Náš výzkum zahrnuje použití technik založených na hmotnostní spektrometrii k provádění metabolomické, lipidomické a proteomické analýzy různých biologických vzorků. Zabýváme se vývojem a aplikací metod kapalinové chromatografie ve spojení s hmotnostní spektrometrií (LC–MS) pro důkladnou charakterizaci a kvantifikaci komplexních lipidů (lipidom), polárních metabolitů (metabolom), různých exogenních sloučenin jako například složky potravin a léčiva (exposom) a proteinů (proteom). Zaměřujeme se také na zdokonalení zpracování dat, statistické metody a vizualizaci omics dat.

Úspěšně jsme integrovali metody LC–MS pro cílenou a necílenou analýzu lipidů, polárních metabolitů a sloučenin exposomu (LIMeX) pro různé typy vzorků a používáme je pro studie zaměřené na kardiovaskulární onemocnění, diabetes 2. typu, lipogenezi, cirkadiánní rytmy a adherenci k medikamentózní léčbě.

Zkoumáme také proteom lidských zubů a slin a jejich spojitost se zubním kazem. Dále se zabýváme analýzou proteomického složení patologických tkání u onemocnění clubfoot (pes equinovarus, noha kososvislá) a mechanismy remodelace stěny plicních artérií během rozvoje plicní hypertenze. Jsou studovány rovněž posttranslační modifikace proteinů probíhající při stárnutí i chorobách organismu.

PhD Program 2024/2025 - Témata

Kapalinová chromatografie s hmotnostní spektrometrií pro komplexní charakterizaci metabolomu a lipidomu biologických vzorků

Během posledního desetiletí se metabolomika a lipidomika využívající hmotnostní spektrometrii staly klíčovými metodami pro analýzu polární metabolitů a komplexních lipidů v biologických vzorcích (plazma, sérum, moč, tkáně). Kapalinová chromatografie s hmotnostní spektrometrií (LC-MS) je nejčastěji používanou technikou v metabolomice a lipidomice umožňující účinnou separaci a detekci širokého spektra metabolitů. Stále však chybí dostatečné informace o složení metabolomu a lipidomu kapalných materiálů a tkání, které mohou být snadno dostupné a použitelné pro budoucí studie. Disertační práce bude zaměřena na vývoj nových postupů pro komplexní charakterizaci metabolomu a lipidomu biologických vzorků jakými jsou (i) slučování cílených a necílených metabolomických a lipidomických metod, (ii) zvýšení pokrytí spektrálních knihoven používaných pro anotování metabolitů, (iii) aplikace programů pro vizualizaci a interpretaci dat získaných v rámci metabolomických a lipidomických analýz. Práce bude realizována na Fyziologickém ústavu AV ČR, v.v.i. a finančně zajištěna projekty GAČR, MŠMT a AZV.

Školitel: T. Čajka (tomas.cajka@fgu.cas.cz)

Hlavní směry výzkumu

• Jednoduché, rychlé a robustní metody pro projekty zaměřené na metabolomiku, lipidomiku a proteomiku
• Zpracování, statistická analýza a vizualizace metabolomických dat
• Nové separační metody (LC–MS) pro fyziologický výzkum
• Metabolomika a proteomika pro objevování nových biomarkerů lidského zdraví
• Analýza extracelulární hmoty: od proteinů po tkáňovou architekturu u idiopatického pes equinovarus (noha kososvislá)
• Mechanismy remodelace stěny plicních artérií během rozvoje plicní hypertenze
• Posttranslační modifikace proteinů v průběhu stárnutí i chorob (např. diabetes mellitus)

Aktuální projekty

Mechanismy plicní cévní dysfunkce u srdečního selhání (LUNG-HF) (NU22-02-00161)

• Poskytovatel: Ministerstvo zdravotnictví
• Spoluřešitel: T. Čajka, oddělení Translačního metabolismu
• Cíle projektu: Pacienti se srdečním selháním (HF) mají často plicní hypertenzi (PH), která vede k přechodu do biventrikulárního HF se špatnou prognózou. PH má dvě komponenty: 1) pasivní přenos zvýšeného tlaku zleva, 2) srdečním selháním navozenou plicní vaskulární dysfunkci (HF-PVD). Překvapivě ne všichni, ale jen někteří HF pacienti, rozvinou HF-PVD. Mechanismy HF-PVD nejsou dostatečně prozkoumány a jsou tedy v ohnisku zájmu této grantové aplikace. Rozvoj PVD se zdá být spojen se změnami metabolických faktorů plicní cirkulace. Necílená metabolomika je novým a robustním nástrojem k objevení patofyziologických cest rozvoje nemocí. Specificita tohoto postupu může být dále zvýšena použitím měření transorgánového gradientu metabolitů. Cílem části A je identifikace nových metabolitů spojených s přítomností HF-PVD, které můžou sloužit jako biomarkery nebo farmakologické cíle. Současně tento postup pomůže lépe pochopit podstatu HF-PVD. V části C pak bude posouzen efekt reverze těchto metabolických změn (identifikovaných v části A) na plicní cirkulaci u experimentálního modelu HF-PVD. Zlatým standardem detekce PVD je invazivní pravostranná katetrizace. HF-PVD je proto často diagnostikována pozdě. Existuje velký zájem o vývoj neinvazivních metod detekce HF-PVD, které by detekovaly PVD časně a bylo by je možné opakovat. Nedávné pokroky v automatizované kvantitativní analýze textury CT obrazu plic za pomoci umělé inteligence (AI) umožnují kvantifikaci obsahu vody, intersticiálních plicních změn i cévní složky, a to i bez použití kontrastu. Tento přístup, dosud netestovaný v HF populaci, může být přínosem k časné diagnostice HF-PVD (část B). Klinické a funkční charakteristiky plicní cirkulace (zátěžová hemodynamika, difusní kapacita, SPECT perfúze) budou analyzovány ve spojitosti s CT daty.

