Wzór nr 2/11

dr hab. Małgorzata Lekka,
prof. nadzw. IFJ PAN
Instytut Fizyki Jądrowej PAN
Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków
Autoreferat
Przebieg pracy zawodowej
W latach 1988 – 1993 studiowałam fizykę na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki
Uniwersytetu Jagiellońskiego. W czerwcu 1993 roku studia zakończyłam obroną pracy magisterskiej
zatytułowanej „Preparatyka biologicznych tarcz pomiarowych dla metody PIXE na przykładzie łożyska
poporodowego i krwi” wykonywanej pod kierunkiem prof. W.M. Kwiatka. Swoją pracę zawodową
rozpoczęłam 1 października 1993 roku w Instytucie Fizyki Jądrowej w Krakowie. Przebieg mojej pracy
zawodowej jest pokazany w poniższej tabeli (Tabela. 1). Całkowita liczba lat pracy zawodowej wynosi 22
lata (od 01.10.1993 do chwili obecnej).
Tabela. 1. Przebieg pracy zawodowej.
Nazwa placówki
Zajmowane stanowisko
Okres pracy (od – do)
Instytut Fizyki Jądrowej
Stażysta
01.10.1993 – 31.12.1994
Instytut Fizyki Jądrowej
Fizyk
01.10.1994 – 30.09.1998
Instytut Fizyki Jądrowej
Specjalista
01.10.1998 – 31.12.1998
Instytut Fizyki Jądrowej PAN
Adiunkt
01.01.1999 – 17.11.2008
Po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego
Instytut Fizyki Jądrowej PAN
Adiunkt
17.11.2008 – 28.02.2010
Instytut Fizyki Jądrowej PAN
Docent
01.03.2010 – 30.09.2010
Instytut Fizyki Jądrowej PAN
Prof. nadzwyczajny
01.10.2010 – nadal
Pracę doktorską zatytułowaną „Biologiczne zastosowania skaningowego mikroskopu sił” wykonywałam
w ramach Studium Doktoranckiego Instytutu Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego w Krakowie,
w okresie od 1.10.1994 roku do 30.09.1998 roku, pod kierunkiem Prof. dr Andrzeja Z. Hrynkiewicza. Pracę
obroniłam z wyróżnieniem 14.10.1998 roku (stopień doktora nauk fizycznych w zakresie biofizyki Rada
Naukowa IFJ zatwierdziła 16.11.1998). W roku 1999 zostałam wyróżniona nagrodą im. Henryka
Niewodniczańskiego za cykl prac dotyczących elastyczności i adhezji komórek biologicznych. W okresie od
1999 roku do 28.10.2010 roku pracowałam na stanowisku adiunkta. Pracę habilitacyjna zatytułowaną „The
use of atomic force microscopy as a technique for the identification of cancerous cells” zaprezentowałam w
2007 roku jako raport IFJ PAN nr 2001/AP. Stopień doktora habilitowanego nauk fizycznych w zakresie
biofizyki uzyskałam 17.11.2008 roku przed Radą Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Po uzyskaniu stopnia
doktora habilitowanego pracowałam na stanowisku adiunkta do 28.02.2010 roku. Od 1 marca 2010 zostałam
zatrudniona na stanowisku docenta (do 01.10.2010). Pierwszego października 2010 roku zostałam
zatrudniona na stanowisku profesora nadzwyczajnego w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, na którym
pozostaję do chwili obecnej. W IFJ PAN jestem zaliczona do minimum kadrowego.
W latach 2004-2006 byłam stypendystką programu NATO w ramach projektu zatytułowanego „Molecular
interactions in normal and cancerous cells” wykonywanego we współpracy z ICPM (Institute of Complex
of Physics Matter) na Politechnice w Lozannie w Szwajcarii (program Collaborative Research Grant
LST.CLG.980477 - kierownik projektu M.Lekka, w ramach projektu finansowane były tylko koszty moich
pobytów we Szwajcarii tj. 5 miesięcznych wizyt z uwagi na fakt, że Szwajcaria nie jest krajem NATO).
Badania dotyczyły charakterystyki oddziaływań molekularnych występujących pomiędzy lektynami
a glikanami znajdującymi się na powierzchni żywej komórki w raku pęcherza moczowego.
W latach 2000-2008, na Politechnice w Lozannie w Szwajcarii, prowadziłam badania dotyczące własności
mechanicznych kapsułek żelowych elastycznych oraz cienkich warstw białkowych za pomocą mikroskopii
sił atomowych pracującej w trybie spektroskopii siły i sił tarcia (artykuły w Langmuir, 2004; Appl. Phys.
Lett., 2005; J.Chem.Phys, 2005). W tym czasie zainteresowałam się tematyką wpływu wolnych rodników na
własności mechaniczne żywych komórek (Carbon, 2005, Adv. Func. Mat. 2006; Env. Sci. Technol. 2007) .
Przebieg pracy zawodowej po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego
Po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego w listopadzie 2008 roku, pracowałam na stanowisku
adiunkta do 1.03.2010 roku, docenta od 1.03.2010 do 30.09.2010 oraz profesora nadzwyczajnego od
1.10.2010.
Od 2009 roku uczestniczyłam w badaniach elastyczności mięśni myszy i ludzi chorujących na dystrofie
mięśniowe o różnym stopniu zaawansowania, prowadzonych we współpracy z Uniwersytetem w Lozannie,
Politechniką w Lozannie oraz Szpitalem Uniwersyteckim w Lozannie (Szwajcaria).
Od 1 marca 2010 roku kieruję Pracownią Badań Mikroukładów Biofizycznych w IFJ PAN. Obecnie mój
zespół liczy 9 osób (wraz ze mną). W jego skład wchodzą jeden adiunkt, pięcioro doktorantów oraz dwie
osoby pracujące na stanowiskach technicznych
W 2011 roku zostałam stypendystką programu WZROST („Wzmocnienie potencjału dydaktycznego UMK
w Toruniu w dziedzinach matematyczno-przyrodniczych", nr projektu: POKL.04.01.01-00-081/10) dzięki,
któremu jako profesor wizytujący pracowałam na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. M. Kopernika w
Toruniu (od 23.05.2011 do 23.06.2011). Podczas mojej wizyty prowadziłam serię wykładów dotyczących
różnorodnych aspektów związanych mikroskopią sił atomowych m.in. pomiaru elastyczności, sił
oddziaływania czy mikroskopii sił tarcia.
W latach 2010-2014 brałam udział w Akcji COST TD1002, w sieci naukowej zatytułowanej „European
network on applications of Atomic Force Microscopy to NanoMedicine and Life Sciences”. Sieć naukowa
skupiała 51 grup (z 24 krajów). Prace badawcze skupiały się w 5 grupach tematycznych m.in. w grupie
