Projekt SK-AT-0025-12

Doba riešenia: 01/2013 - 12/2014

Anglický názov: Synthesis rate of isoprene in the periphery of the human body

Vedúci projektu (ÚM SAV): Doc. RNDr. Viktor Witkovský, CSc.

Spoluriešiteľské inštitúcie: Breath Research Institute Dornbirn, Rakúsko

Izoprén je jednou z prchavých organických látok, ktorú možno pozorovovať vo vydychovanom vzduchu. Izoprén je vedľajším produktom biosyntézy cholesterolu. Množstvo izoprénu v dychu možno merať v reálnom čase, s možným rozlíšením jeho koncentrácie počas jednotlivých nádychov. Pod vplyvom fyzickej námahy a vyčerpania organizmu dochádza k poklesu úrovne izoprénu v periférnych oblastiach ľudského tela. Obnova syntézy izoprénu a kompletné doplnenie jeho zásob trvá asi 2 hodiny. Rýchlosť syntézy izoprénu možno merať neinvazívne pomocou analýzy vydychovaného vzduchu.

V tomto projekte modelujeme koncentráciu izoprénu pomocou 3-kompartmentového modelu, pozostávajúceho z kompartmentu so silno prekrveným tkanivom, kompartmentu periférnych oblastí a alveolárneho kompartmentu. Izoprén vzniká a metabolizuje sa v prekrvenom tkanive a periférnom kompartmente. Na určenie rýchlosti syntézy izoprénu použijeme dva rôzne metodologické prístupy:

• Metódu "off-line" simulácie s využitím iverzných metód na identifikáciu parametrov modelu.
• Metódu "on-line" simulácie napr. s využitím metód Kalmanovho filtrovania.

Hlavným cieľom projektu je stanovenie intervalov spoľahlivosti pre rýchlosť produkcie a metabolizmu izoprénu. Rakúsky partner (Breath Research Unit z Rakúskej akadémie vied) má odborné znalosti pre realizáciu meraní izoprénu vo vydychovanom dychu v reálnom čase a slovenský partner (Ústav merania Slovenskej akadémia vied) má skúsenosti s modelovaním a metodikou na stanovenie štatistických neistôt odhadovaných parametrov.

V Ústave pre analýzu dychu (Breath Reasearch Institute) Rakúskej akadémie vied bola vyvinutá experimentálna zostava pre takéto merania v reálnom čase. Vzorky dychu sa odoberajú subjektom počas cvičenia na stacionárnom bicykli cez masku a následne sa analyzujú pomocou hmotnostného spektrometra PTR-MS. Súčasne sa merajú ostatné medicínske parametre ako je EKG a zaťaženie srdca pomocou systému "task force monitor" (CNSystems, Graz, Austria).

Priebeh syntézy izoprénu v ľudskom tele možno matematicky modelovať pomocou kompartmentového modelu, ktorý predpokladá, že telo je rozdelené do niekoľkých relatívne samostatne fungujúcich častí, v našom prípade troch častí (kompartmentov): i) kompartment so silným prekrvením tkanív, ii) kompartment periférnych tkanív a iii) alveolárny kompartment. Keďže len posledný kompartment umožňuje priame a nepretržité merania koncentrácie prchavých organických látok v dychu, ktoré sú produktom metabolizmu v ľudskom tele, napr. izoprénu, je potrebné modelovať vzťahy medzi jeho jednotlivými časťami vhodným matematickým modelom. Vhodnosť modelovania pomocou kompartmentových modelov a voľba parametrizácie je založená na skúsenostiach z modelovania pri podobných štúdiách (publikovaných v literatúre) ako aj na predbežných výsledkoch vlastných experimentov realizovaných v BRI Dornbirn. Produkcia a metabolizmus izoprénu je dynamický proces, ktorý nastáva len v periférnom kompartmente a v kompartmente so silno prekrveným tkanivom. Tieto časti sú prepojené krvným obehom, ktorý zabezpečuje prepravu izoprénu medzi jednotlivými časťami až do alveolárneho kompartmentu. Prekrvenie priestorov závisí od aktuálnej úrovne zaťaženia dobrovoľníka. V priebehu cvičenia (s riadenou záťažou) sa koncentrácia izoprénu v alveolárnom priestore mení kvôli meniacej sa úrovni prítoku z periférnych a bohato prekrvených tkanív. Meraná úroveň koncentrácie izoprénu v dychu a znalosť o reálnej záťaži organizmu preto umožňuje odhadnúť koncentráciu izoprénu v neprístupných častiach, za predpokladu použitia vhodného matematického modelu a metód pre odhad parametrov tohto modelu na základe nameraných hodnôt koncentrácie izoprénu v dychu.

Ciele projektu sa plnili priebežne. V prvom roku riešenia projektu (2013) sa výskum a riešenie zameralo predovšetkým na štúdium problematiky modelovania dynamiky syntézy izoprénu v ľudskom tele a na vhodné algoritmy pre takúto analýzu v prostredí MATLAB. V priebehu riešenia projektu boli realizované experimenty v laboratóriách partnera (Breath Research Institute, Dornbirn), pričom boli získané kontinuálne merania úrovne koncentrácie izoprénu pri záťaži a pri uvoľnení pomocou PTR-TOF-MS.