Identifikace faktorů ovlivňujících adherenci k farmakoterapii u pacientů s diabetem 2. typu s využitím necílené metabolomiky (NU20-01-00186)

• Poskytovatel: Ministerstvo zdravotnictví
• Řešitel: T. Čajka, oddělení Translačního metabolismu
• Cíle projektu: Adherence pacienta spolu s farmakokinetikou představují nejvýznamnější zdroj variability v odpovědi na léčbu. Monitorování adherence by tak mělo tvořit nedílnou součást péče o nemocné zejména s chronickými onemocněními jako je diabetes mellitus 2. typu (DM2T). Dalším problémem lékové adherence je, zda jsou dané léky pacientem užívány pravidelně. Důležitá může být i celá řada dalších látek (jiná léčiva, složky potravy, případně drogy a alkohol), která zůstane při běžné anamnéze často neodhalena, a přitom může zásadně ovlivnit metabolizaci a působení léků i compliance k jejich užívání. V současné době nejsou v ČR dostupná data, která by se danému fenoménu u populace DM2T věnovala. V rámci předkládaného projektu bude testována hypotéza, že adherence k medikamentózní léčbě u pacientů s DM2T může být účinně monitorována pomocí chemické analýzy vybraných léčiv v krevní plazmě a že necílená metabolomika může identifikovat biomarkery, které by nepravidelnosti v užívání léků dokázaly odhalit. Projekt tak může významně přispět k optimalizaci léčby DM2T a dalších chronických onemocnění.

Vytvoření 3D modelu clubfoot a Dupuytrenovy choroby a následné testování antifibrotických látek (NU22-10-00072)

• Poskytovatel: Ministerstvo zdravotnictví
• Řešitel: A. Eckhardt, oddělení Translačního metabolismu
• Cíle projektu: Tento projekt navazuje na předchozí projekty AZV (17-31564A). Idiopatický pes equinovarus (clubfoot) a Dupuytrenova choroba (Dch) jsou ortopedické deformity s nejasnou etiopatogenezí projevující se kontrakcí postižené tkáně. V předchozí studii jsme prokázali přítomnost fibrotických změn tkáně na mediální straně postižené nohy clubfoot a otestovali různé antifibrotické látky ve 2D buněčné kultuře. Cílem tohoto projektu je vytvořit 3D modely obou deformit založené na decelularizaci jejich fibrotických tkání a opětovném osazením takto získaných matric buňkami z postižené tkáně. Připravené 3D modely budou využity k testování antifibrotických látek minoxidil a beta-aminopropionitril, které cílí na inhibici kroslinkování kolagenu a mají potenciál rozvolnit kontrahovanou fibrotickou tkáň. Tyto látky budou aplikovány jak rozpuštěné v mediu tak postupně uvolňované z biokompatibilních a biodegradabilních nosičů. Efekt antifibrotických látek na buňky kultivované v těchto 3D modelech bude hodnocen prostřednictvím analýzy složení, morfologie a biomechanických parametrů nově vznikající extracelulární matrix, dále pak diferenciace, viability a dalších vlastností buněk. Součástí tohoto projektu bude také srovnávací proteomická, metabolomická a imunohistochemická analýza nativních postižených tkání obou fibroproliferativních chorob s cílem identifikovat jak specifické, tak společné markery probíhajících patologických procesů. Tyto 3D modely představují důležitý krok pro in vitro preklinické testování potenciálně léčebných látek pro clubfoot a Dch. Cílené antifibrózní působení na postiženou tkáň může usnadnit a zefektivněnit současnou neinvazívní léčbu relapsů clubfoot či se stát novou alternativou pro nechirurgické řešení léčby Dch.

Vodík-deuteriová výměna ve spojení s hmotnostní spektrometrií (HDX-MS) k identifikaci neznámých metabolitů detekovaných necílenou metabolomikou (21-00477S)

• Poskytovatel: Grantová agentura České republiky
• Cíle projektu: T. Čajka, oddělení Translačního metabolismu
• Cíle projektu: Necílená metabolomika se zaměřuje na analýzu všech detekovatelných metabolitů ve vzorku. Metabolomika využívající kapalinovou chromatografii s hmotnostní spektrometrií (LC-MS) generuje tisíce signálů (molecular features) v biologických vzorcích během jedné analýzy charakterizovaných retenčním časem a hodnotou m/z. Pouze 10 % těchto signálů je možno obvykle anotovat a zbývající detekované signály představují „neznámé“ sloučeniny. Jeden z nejnáročnějších aspektů metabolomiky tudíž představuje identifikace „neznámých“ metabolitů. Bude testována hypotéza, že vodík-deuteriová výměna ve spojení s hmotnostní spektrometrií (HDX-MS) dramaticky zlepší identifikaci signálů z necílené metabolomiky, což povede k novým poznatkům nutných k interpretaci metabolomických dat. Za tímto účelem bude provedena optimalizace LC-HDX-MS platforem pro profilování polárních metabolitů a komplexních lipidů. Následně budou tyto platformy použity k identifikaci nových metabolitů ve slepém střevě, výkalech a plazmě myší po úpravě střevní mikrobioty pomocí diety, antibiotik a probiotik.

Mapování cirkadiánního metabolomu mozku a periferních tkáních potkana během embryonálního a postnatálního vývoje (20-21114S)

• Poskytovatel: Grantová agentura České republiky
• Řešitel: T. Čajka, oddělení Translačního metabolismu
• Cíle projektu: Cirkadiánní rytmus během embryonálního a postnatálního vývoje je již řadu let rozsáhle studován pomocí transkriptomiky. Bylo tak prokázáno postupné zrání cirkadiánní variace hodinových genů. Doposud se však žádné studie nezaměřily na studium cirkadiánní rytmicity během vývoje na komplexní úrovni metabolitů. Bude testována hypotéza, že cirkadiánní metabolom je do značné míry ovlivněn vývojovým stadiem a pomocí globálního metabolomického a lipidomického profilováním bude možné nahlédnout do dynamických vztahů metabolitů a zachytit metabolické změny tkání potkana. Provedeme 24hodinový metabolomický a lipidomický profil tří tkání a plazmy potkana v různých vývojových stadiích (embryonální E19, postnatální P2, P10, P20, P28). Pro stadia P20 a P28 bude tento přístup rozšířen o další typy tkání pro vytvoření komplexního atlasu cirkadiánního metabolismu. Dále bude vyvinut nový pracovní postup pro snížení falešných struktur během identifikace „neznámých“ metabolitů.

Metabolomika 2.0: Komplexní analytické metody a bioinformatické nástroje pro studium cirkadiánních rytmů (LTAUSA19124)

• Poskytovatel: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
• Řešitel: T. Čajka, oddělení Translačního metabolismu
• Cíle projektu: Cílem projektu je navázání spolupráce a intenzivní vědecké činnosti mezi odděleními Translačního metabolismu, Metabolomiky a Biologických rytmů (Fyziologický ústav AV ČR, v.v.i.) a West Coast Metabolomics Center (University of California, Davis). Projekt je zaměřen na vývoj komplexních analytických metod a bioinformatických nástrojů aplikovatelných při studiu cirkadiánních rytmů. Díky pokrokům v chromatografii a hmotnostní spektrometrii spolu s vývojem v oblasti výpočetní techniky je možné vyvinou vhodné nástroje metabolomiky druhé generace (Metabolomics 2.0) pro mapování cirkadiánního metabolomu. Výstupy projektu ve formě vědeckých publikací s detailními informacemi nutné pro efektivní transfer daných metod budou dostupné pro ostatní vědecká pracoviště zabývající se danou problematikou.

Národní institut pro výzkum metabolických a kardiovaskulárních onemocnění (LX22NPO5104)

• Poskytovatel: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
• Člen týmu: T. Čajka, oddělení Translačního metabolismu
• Cíle projektu: Hlavním účelem projektu Exceles je ustavení a start-up fáze působnosti CarDia, coby nově vzniklé národní výzkumné platformy, která integruje stávající excelentní pracovníky a pokročilou výzkumnou infrastrukturu v oblasti biomedicínského výzkumu KVO, diabetu a obezity. Smyslem je rozvojem výzkumu v rámci národního institutu CarDia i) zajistit cílenější a bezpečnější terapeutické postupy ii) integrovat CarDia do EVP a iii) profilovat jeho strategickou roli v eliminaci společensky i ekonomicky nejzávažnějších onemocnění v české populaci a tím přispět k budování odolnosti ČR.