pracującej nad standaryzacją pomiarów elastyczności żywych komórek (w której byłam szczególnie
zaangażowana).
Dorobek naukowy
Mój aktualny dorobek naukowy obejmuje 77 współautorskich artykułów w czasopismach
indeksowanych w bazie Web of Science; 12 prac spoza bazy Web of Science, 8 współautorskich rozdziałów
do książek oraz 2 indywidualne pozycje książkowe: jedna praca to monografia habilitacyjna (wydana jako
raport IFJ PAN 2001/AP w 2007 roku) a druga to książka zatytułowana „Cellular Analysis by Atomic Force
Microscopy” (w druku Pan Stanford Publisher). Aktualne dane bibliometryczne (sierpnień 2015) według
bazy Web of Science Core Collection (baza nie uwzględnia publikacji książkowych) to:
- ogólna liczba cytowań = 1298
- liczba cytowań bez autocytowań = 1159
- współczynnik Hirsch’a = 19
- średnia liczba cytowań na jedną publikacje = 15.27
- łączny „impact factor” czasopism, w których ukazały się moje artykuły wynosi = 302.327.
Porównanie danych bibliometrycznych przed i po habilitacji jest zawarte w Tabeli 2.
Tabela. 2. Porównanie danych bibliometrycznych przed i po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego.
Przed habilitacją
Po habilitacji
(do grudnia 2008)
(od stycznia 2009)
104.996
302.327
Liczba Cytowań(bez autocytowań)
362
1159
Indeks Hirscha
12
19
4.96
15.27
Sumaryczny IF
średnia liczba cytowań na jedną publikację
Z uwagi na interdyscyplinarny charakter prowadzonych przeze mnie badań (w szczególności dostępność
materiału biologicznego pochodzącego od pacjentów), opublikowane prace badawcze są pracami
współautorskimi. We wszystkich pracach, w których mój wkład jest znaczący i dominujący - jestem
autorem albo pierwszym autorem (18) albo autorem korespondencyjnym (33) albo ostatnim autorem (12).
Uzyskane wyniki naukowe były także prezentowane, jako doniesienia konferencyjne. Ich łączna liczba to
191, w tym 39 razy były to moje doniesienia ustne (19 razy były to wystąpienia na zaproszenie na
konferencjach o zasięgu międzynarodowym i krajowym).
Osiągnięcia naukowe po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego
Po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego do chwili obecnej opublikowałam, jako autorka
i współautorka 33 artykuły w czasopismach indeksowanych w bazie Web of Science (m. in. w Nanomedicine
IF = 5.955; Nature Nanotechnology IF = 37.601; Biomacromolecules IF = 6.432; Arch. Biochem. Biophys.
2.980), autorską monografię „Cellular Analysis by Atomic Force Microscopy” (wydawnictwo Pan Stanford
Publishing Pte. Ltd.) oraz dwa rozdziały w książkach pod redakcją (prace współautorskie). Inne moje prace
w okresie po habilitacji to wystąpienia na konferencjach międzynarodowych i krajowych (85 prac
konferencyjnych, w tym 9 wykładów na zaproszenie).
W chwili obecnej wysłana jest jedna praca autorska do BioNanoScience (szacowany IF=2.4) oraz pięć
współautorskich prac wysłanych do Ultramicroscopy (IF1=2.474), Nature Nanotechnology (IF=37.601),
Applied Surface Science (IF=2.735), Plos One (IF=3.701) oraz Planta (IF=3.632). Przygotowywana jest
1
Podano IF pięcioletni
także publikacja „Chemical and physical properties of PDMS substrates with regulated elasticity as
a potentially fine cell culture substrata”.
Dodatkowo, po habilitacji wykonałam 59 recenzji artykułów naukowych (Acta Biomaterialia, IF = 6.589;
Acta Biochemica and Biophysica Sinica, IF = 2.051; Acta Physica Polonica A, IF = 0.497; ACS Sustainable
Chemistry & Engineering, IF = 4.642; Applied Surface Science, IF = 2.735; Biochimica et Biophysica Acta
– Biomembranes, IF = 3.881; Biophysical Journal, IF = 3.874; Cell Biology and Toxicology, IF = 2.482;
Colloids and Surfaces A, IF = 2.832; Colloids and Surfaces B, IF = 4.400; Current Applied Physics,
IF = 2.184; Current Nanoscience, IF = 1.199; Cytoskeleton, IF = 3.250; Environmental Science and
Technology, IF = 6.326; Journal of the American Chemical Society, IF = 11.726; Journal of Biological
Physics, IF = 1.525; Journal of Biomedical Nanotechnology, IF = 4.138; Journal of Materials Chemistry,
IF = 7.449; Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, IF = 3.478; Journal of Medical
and Biological Engineering, IF = 1.116; Journal of Molecular Recognition, IF = 2.356; Journal of Optics –
UK, IF = 1.887; Journal of Physics: Condensed Matter, IF = 2.507; Journal of Physics D: Applied Physics,
IF = 2.711; Langmuir, IF = 4.543; Medical Research Reviews, IF = 8.226; Micron, IF = 1.911;
Microscopy and Microanalysis, IF = 2.208; Nanoscale, IF = 7.762; Nanomedicine - UK, IF = 5.955;
Nanotechnology, IF = 3.885; Nature Nanotechnology, IF = 37.601; New Journal of Physics, IF = 3.664;
Nuclear Instruments and Methods B, IF = 1.226; PLOS One, IF = 3.702; RSC Advances, IF = 3.907;
Scanning, IF = 1.777; Scientific Reports – UK, IF = 5.597; Surface Interface Analysis, IF = 1.290; Soft
Matter, IF = 4.289; Ultramicroscopy, IF = 2.474), 31 recenzji projektów NCN, NCBiR, MNiSW, 5
recenzji prac doktorskich (jedna w toku), oraz 1 ekspertyzę dla NCBR. W 2013 roku brałam udział
w pracach komisji habilitacyjnej p. Bartosza Sucha, a w 2014 roku opracowałam recenzję dla Uniwersytetu
w Tuffts (USA) jako recenzent zewnętrzny do oceny dorobku naukowego, wymaganej dla uzyskania
pozycji z nieograniczonym czasem pracy (ang. tenue track evaluation).
Staż naukowy za granicą po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego – 11 miesięcy (całkowity okres stażu
za granicą to 51 miesięcy (ponad 4 lata, głownie na Politechnice w Lozannie, Szwajcaria).
Rozpoznawalność w nauce krajowej i zagranicznej
Moja obecność w nauce krajowej i zagranicznej w dziedzinie biofizyki jest wyrażona poprzez liczbę
cytowań (1156 - przytaczana tutaj ilość cytowań nie obejmuje autocytowań) oraz poprzez:

wykonywane recenzje artykułów naukowych (wszystkich recenzji było ponad 70 od 2003
roku) w takich czasopismach jak na przykład Nature Nanotechnology (IF=37.601), Plos
One (IF=3.702), Nanomedicine (IF=5.955), Cytoskeleton (IF=3.250), Nanoscale
(IF=7.762);

wykonane recenzje projektów (od 2010 roku, po habilitacji) dla Canadian Foundation for
Innovation (CFI), Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Commissariat à l'énergie
atomique (CEA), Marsden Fund (Royal Society of New Zealand);

wykonane recenzje pracy doktorskiej (Politechnika w Lozannie, Szwajcaria) oraz dorobku
naukowego (Tuffts University; ocena dorobku dla potrzeb „tenue track”);

realizowane projekty w ramach współpracy bilateralnej w latach 2000 – 2004 z Rosją
(Skobeltyn Institute of Nuclear Physics, Moscow) oraz w latach 2011 – 2015 z Austrią
(Johannes Kepler University, Linz);

wygłoszone wykłady na konferencjach międzynarodowych (19, w tym 9 wykładów
plenarnych na zaproszenie) oraz w instytucjach zagranicznych na zaproszenie (10);

prowadzenie praktyk dla studentów z zagranicy (6 osób od 2012 roku z 4 krajów, Austria,
Czechy, Hiszpania i Rumunia);

udział w projekcie finansowanym przez EU w ramach Akcji COST TD1002 realizowanego
w latach 2010-2014 jako członek komitetu (tzw. MC member, management committee
member) ze strony polskiej. Owocem udziału było powierzenie mi organizacji wakacyjnej
szkoły COST poświęconej tematyce wykorzystania mikroskopii sił atomowych w biologii
dla studentów polskich i zagranicznych finansowanej w ramach Akcji COST TD1002
(w Krakowie);

udział jako ekspert zewnętrzny w pracach zespołu ekspertów nad opracowaniem
dotyczącym perspektyw rozwoju biotechnologii do roku 2030, zatytułowanego „En route to
a Knowledge-based Bio-Economy”. Dokument ten został zaprezentowany na konferencji
„European Bioperspectives” w Kolonii (Niemcy) w dniach 30.05.2007-01.06.2007;

udział w pracach komitetu redakcyjnego czasopisma Micron (IF = 1.911).
Ponadto, poniższe prace naukowe zostały wyróżnione:

M.Lekka, A.J.Kulik, S.Jeney, J.Raczkowska, J.Lekki, A.Budkowski, L.Forro – Friction
force microscopy as an alternative tool for probing molecular interactions – J. Chem. Phys.,
123 (1) (2005) 014702:1-7, została wyróżniona ponowną publikacją w Virtual Journal of
Biological Physics Research 10(2) (2005).
 M.Lekka, P.Laidler, M.Łabędź, Andrzej J.Kulik, J.Lekki, W.Zając, Z.Stachura “Specific
detection of glycans on a plasma membrane of living cells using atomic force microscopy”
Chemistry & Biology, 13 (5) (2006) 505–512., została wyróżniona recenzją w “Research
highlights” Nature Methods, 2006 3(8) 585.
 B.Vileno, M.Lekka, A.Sienkiewicz, S.Jeney, G.Stoessel, J.Lekki, L.Forró, Z.Stachura “AFM
study of early changes in single cell stiffness induced by UV in the presence of nano-TiO2”,
Environmental & Science Technology 41(14) (2007) 5149–5153, została wyróżniona
recenzją w
“Research highlights”
Nature Nanotechnology, 2007, (doi:
10.1038/nnano.2007.214).
Na poziomie krajowym wykonuję ekspertyzy (NCBR), recenzje projektów (NCN, NCBR, FNP, PolskoAmerykańska Komisja Fulbrigta), recenzje artykułów wydawanych w Polsce głównie dla Acta Physica
Polonica A. Biorę aktywny udział w tematycznych konferencjach krajowych (21 wystąpień w tym 10
wykładów na zaproszenie) oraz wygłaszałam wykłady na seminariach w krajowych instytucjach (18).
W latach 2008, 2010 oraz 2012 byłam członkiem komitetu doradczego programowego Seminarium pt.
„Badania prowadzone metodami skaningowej mikroskopii bliskich oddziaływań” AFM/STM. W 2014 roku
organizowałam warsztaty „Obrazowanie w skali nano AFM i SNOM” we współpracy z Wydziałem Chemii
UJ, które odbyły się w dniach 16-17.10.2014 roku w Krakowie.
Prowadzone projekty badawcze
Badania prowadzone przeze mnie są finansowane w ramach projektów badawczych, wykonywanych
zarówno we współpracy z instytucjami zagranicznymi jak i polskimi (podsumowanie jest pokazane
w Tabeli 3).
Tabela. 3. Projekty badawcze.
Instytucja finansująca – nr rej.
Charakter mojego udziału
Czas
realizacji
Projekty realizowane przed uzyskaniem stopnia doktora habilitowanego:
KBN – 2P03B 03312
główny wykonawca
1997 – 1998
KBN – 2P03B 06615
główny wykonawca
1998 – 1999
KBN – 2P04A 03817
wykonawca
1999 – 2003
KBN – 2P04A 12921
kierownik
2001 – 2003
KBN – 2P04A 03328
wykonawca
2005 – 2008
FP7-PEOPLE-ITN-2008 (MEDIM)
wykonawca
2008
FP7-PEOPLE-ITN-2009 (BRIX)
wykonawca
2008
FP5-QLK4-CT-2002-02678 (NANODERM)
wykonawca zadania WP7
Cellular Response in vitro
2002 – 2006
NATO – LST.LGC.980477
kierownik (stypendysta)
2004 – 2006
Granty na granty:
Projekty realizowane po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego:
FP7-NMP4-SE-2008-213717 (SMW)
Umowa konsorcyjna
kierownik w IFJ PAN
2008-2011
FP7-HEALTH-2009 (RAMREC)
kierownik
2009
MNiSW – NN301 267137
wykonawca
2009 – 2013
MNiSW – NN202 285738
kierownik
2010 – 2011
MNiSW – NN202 262038
wykonawca
2010 – 2013
NCN – Opus (UMO-2011/01/B/NZ9/00787)
wykonawca
2011 – 2015
NCN – Harmonia (UMO-2011/01/M/ST3/00711)
kierownik
2011 – 2014
NCN – Preludium (UMO-2011/01/N/ST3/02255)
promotor
2011 – 2015
NCN – Preludium (UMO-2013/11/N/ST4/01860)
promotor
2014 – 2017
NCN – Opus (UMO-2012/07/B/NZ6/03504)
wykonawca
2013 – 2016
NCN – Sonata (UMO-2013/09/D/ST5/03859)
wykonawca
2014 – 2017
NCN – Opus (UMO-2014/15/B/ST4/04737)
kierownik
2015 – 2018
NCBR – nr.rej. 246425
Umowa konsorcyjna
Kierownik w IFJ PAN
2015 – 2018
MNiSW – NN301 267137
wykonawca
2009 – 2013
Część badań była wykonywana w ramach współprac pomiędzy:

IFJ PAN a Instytutem Fizyki Jądrowej w Moskwie (Skobeltyn Institute of Nuclear Physics, Moscow,
Russia) w ramach projektów zatytułowanych:
o – “Badania struktury cząsteczkowej kompleksów radioizotopowych
w diagnostyce i terapii medycznej”, realizowanego w latach 2000–2001,
stosowanych
o – “Struktura i siła wiązania par ligand–receptor” realizowanego w latach 2002–2004.

IFJ PAN a Instytutem Biofizyki w Linzu (Institute of Biophysics, Johannes Kepler University, Linz,
Austria) w ramach projektów zatytułowanych:
o „Studies of correlation between surface receptors expression (integrins and cadherins) and
mechanical properties of living cells” na lata 2011/2012; numer 8507/R11/R12.
o “Single molecular characterization of integrin-mediated adhesion to laminin in normal
human melanocytes and melanoma cells” na lata 01.05.2013-31.04.2015; numer PL 04/2013.

w ramach sieci naukowej finansowej przez Akcję COST zatytułowana „European network on
applications of Atomic Force Microscopy to NanoMedicine and Life Sciences” (TD1002) w latach
2010 – 2014.
Działalność dydaktyczna
Praca ze studentami towarzyszy mojej pracy badawczej praktycznie od początku mojej kariery naukowej.
Z uwagi na charakter instytutu, w którym jestem zatrudniona, moja główna działalność dydaktyczna jest
związana z opieką naukową nad praktykantami, magistrantami oraz doktorantami (szczegółowa informacja
jest zawarta w Tabeli 4). Prowadziłam opiekę nie tylko nad osobami pochodzenia polskiego. Pod moim
kierunkiem swoje badania wykonywali praktykanci z Austrii, Czech, Hiszpanii i Rumunii wykorzystując
techniki dostępne w IFJ PAN.
Tabela.4. Opieka nad studentami, doktorantami – podsumowanie.
Uczelnia / kraj
Forma opieki
Czas
Akademia Górniczo-Hutnicza, PL
Opieka naukowa – 6 osób
2011 – 2013
Uniwersytet Jagielloński, PL
Opieka naukowa – 7 osób
2009 – 2010
Uniwersytet w Gdańsku, PL
Opieka naukowa – 2 osoby
2010, 2015
Uniwersytet w Madrycie, Hiszpania
Opieka naukowa – 1 osoba
2012
Uniwersytet w Linzu, Austria
Opieka naukowa – 2 osoby
2013, 2015
Uniwersytet w Ołomuńcu, Czechy
Opieka naukowa – 2 osoby
2014
Uniwersytet w Bukareszcie, Rumunia
Opieka naukowa – 1 osoba
2015
Uniwersytet Jagielloński, PL
Promotor prac magisterskich
2000 – 2012
– 6 osób
Instytut Fizyki Jądrowej PAN, PL
Opieka naukowa – 2 osoby
2006, 2007
Instytut Fizyki Jądrowej PAN, PL
Promotor prac doktorskich
2010 – 2019
– 6 osób
Od 2005 roku do chwili obecnej (co roku) prowadzę zajęcia (wykład 6h i ćwiczenia 3h) dotyczące
mikroskopii sił atomowych w ramach wykładu „Metody biofizyczne w badaniach biocząsteczek i układów
molekularnych” prowadzonego na kierunku biofizyka dla studentów III roku na Wydziale Biochemii,
Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Wykład ten, co roku kończy się egzaminem,
którego częścią jest także mikroskopia sił atomowych.
Osiągnięcia dydaktyczne po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego:
Po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego nadal prowadzę część zajęć dotyczącą mikroskopii sił
atomowych (wykład i ćwiczenia) dla studentów III roku biofizyki na Wydziale Biochemii, Biofizyki
i Biotechnologii w ramach wykładu „Metody biofizyczne w badaniach biocząsteczek i układów
molekularnych”.
W 2011 roku uzyskałam stypendium, dzięki, któremu jako profesor wizytujący na Wydziale Fizyki
Uniwersytetu im. M. Kopernika w Toruniu (od 23.05.2011 do 23.06.2011) prowadziłam serię wykładów
dotyczących różnorodnych aspektów związanych mikroskopią sił atomowych m.in. pomiaru elastyczności,
sił oddziaływania czy mikroskopii sił tarcia.
W sierpniu 2014 roku prowadziłam wykłady dla uczestników wakacyjnej tygodniowej szkoły poświęconej
tematyce wykorzystaniu mikroskopii sił atomowych w biologii organizowanej przez akcję COST TD1002
„European network on applications of Atomic Force Microscopy to NanoMedicine and Life Sciences”
w Lille we Francji (zajęcia teoretyczne i praktyczne były prowadzone w języku angielskim).
Opiekowałam się 15 praktykantami z instytucji krajowych oraz 6 z instytucji zagranicznych (Tabela 4).
Ponadto, zostały wykonane 4 prace magisterskie pod moim kierunkiem. Równolegle prowadziłam
i prowadzę opiekę nad pracami doktorskimi, które można podsumować w poniższy sposób:
1) liczba zakończonych przewodów doktorskich – 2:

dr Olesya Klymenko „Relative plastic/elastic behaviour of cells by atomic force microscopy”
– obrona pracy doktorskiej odbyła się 5.07.2011 roku (zatwierdzenie tytułu przez Radę
Naukową IFJ PAN 11.07.2011),

dr Szymon Prauzner-Bechcicki „Wpływ własności chemicznych i fizycznych wybranych
cienkich powierzchni polimerowych na własności adhezyjne komórek czerniaka” – obrona
pracy odbyła się 10.10.2014 roku (zatwierdzenie tytułu przez Radę Naukową IFJ PAN
13.10.2014).
2) liczba otworzonych przewodów doktorskich – 2:

mgr Katarzyna Pogoda „Rola sił mechanicznych generowanych przez otoczenie komórki
w rozwoju raka prostaty” – planowana obrona wrzesień/październik 2015,

mgr Justyna Bobrowska „Charakterystyka struktury powierzchni komórek i jej korelacja
z własnościami mechanicznymi cytoszkieletu” – planowana obrona w 2016.
3) liczba prac doktorskich bez otwartego przewodu doktorskiego – 2:

mgr Barbara Orzechowska – proponowana tematyka pracy „Zmiany elastyczności
pojedynczych komórek wywołane obecnością komórek sąsiadujących” – planowana obrona
pracy w 2017

mgr Agnieszka Markiewicz – proponowana tematyka pracy „Własności adhezyjne
pojedynczych kompleksów molekularnych – eksperymentalna weryfikacja modeli
teoretycznych” – planowana obrona pracy w 2018.

mgr Joanna Daniłkiewicz – proponowana tematyka pracy „Synergizm syndekanów i integryn
w zmianach elastyczności komórek raka pęcherza moczowego” – planowana obrona pracy
w 2019.
Liczba opracowanych przeze mnie recenzji prac doktorskich wynosi 5, w tym jedna wykonana była dla
Politechniki w Lozannie (Szwajcaria), 2 dla Politechniki w Poznaniu oraz jedna dla Politechniki
w Warszawie. Piąta recenzja pracy doktorskiej jest w toku dla Wydziału Biochemii, Biofizyki i
Biotechnologii UJ w Krakowie.
Ogromną satysfakcją są dla mnie osiągnięcia moich doktorantów:
 dr Olesya Klymenko – grant promotorski MNiSW
 dr Szymon Prauzner-Bechcicki – projekt NCN Preludium, stypendium NCN Etiuda
 mgr Katarzyna Pogoda – stypendium Komisji Fulbrigta, stypendium NCN Etiuda
 mgr Justyna Bobrowska – projekt NCN Preludium, stypendium NCN Etiuda.
Działalność inna, w tym popularyzująca naukę, organizacyjna:
Poza działalnością naukową i dydaktyczną, część mojej aktywności poświęciłam popularyzacji nauki
prowadząc wykłady z zakresu mojej tematyki badawczej, głównie w ramach Festiwalu Nauki w Krakowie.

W 2008 roku wygłosiłam wykład „Wykorzystanie mikroskopii sił atomowych do detekcji zmian
nowotworowych”, parokrotnie organizowałam i prezentowałam technikę AFM w ramach dni
otwartych IFJ PAN a w 2012 pełniłam funkcję pełnomocnika ds. organizacji Festiwalu Nauki
w Krakowie z ramienia IFJ PAN. Ponadto, w 2012 roku, ukazał się artykuł popularnonaukowy
zatytułowany „Mikroskop do zadań specjalnych” opisujący mikroskopię sił atomowych (Gracja,
Wiosna 2012, 8-9).

Od 2005 roku, co roku, organizuję w IFJ PAN ćwiczenia praktyczne do części wykładu „Metody
biofizyczne w badaniach biocząsteczek i układów molekularnych” poświęconej tematyce
mikroskopii sił atomowych (3 x 3h) dla studentów III roku na kierunku biofizyka. Wykład jest
prowadzony na Wydziale Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ a ćwiczenia odbywają się
w prowadzonej przeze mnie Pracowni Badań Mikroukładów Biofizycznych.

W 2012 roku organizowałam wakacyjną szkołę poświęconą tematyce wykorzystania mikroskopii sił
atomowych w biologii w Krakowie (organizowanej w ramach Akcji COST TD1002 „European
network on applications of Atomic Force Microscopy to NanoMedicine and Life Sciences”).
W ramach tej szkoły prowadzone były zajęcia teoretyczne (wykłady) i praktyczne (pomiary na
mikroskopach sił atomowych wypożyczonych przez firmę Bruker). Wykłady były prowadzone przez
osoby będące specjalistami w tej dziedzinie z Polski i zagranicy (Francja, Hiszpanii, Włochy).

W 2014 roku organizowałam wspólnie z grupą Pani prof. M.Barańskiej (Wydział Chemii UJ)
warsztaty zatytułowane „Obrazowanie w nano skali: AFM i SNOM”, które odbyły się w dniach 1617.10.2014 w Krakowie.

W latach 1993 – 2015, pomagałam w organizacji konferencji „Zakopane School of Physics”
organizowanej przez IFJ PAN (członek komitetu organizacyjnego w latach 1995, 1997, 2001, 2011
oraz 2014). Pracowałam też jako członek komitetu doradczego Seminarium AFM/STM Zakopane
w latach 2008 (V Seminarium AFM/STM); 2010 (VI Seminarium AFM/STM) oraz w 2014 (VII
Seminarium AFM/STM).

Jestem (lub byłam) członkiem następujących towarzystw:
– Europejskiego Towarzystwa Biomechanicznego od 2013 roku
– Polskiego Towarzystwa Synchrotronowego od 1994 roku
– Polskiego Towarzystwa Biofizycznego od 2013 roku
– Członek Material Research Society w roku 2012
– Członek Polskiego Towarzystwa Hemoreologii i Mikrokrążenia, pełniona funkcja –
członek komisji rewizyjnej, od 2015 roku.

Od 2015 roku, jestem członkiem Rady Naukowej Instytutu Agrofizyki Polskiej Akademii Nauk
w Lublinie na okres kadencji 2015-2018.
Od 1 marca 2010 roku kieruję Pracownią Badań Mikroukładów Biofizycznych w IFJ PAN. Obecnie
mój zespół liczy 8 osób (wraz ze mną). W jego skład wchodzą jeden adiunkt, 4 doktorantów oraz dwie
osoby pracujące na stanowisku technicznym. Osiągnięcia prowadzonej przeze mnie Pracowni w okresie
2010-2015 to uzyskanie finansowania w ramach 4 projektów NCN realizowanych przez IFJ PAN
(Harmonia – kierownik M.Lekka, Preludium – kierownik Sz.Prauzner-Bechcicki (M.Lekka – promotor);
Preludium – kierownik J.Bobrowska (M.Lekka – promotor), Opus – kierownik M.Lekka), 1 projektu
NCBiR (partner konsorcjum, kierownik w IFJ PAN), udział w 5 projektach wykonywanych we współpracy
(jako główny wykonawca lub wykonawca) z Instytutem Agrofizyki, Instytutem Fizyki UJ, Uniwersytetem
w Białymstoku, Uniwersytetem Warszawskim i Uniwersytetem im. M.Kopernika w Toruniu. Owocem tych
prac było 30 artykułów opublikowanych w czasopismach o zasięgu międzynarodowym takich jak Analytical
Chemistry IF = 5.794, Nanomedicine (UK) IF = 5.955, Nanotoxicology IF = 7.322, czy Beilstein Journal of
Nanotechnology IF = 2.903.
Tematyka badawcza:
Wykorzystanie metod fizycznych do badań własności różnych układów biologicznych jest
dziedziną, której poświęciłam praktycznie całą moją dotychczasową działalność naukową. Pierwszą pracą
naukową z tej dziedziny była moja praca magisterska zatytułowana „Preparatyka biologicznych tarcz
pomiarowych dla metody PIXE na przykładzie łożyska poporodowego i krwi”. Praca ta była wykonana pod
kierunkiem dr hab. Wojciecha Kwiatka. Po jej obronie w 1993 roku, swoją pracę naukową rozpoczęłam
w Zakładzie Spektroskopii Jądrowej w Instytucie Fizyki Jądrowej w Krakowie, dzieląc swój czas pomiędzy
pomiary PIXE/SRIXE (na podstawie których był wyznaczany skład pierwiastkowy próbek pochodzących
z łożyska poporodowego i krwi płodowej) a mikroskopię sił atomowych (AFM) będącą w ówczesnym
czasie nowatorską metodą w dziedzinie biologii. Swoją działalność naukową rozwijałam pracując
w Zakładzie Stosowanej Spektroskopii Jądrowej w Instytucie Fizyki Jądrowej w Krakowie pod kierunkiem
prof. Andrzeja Z. Hrynkiewicza z ogromną pomocą dr Zbigniewa Stachury. Główną techniką pomiarową
wykorzystywana przeze mnie była mikroskopia sił atomowych (AFM). W początkowym okresie pracy
zajmowałam się stroną techniczną mikroskopii sił atomowych obejmującą opracowanie konstrukcji
mechanicznej mikroskopu umożliwiającej pomiar żywych komórek w środowisku ciekłym, sposobu
kalibracji pomiaru własności mechanicznych próbek biologicznych oraz wykazanie stosowalności AFM do
pomiaru elastyczności komórek prawidłowych i nowotworowych. Mikroskop sił atomowych pracujący
w IFJ został przeze mnie zmodyfikowany do pomiarów próbek biologicznych w środowisku ciekłym.
Równocześnie z mechaniczną przeróbką mikroskopu, została przeprowadzona modyfikacja programu do
akwizycji danych pomiarowych (dokonana przez dr Janusza Lekkiego), dzięki której stała się możliwa
rejestracja krzywych „siła-odległość”, stanowiących podstawę trybu pracy AFM zwanego spektroskopią sił.
W prace te włączyłam się jako osoba proponująca procedury eksperymentalne, równocześnie pisząc
program do analizy danych pomiarowych (Force). Ten tryb pracy został wykorzystany do badań zdolności
żywych komórek do deformacji, co stanowiło podstawę mojej pracy doktorskiej zatytułowanej „Biologiczne
zastosowania skaningowego mikroskopu sił” wykonanej pod kierunkiem prof. dr Andrzeja Hrynkiewicza. W
pracy tej przedstawiono wyniki pomiarów elastyczności żywych komórek dla linii komórkowych
moczowodu i pęcherza moczowego. Wszystkie pomiary wykonano w środowisku ciekłym, zapewniającym
fizjologiczne warunki dla komórek: w środowisku wzrostu nabłonkowych linii komórkowych oraz w soli
fizjologicznej. Deformacja komórki została wyznaczona poprzez wyznaczenie ugięcia powierzchni
(indentacji) pojedynczej komórki przyklejonej do twardego podłoża. Dokładna kontrola wartości
przyłożonej siły pozwoliła na ilościowe określenie elastyczności oraz scharakteryzowanie rodzaju i stanu
komórki poprzez wartość modułu Younga. Ze względu na zastosowany zakres indentacji wyznaczone
wartości modułu opisują głównie cytoszkielet, leżący bezpośrednio poniżej błony komórkowej. Porównanie
własności mechanicznych komórek zdrowych i nowotworowych pochodzących z nabłonka moczowodu i
pęcherza moczowego pokazało, że transformacja nowotworowa powoduje ogromną zmianę elastyczności
cytoszkieletu, co zostało wytłumaczone zmianą organizacji cytoszkieletu. Zmiana ta może zostać
spowodowana dekompozycją niektórych połączeń białkowych cytoszkieletu jak również stratą niektórych
budujących go elementów.
Po otrzymaniu stopnia naukowego doktora, nadal kontynuowałam prace badawcze związane z tematyką
biologiczną szukając korelacji pomiędzy stanem nowotworowym komórki a jej własnościami
mechanicznymi. Badania te były prowadzone we współpracy z prof. Piotrem Laidlerem z Katedry
Biochemii Lekarskiej Collegium Medicum UJ w Krakowie. Prace z tego okresu (Lekka et al., Eur. Biophys.
J. 1999 oraz Lekka et al. App. Surf. Sci. 1999) pokazują większą deformowalność komórek
nowotworowych. Jestem szczególnie dumna z faktu, że prace te są pierwszymi na świecie publikacjami
pokazującymi, że mikroskop sił atomowych może być narzędziem wykorzystywanym do identyfikacji
komórek o zmienionych własnościach mechanicznych. Potwierdzenie uzyskanych wyników pojawiło się
dopiero w 2005 roku w pracy Guck et al. (Biophys. J., 2005). W 1999 roku zostałam nagrodzona Nagrodą
im. Henryka Niewodniczańskiego za cykl prac poświęcony elastyczności żywych komórek (prawidłowych
i nowotworowych). Wyniki te były zachętą do dalszych badań, w których zaobserwowano i opisano
ilościowo korelację pomiędzy zmianą wartości modułu Younga a poziomem glikolizy w komórkach
nowotworowych pęcherza moczowego (Biochim. Biophys. Acta 2001). Innym przykładem wykorzystania
modułu Younga jako parametru opisującego zmiany zachodzące na poziomie komórkowym są badania
własności mechanicznych fibroblastów skóry poddanych szkodliwemu działaniu wolnych rodników
indukowanych przy współudziale nanocząstek TiO2. Rezultatem tych badań jest publikacja w Env. & Sci.
Tech. 2007. Badania te były częściowo finansowane przez projekt NANODERM (EU FP5), w którym
byłam jednym z wykonawców zadania „Cellular response in vitro”. Waga tej pracy została doceniona