V druhom roku riešenia (2014) bol výskum zameraný na tvorbu matematicko-štatistických metód pre modelovanie dynamiky syntézy izoprénu v závislosti od ďalších vysvetľujúcich premenných (napr. srdcový výkon, objem vydychovaných plynov, atď.) pomocou lineárnych a nelineárnych regresných modelov, resp. modelov s náhodnými efektmi, ako aj metód pre analýzu dynamických dát pomocou kompartmentových modelov. Pokračoval výskum metód pre kalibráciu, analýzu neistôt a konfidenčné resp. tolerančné intervaly v regresných modeloch a metód na odhadovanie parametrov a intervalov spoľahlivosti pre rýchlosť syntézy a metabolizmu. Veľké úsilie riešiteľov sa sústredilo práve na výskum vhodných a stabilných algoritmov pre odhadovanie parametrov kompartmentových modelov (vrátane metód a algoritmov pre odhadovanie parametrov lineárnej kombinácie exponenciálnych kriviek, pomocou ktorých sa modeluje výsledný dynamický model v stave ekvilibria).

Počas riešenia projektu sa uskutočnili každoročne výmenné pobyty riešiteľov. Publikovaných bolo niekoľko prác zameraných predovšetkým na rôzne aspekty matematicko-štatistických metód modelovania a vyhodnotenia nameraných údajov (celkovo 17 publikácii). Podarilo sa realizovať rozsiahly experiment a získať tak veľmi cenné dáta, ktoré aj v budúcnosti poslúžia na tvorbu modelov a metód pre modelovanie dynamiky syntézy prchavých organických látok v ľudskom tele. Okrem toho boli vytvorené funkčné algoritmy v prostredí MATLAB.
Počas doby riešenia bolo do projektu zapojených niekoľko doktorandov (niektorí formálne neboli členmi riešiteľského kolektívu) a mladých vedeckých pracovníkov (postdoktorandov), napr.: A. Filipiak, W. Filipiak, C. Ager (D), J. King (D), T. Ludescher (D), V. Ruszanyi M. Chvosteková, J. Jakubík (D).

Riešitelia projektu sa organizačne (ako členovia programového výboru) ale aj aj prostredníctvom prezentovaných pozvaných prednášok podieľali na organizovaní medzinárodnej konferencie Breath Analysis’2014 (8th International Conference on Breath Research & Cancer Diagnosis), ktorá sa konala v dňoch 6.-9. júla 2014 v Toruni v Poľsku. Okrem toho sme v roku 2013 zorganizovali spoločnú konferenciu Sparkling Science: FEM_Pers Conference Bratislava - medzinárodný rakúsko-slovenský seminár pre študentov gymnázií. Hlavným organizátorom seminára bol Breath Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Dornbirn, Austria, Ústav merania SAV a Matematický ústavom SAV v Bratislave s podporou vedeckého časopisu Journal of Breath Research http://iopscience.iop.org/1752-7163/. Cieľom seminára bolo spopularizovať vedu a jej aplikácie predovšetkým talentovaným študentom gymnázií v Rakúsku a na Slovensku. Seminára sa zúčastnilo viac ako 40 študentov z týchto škôl: Bundesgymnasium Dornbirn, Gymnasium Adolf Pichler Platz, Innsbruck, Akademisches Gymnasium, Innsbruck, Gymnázium Jura Hronca, and Gymnázium Grösslingová 18, Bratislava. ÚM SAV, 19. september 2013. Jedným z dôležitých cieľov projektu bolo vytvoriť podmienky pre podávanie resp. získanie nových bilaterálnych projektov resp. spoločných projektov v rámci EÚ. Takéto podmienky boli vytvorené a viedli k formulovaniu viacerých nových vedeckých námetov. V priebehu riešenia projektu sme sa zapojili do prípravy spoločného EÚ projektu v rámci výzvy H2020-MSCA-ITN-2015. Okrem toho bola vytvorené rozsiahla spolupráca medzi partnermi pri analýze dát z klinických štúdií, ktoré realizuje BRI v spolupráci s Medical University Innsbruck. Dr. V. Witkovský bol zapojený do týchto projektov ako biometrik - špecialista pre štatistickú analýzu získaných dát.

V rámci spolupráce na riešení bilaterálneho projektu s Breath Research Institute Dornbirn bol výskum zameraný predovšetkým na štúdium a modelovanie dynamiky syntézy izoprénu v ľudskom tele pod vplyvom rôznej fyzickej záťaže (pomocou kompartmentových modelov) a na rozvoj štatistických metód a algoritmov pre analýzu dychu. V roku 2014 sa uskutočnili výmenné pobyty Dr. Witkovského a prof. Wimmera na pracovisku BRI v Innsbrucku, a návšteva Dr. Filipiaka a Dr. Filipiakovej, odborníkov na analýzu vydychovaných vzoriek pomocou GC-MS, v ÚM SAV v Bratislave. Výskumná problematika v roku 2014 bola zameraná na metódy modelovania dynamiky syntézy izoprénu v ľudskom tele pod vplyvom rôznej fyzickej záťaže (pomocou kompartmentových modelov) a na rozvoj ďalších štatistických metód a algoritmov pre analýzu dychu.

Publikácie: