizujících cytotoxický potenciál testovaných nanomateriálů (např. LC50, tj. koncentrace testované látky, která usmrtí 50 % exponovaných buněk).

Získaná data budou doplněna o scénáře profesionální expozice TiO2. Scénáře expozice budou vypracovány na základě experimentálních dat dostupných v odborné literatuře a v knihovně scénářů expozice, která je vyvíjena v rámci projektu 7. RP MARINA (http://www.marina-fp7.eu/project/). Bude snaha získat základní představu o riziku aplikací nástrojů Control Banding (CB). Strategie CB nabízí zjednodušená řešení pro řízení (kontrolu) expozice chemickým látkám a prachům na pracovišti, když nejsou k dispozici „tvrdá“ toxikologická data a data o expozici. Tyto strategie mohou být obzvlášť užitečné u vyráběných nanomateriálů (NM), jelikož celý proces managementu rizik NM je charakteristický vysokým stupněm nejistoty.

Zaměření projektu je v souladu s dlouhodobým záměrem VŠB-TUO, mezi jehož priority patří nové materiály (to jsou mimo jiné nanomateriály) a bezpečnostní výzkum, a s aktualizací tohoto záměru pro FBI na rok 2015, v němž jeden z prioritních směrů rozvoje vědecko-výzkumné činnosti představuje bezpečnost nanomateriálů a nanotechnologií [13, 14].
Předkládaný projekt má přímou vazbu na akci MODENA COST (Modelling Nanomaterial Toxicity; http://www.modena-cost.eu/Home.aspx), projekt COST NANOEXPO (Exposure to nanomaterials, assessment and management of risks associated with QSAR / QNTR; http://www.isvav.cz/projectDetail.do?rowId=LD14041) a projekt 7. RP NANoREG (A common European approach to the regulatory testing of Manufactured Nanomaterials; http://www.nanoreg.eu/), které jsou v současné době řešeny na Fakultě bezpečnostního inženýrství.


Řešitelský tým a plánované spolupráce
Svým zaměřením navrhovaný projekt spadá pod problematiku řešenou v rámci doktorského studia odpovědného řešitele (téma disertační práce: Management bezpečnosti nanočástic s ohledem na bezpečnost práce). Při řešení projektu budou využity a dále rozšiřovány zkušenosti odpovědného řešitele projektu získané na stážích v laboratořích specializujících se na testování toxicity nanomateriálů (Unit of Molecular Toxicology, Institute of Environmental Medicine, Karolinska Institutet, Stockholm, Švédsko, září–prosinec, 2013; Laboratoř genetické ekotoxikologie Ústavu experimentální medicíny, v.v.i., AV ČR, Praha, duben 2014 – dosud) a na školeních zaměřených na modelování toxicity nanomateriálů (MODENA Training School 2013, Řím, Itálie, 7.–9. 8. 2013; MODENA Training School 2014, Edinburgh, UK, 10. –12. 9. 2014).

Školitel odpovědného řešitele, prof. RNDr. Pavel Danihelka, CSc., je uznávaným odborníkem na průmyslovou bezpečnost a management rizik chemických látek. Jeho odbornost v problematice bezpečnosti nanomateriálů dokládá jeho členství v TNK144 Nanomateriály a CEN TC 352 Nanotechnologie. Prof. Danihelka je také vedoucím pracovní skupiny Bezpečnost nanomateriálů při České technologické platformě bezpečnosti v průmyslu.

Ing. Lucie Sikorová, PhD. má více než osmi leté zkušenosti v oblasti bezpečnosti a ochrany zdraví při práci (BOZP) se zaměřením na chemickou bezpečnost. Její výzkumné aktivity jsou orientovány na hodnocení expozice a management chemických látek, včetně nanomateriálů. Je členkou expertní skupiny „Nanobezpečnost“ České technologické platformy bezpečnosti průmyslu. Spolupracuje s Institute of Occupational Medicine (IOM) na vývoji scénářů expozice pro nanomateriály. V rámci předkládaného projektu bude odpovědná za oblast expozice.

Dalším členem řešitelského týmu je student navazujícího magisterského studia oboru Technika požární ochrany a bezpečnosti průmyslu, Bc. Matej Patyk, jehož zájem a schopnost orientovat se v problematice částicové toxikologie byly prokázány v rámci účasti na řešení projektu Studentské grantové soutěže FBI, VŠB-TUO, Toxické účinky zplodin hoření z malých energetických zdrojů (id. č. projektu SP2014/206).

Testování toxicity nanoTiO2 bude v případě podpoření projektu probíhat v Laboratoři genetické ekotoxikologie Ústavu experimentální medicíny, v.v.i, Akademie věd ČR (ÚEM) pod odborným vedením Ing. Jana Topinky, DrSc., v rámci (již probíhající) stáže odpovědného řešitele. ÚEM je přední institucí v analýze toxických a zdravotních účinků znečištěného životního prostředí, motorových emisí a nanočástic a v molekulární epidemiologii, jak dokládá jeho status Centra excelence EU (MEDIPRA). Dr. Topinka je hlavním řešitelem a spoluřešitelem dvou nejvýznamnější tuzemských projektů zaměřených na hodnocení toxicity nanomateriálů (Toxické účinky nanomateriálů jako funkce jejich struktury a fyzikálně-chemických vlastností - id. č. projektu LD14002; Centrum studií toxických vlastností nanočástic - id. č. projektu GBP503/12/G147).

V průběhu přípravy návrhu předkládaného projektu probíhají jednání o prohloubení spolupráce se zahraničními partnery v rámci projektu COST Action MODENA TD1204 v podobě poskytování získaných experimentálních dat pro pokročilé metody počítačového modelování (nano-QSAR).

Navrhovaný postup a metody řešení projektu (včetně časového harmonogramu projektu uvedeného v závorkách):
1. Analýza stavu současných vědomostí o toxicitě nanoTiO2 zaměřená na vliv jednotlivých fyzikálně-chemických vlastností na toxické účinky nanoTiO2 (březen, duben).
2. Vytvoření scénářů profesionální expozice pro nanoTiO2 (duben-červen)
3. Literární rešerše vhodných metod charakterizace nanomateriálů s ohledem na využitelnost získaných experimentálních výsledků pro tvorbu databází toxikologických dat pro matematické modelování toxicity nanomateriálů (březen, duben).
4. Nákup vzorků nanoTiO2 v pěti velikostech v rozmezí 20-300 nm, ve dvou krystalových (anatas a rutil) a dvou tvarových modifikacích (sférický a tyčkovitý tvar). Dostupnost vybraných typů vzorků byla v rámci přípravy návrhu projektu dohodnuta s evropským výrobcem titanové běloby (květen).
5. Fyzikálně-chemická charakterizace vzorků nanoTiO2 vybranými metodami. Hodnoceny budou následující parametry: střední velikost a velikostní distribuce částic, tvar, povrchový náboj, specifická plocha povrchu, přítomnost kontaminujících prvků z procesu výroby nanoTiO2 (květe-červenec).
6. Charakterizace vzorků nanoTiO2 aplikovaných do kultivačního média (tj. charakterizace in situ) se zaměřením na změnu velikosti částic (agregace, aglomerace, disperze částic v médiu) a povrchového náboje (červen, červenec).
7. Výběr vhodných metod pro testování cytotoxicity nanomateriálů. Vybrány budou minimálně dvě metody hodnotící různé parametry buněčné smrti (metabolickou aktivitu, integritu buněčné membrány) s ohledem na časovou náročnost jejich provedení, dostupnost standardizovaných protokolů a postupů, reproducibilitu a míru variability výsledků a vhodnost použití metod pro testování nanomateriálů (květen, červen).
8. Optimalizace metod přípravy vzorků, aplikace do kultivačního media, expozice buněk a vybraných cytotoxikologických testů pro potřeby testování nanoTiO2 na buněčné linii BEAS-2B, synchronizace postupů s dostupnými standardními operačními postupy pro testovaní toxicity nanomateriálů (publikovanými např. v rámci projektů FP7 NANOMMUNE, QualityNano) (červen).
9. Systematické testování cytotoxického potenciálu jednotlivých vzorků nanoTiO2 vůči buňkám BEAS-2B vybranými toxikologickými testy (červenec-říjen).
10. Průběžné vyhodnocování výsledků provedených testů, statistické a grafické zpracovávání výsledků. Určení hodnot charakterizujících cytotoxických potenciál testovaných vzorků (září, říjen).
11. Aplikace nástrojů Control Banding (říjen-listopad)
12. Vyhodnocení výsledků testů v návaznosti na data získaná z provedených fyzikálně-chemických analýz. Zhodnocení shody výsledků obou testů cytotoxicity. Analýza příspěvku jednotlivých hodnocených vlastností k celkové toxicitě nanoTiO2 (listopad).
13. Zpracování výsledků do formy kompatibilní s připravovanými mezinárodními toxikologickými databázemi dat pro matematické modelování toxicity nanomateriálů (listopad).
14. Příprava prezentací a publikací (září-listopad).


Použitá literatura
[1] Drexler, E. (1986). Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Anchor Books, New York, NY, USA
[2] Communication from the Commission to the European Parliament, the Council and the European Economic and Social Committee. Brussels, COM(2012) 572 final.
[3] Ferin, J., Oberdörster, G., Penney, D. P., Soderholm, S. C., Gelein, R., & Piper, H. C. (1990). Increased pulmonary toxicity of ultrafine particles? I. Particle clearance, translocation, morphology. Journal of Aerosol Science, 21(3), 381-384.
[4] Oberdörster, G. J. J. P. N., Ferin, J., Finkelstein, G., Wade, P., & Corson, N. (1990). Increased pulmonary toxicity of ultrafine particles? II. Lung lavage studies. Journal of Aerosol Science, 21(3), 384-387.
[5] Oberdörster, G., Stone, V., & Donaldson, K. (2007). Toxicology of nanoparticles: a historical perspective. Nanotoxicology, 1(1), 2-25.
[6] Maynard, A., Aitken, R. J., Butz, T., Colvin, V., Donaldson, K., Oberdörster, G., Philbert, M.A., Ryan, J., Seaton, A., Stone, V., Tinkle, S.S., Tran, L., Walker, N.J. & Warheit, D. B. (2006). Safe handling of nanotechnology. NATURE-LONDON-, 444(7117), 267.
[7] Horbach, G. J., Van Den Brule, S., Magkoufopoulou, C., Papoutsi, G. V. D., Leyns, L., & Kirsch-Volders, M. (2014). The Safety of Nanomaterials: Translation from Academic Research to Industrial and Regulatory Applications. Journal of Translational Toxicology, 1(1), 40-45.
[8] OECD Series on the Safety of Manufactured Nanomaterials No. 27. (2010); List of manufactured nanomaterials and list of endpoints for phase one of the sponsorship programme for the testing of manufactured nanomaterials: Revision, ENV/JM/MONO/2010/46.
[9] Commission Staff Working Paper (SWP) on Nanomaterial Types and Uses, including Safety Aspects SWD (2012) 288 final.
[10] Skocaj, M., Filipic, M., Petkovic, J., & Novak, S. (2011). Titanium dioxide in our everyday life; is it safe?. Radiology and oncology, 45(4), 227-247.
[11] Zhu, M., Nie, G., Meng, H., Xia, T., Nel, A., & Zhao, Y. (2012). Physicochemical properties determine nanomaterial cellular uptake, transport, and fate. Accounts of chemical research, 46(3), 622-631.
[12] Brzicová, T., Nováková, Z., Rössner, P.Jr., Danihelka, P., Topinka, J. (2014). Cytotoxicity Induced by Nanoparticles – Standardisation of Methods within QualityNano FP7 Network. In Conference Proceedings of 6th International Conference NANOCON, November 5th-7th 2014, Hotel Voronez I, Brno, Czech Republic, Tanger ltd., Ostrava 2014, ISBN 978-80-87294-55-0.
[13] Dlouhodobý záměr vzdělávací a vědecké, výzkumné, vývojové a inovační, umělecké a další tvůrčí činnosti VŠB-TUO na období 2011-2015. Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava, Ostrava, 2010.
[14] Aktualizace Dlouhodobého záměru vzdělávací a vědecké, výzkumné, vývojové a inovační, umělecké a další tvůrčí činnosti VŠ B-TUO pro rok 2014, Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava, Ostrava, 2013.
Členové řešitelského týmuIng. Mgr. Táňa Brzicová
prof. RNDr. Pavel Danihelka, CSc.
Bc. Matej Patyk
Ing. Lucie Kocůrková, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cílem předloženého projektu je získat kvalitní a spolehlivá experimentální data o cytotoxicitě vzorků nanomateriálů oxidu titaničitého lišících se v základních fyzikálně-chemických vlastnostech, u nichž je na základě současných vědeckých poznatků předpokládáno, že ovlivňují biologické účinky nanomateriálů (velikost, krystalová struktura a tvar). Toxikologická data budou získána za využití moderních in vitro metod screeningového hodnocení cytotoxicity a dostupných standardizovaných postupů a doplněna o detailní fyzikálně-chemickou charakteristiku testovaných vzorků. Analýzou toxikologických dat v kontextu znalosti fyzikálně-chemických parametrů bude zhodnocen příspěvek jednotlivých testovaných vlastností k výsledné toxicitě vůči modelovým buňkám lidského plicního epitelu. Získaná data budou doplněna o scénáře expozice.

Předpokládané výstupy projektu
Hlavním výstupem projektu bude charakterizace vlivu vybraných vlastností (velikosti, krystalové struktury a tvaru částic) na cytotoxicitu nanoTiO2.

Výsledky projektu budou publikovány v recenzovaném periodiku. Dílčí výsledky získané v průběhu řešení budou prezentovány formou posteru a přednášky minimálně na dvou mezinárodních konferencích.

Výsledky získané v průběhu řešení projektu budou použity v disertační práci hlavního řešitele zaměřené na management rizik nanomateriálů.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia45000,-45000,-
3. Materiálové náklady65000,-59613,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-25161,-
5. Služby15000,-11077,-
6. Cestovní náhrady37000,-21149,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory18000,-18000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady180000,-
Uznané náklady180000,-
Celkem běžné finanční prostředky180000,-180000,-