wzmianką w “Research highlights” czasopisma Nature Nanotechnology (2007 2 458). Prowadzony przeze
mnie ciągły rozwój metodyki pomiaru i analizy danych zaowocował badaniami własności elastycznych
komórek krwi pochodzących od pacjentów cierpiących na chorobę niedokrwienną serca, cukrzycę, i
nadciśnienie. Badania te były prowadzone w ścisłej współpracy z Katedrą Chorób Wewnętrznych i
Gerontologii Collegium Medicum UJ (dr Maria Fornal). Wyniki ukazujące diagnostyczny aspekt modułu
Younga zostały opublikowane w trzech publikacjach (Lekka et al. Biorheology 2005, Fornal et al. Clinical
Hemorheology and Microcirculation, 2006, oraz w Fornal et al. Clinical Hemorheology and
Microcirculation 2008).
Równolegle z tymi badaniami, zajęłam się opracowaniem metodyki pomiaru siły adhezji przy
użyciu mikroskopii sił atomowych (AFM). Zamieszczone w pracy habilitacyjnej wyniki są rezultatem badań
prowadzonych w latach 1999−2007. Zaprezentowane wyniki pochodzą z części badań dotyczącej pomiaru
oddziaływań międzycząsteczkowych na powierzchni komórek prawidłowych i nowotworowych, w których
pełniłam wiodącą rolę. W pomiarach, które zostały w znaczącej części przeprowadzone w Instytucie Fizyki
Jądrowej PAN w Krakowie, byłam zarówno osobą proponującą eksperyment jak również osobą wykonującą
te pomiary. Część pomiarów umożliwiająca weryfikację opracowywanej metody została przeprowadzona
przeze mnie w Instytucie Fizyki Materii Złożonej na Politechnice w Lozannie (na badania te uzyskałam
stypendium w ramach projektu NATO na latach 2004-2006). Początkowo pomiary wykonane były na
prostym układzie symulującym oddziaływania pomiędzy naładowanymi powierzchniami występujące w
roztworach wodnych elektrolitów (głównie chlorku sodu i wapnia). Pomiary zostały przeprowadzone dla
ostrza AFM posiadającego ujemny ładunek, próbkującego powierzchnię czystej miki o ujemnym ładunku
powierzchniowym oraz powierzchnię szkła o dodatnim ładunku powierzchniowym (wskutek pokrycia poliL-lizyną). W pracach tych została podjęta próba wyznaczenia wielkości siły oddziaływania wiązań
wodorowych (Acta Phys. Pol. A 2002). Pomiary te zostały przeprowadzone w wodnym roztworze chlorków
Ca i Na, dwóch rodzajów jonów występujących w środowisku żywej komórki. Badane te pokazały
możliwość wykonania pomiarów oddziaływania pomiędzy dobrze zdefiniowaną cząsteczką przymocowaną
do próbkującego ostrza AFM a receptorem występującym na powierzchni żywej komórki. Ta możliwość
otwarła zupełnie nowe pole studiów komórek nowotworowych, szczególnie istotne wobec faktu, że opisane
wcześniej zmiany organizacji cytoszkieletu są zmianami niespecyficznymi, co oznacza, że wartość modułu
Younga można wykorzystać jako wskaźnik zmian nowotworowych jedynie dla pewnych typów
nowotworów (co zostało pokazane dla komórek pęcherza moczowego (Eur. Biophys. J. 1999) oraz komórek
melanomy (Proc. Inter. Conf., eds. R.K.Mittal, N.N.Scharma, 2007).
Zdolność komórek do adhezji jest realizowana poprzez oddziaływania pomiędzy pojedynczymi
molekułami. Mikroskop sił atomowych jest znakomitym narzędziem do badań tych oddziaływań, głównie z
uwagi na wysoką zdolność rozdzielczą i możliwość pomiaru w warunkach zbliżonych do tych które panują
we wnętrzu organizmu. Badania były częściowo finansowane w latach 2001−2003 przez grant KBN
zatytułowanym „Badanie siły wiązania par ligand–receptor za pomocą skaningowego mikroskopu sił”,
którego byłam kierownikiem. Głównym celem studiów było określanie wielkości siły adhezji tworzącej się
pomiędzy poszczególnymi parami ligand–receptor w środowisku wodnym zawierającym jony soli.
Szczególny nacisk został położony na rozróżnienie pomiędzy adhezją tworzącą się specyficznie (jako wynik
oddziaływania tylko par ligand–receptor; Eur. Biophys. J. 2004) a adhezją powstałą w wyniku
oddziaływania pomiędzy naładowanymi powierzchniami w roztworach wodnych elektrolitów (Acta Phys.
Pol. A 2002). Oddziaływanie pomiędzy wybranymi cząsteczkami biologicznymi było tematem kilku prac
wykonanych przez dwie doktorantki znajdujących się pod moja opieka naukową. Prace te dotyczyły
wyznaczania siły rozrywania kompleksów typu antygen-przeciwciało oraz lektyna-łańcuch
oligosacharydowy dla pojedynczych kompleksów molekularnych. Mikroskop sił atomowych pracujący
w trybie dynamicznej spektroskopii siły pokazał, że własności adhezyjne pojedynczych kompleksów są
odmienne i nie zawsze mogą być opisane tylko poprzez stałe równowagowe procesu tworzenia się
i zrywania pojedynczych kompleksów białkowych. Pomiary oddziaływań molekularnych na powierzchni
żywych komórek zostały przeprowadzone przeze mnie dla oddziaływań glikanów z lektynami dla lektyn
SNA (Sambucus nigra) oraz ConA (Canavalia ensiformis). Badania te zostały w późniejszym etapie
rozszerzone o nową cząsteczkę glikanu zbudowanego z N-acetyloglucozaminy rozpoznawaną przez lektynę
pochodzącą z Phaseolus vulgaris, oraz o oddziaływania występujące pomiędzy N-kadheryną i
przeciwciałem monoklonalnym rozpoznającym tę kadherynę w sposób specyficzny. Celem tych badań było
opracowanie metody analizy danych pozwalającej na wykorzystanie mikroskopu sił atomowych do
identyfikacji komórek rakowych poprzez pomiar oddziaływań molekularnych. Analiza danych dostarczyła
ilościowy opis własności pojedynczych kompleksów molekularnych, pokazując znaczące różnice w
komórkach nowotworowych. Dla uzyskanych wyników eksperymentalnych został przeprowadzony
ilościowy opis oddziaływań tych samych typów kompleksów w komórkach nowotworowych melanomy i
pęcherza moczowego. Otrzymane wyniki dotyczące oddziaływań wybranych lektyn z glikanami,
znajdującymi się na powierzchni nowotworowych komórek pęcherza moczowego zostały opublikowane w
Chemistry & Biology, 2006, a praca ta została doceniona wzmianką w “Research highlights” czasopisma
Nature Methods (2006 3 585). Pozostała część wyników stanowi podstawę monografii (praca habilitacyjna)
zatytułowanej „The use of atomic force microscopy as a technique for the identification of cancerous cells”.
W celu jasnego i kompletnego opisu możliwości AFM, z całego materiału badawczego w monografii
umieszczono pełne wyniki dotyczące różnic pomiędzy nowotworowymi i referencyjnymi komórkami
pęcherza moczowego. Podsumowanie mojej działalności naukowej przed uzyskaniem stopnia doktora nauk
habilitowanego jest zawarte w Tabeli 4.
Tabela 4. Tematyka badawcza realizowana przed uzyskaniem stopnia doktora habilitowanego.

Elastyczność pojedynczych komórek nowotworowych (tematyka pracy doktorskiej).

Ilościowa ocena siły oddziaływania lektyn z glikanami w komórkach nowotworowych

Własności reologiczne i mechaniczne erytrocytów pobranych od pacjentów chorujących na
chorobę niedokrwienną serca, cukrzycę i nadciśnienie.

Działanie wolnych rodników na komórki skóry
Tematyka badawcza po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego
Po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego kontynuowałam pracę badawczą nad własnościami
fizycznymi miejsc wiążących N-kadheryny (białka odpowiadającego za oddziaływania typu komórkakomórka) w komórkach raka pęcherza moczowego. Mikroskopia sił atomowych (AFM) pracująca w trybie
spektroskopii siły jest techniką, w której uzyskane wyniki siły wiązania są trudne do bezpośredniej
weryfikacji z uwagi na pomiar własności pojedynczego kompleksu. Wykazanie poprawności wyników
i interpretacji wymaga stosowania metod pośrednich takich jak mikroskopia fluorescencyjna czy technik
elektroforetycznych, w których bada się własności układów zawierających o rzędy wielkości dużo więcej
kompleksów molekularnych niż ma to miejsce w AFM. W ramach tematyki „Podobieństwa i różnice
własności miejsc wiążących N-kadheryny w komórkach nowotworowych, prowadziłam badania mające na
celu pokazanie, że zmianom nowotworowym towarzyszą nie tylko zmiana ilości i rozłożenia receptorów
znajdujących się na powierzchni komórki, ale także zmiana własności fizycznych pojedynczego kompleksu
molekularnego utworzonego z jednej cząsteczki N-kadheryny i jednej cząsteczki przeciwciała
monoklonalnego rozpoznającego kadherynę. Badanie te wzbogacone o wyniki uzyskane za pomocą techniki
Western blot, mikroskopii fluorescencyjnej oraz barwienia immunohistologicznego (dostępne w ramach
współpracy z Katedrą Biochemii Lekarskiej Collegium Medicum UJ) pokazały zmiany w ekspresji
i własnościach fizycznych N-kadheryny w komórkach pęcherza moczowego pochodzących z różnych
stadiów zaawansowania raka. Praca zawierająca uzyskane wyniki została opublikowana w J. Mol. Recognit.
(2011).
Poza kontynuacją tematyki bezpośrednio związanej z tematem mojej pracy habilitacyjnej,
realizowałam badania związane z wykorzystaniem mikroskopii sił atomowych w nanomedycynie, które były
w dużej mierze finansowane w ramach projektu NCN nr UMO-2011/01/M/ST3/00711. Interdyscyplinarny
charakter projektu wymagał współpracy z różnymi grupami badawczymi (podsumowanie kierunków
badawczych jest przedstawione w Tabeli 5).
Tabela 5. Tematyka badawcza realizowana po uzyskaniu stopnia doktora habilitowanego.
Tematyka badawcza (kontynuacja tematyki pracy habilitacyjnej poszerzona o techniki
wykorzystywane w biologii molekularnej)

Podobieństwa i różnice własności miejsc wiążących N-kadheryny w komórkach
nowotworowych (wyniki opublikowano w Lekka et al. J. Mol. Recognit. 2011)
Tematyka badawcza – nowe kierunki
(wyniki uzyskane w ramach realizacji poniższych kierunków badawczych zaowocowały 33
artykułami indeksowanymi w bazie ISI Web of Science)

Elastyczność komórek jako względny biomarker zmian nowotworowych.
(a) Własności nano- i biomechaniczne pojedynczych komórek w progresji czerniaka
(b) Względność modułu Younga wyznaczanego dla żywych komórek
(c) Elastyczność komórek a zmiany molekularne obserwowane w powstawaniu raka
(d) Oddziaływanie komórek z podłożem wykonanym z cienkich warstw polimerowych

Tkankowy biomarker mechaniczny chorób nowotworowych i dystrofii mięśniowych.

Mikroskopia sił tarcia
Poniżej zawarłam krótki opis realizowanych tematyk badawczych z pominięciem kontynuowanych badań
dotyczących N-kadheryny.
Elastyczność komórek jako względny biomarker zmian nowotworowych.
Badania własności mechanicznych komórek dostarczają informacji o zmianach zachodzących na
poziomie pojedynczych komórek co sprawia, że wykrywanie komórek rakowych można przeprowadzać
bardzo wcześnie, kiedy guz jest zbudowany z niewielkiej ich liczby (kilkudziesięciu komórek). Uzyskanie
korelacji pomiędzy własnościami mechanicznymi komórek (ich zdolnością do deformacji) a ich
własnościami fenotypowymi, charakterystycznymi dla określonego typu i stadium rozwoju nowotworu,
otworzy drogę do wykorzystania techniki mikroskopii sił atomowych jako alternatywnej lub uzupełniającej
techniki diagnostycznej. Stąd też zainteresowałam się badaniami szukającymi odpowiedzi na pytania czy
możliwe jest wykrycie pojedynczej komórki lub grupy kilku-kilkudziesięciu komórek nowotworowych oraz
czy względna wartość wyznaczanego modułu Younga (parametru opisującego elastyczność komórek)
pozwala na wiarygodną stosowalność w diagnostyce choroby nowotworowej i dystrofii mięśniowych. Te
pytania są jednymi z podstawowych pytań dotyczących detekcji i diagnostyki zmian patologicznych
obserwowanych zarówno w materiale komórkowym jak i tkankowym.
Komórka jest układem dynamicznym zmieniającym swoją strukturę i własności fizyko-chemiczne zarówno
w zależności od procesów zachodzących czy to na powierzchni błony komórkowej czy we wnętrzu komórki
jak również w odpowiedzi na własności otaczającego ją środowiska. Konsekwencją dynamicznej natury
komórek jest ciągła zmiana struktury i własności fizyko-chemicznych, w szczególności własności
elastycznych w odpowiedzi na własności otaczającego ją środowiska jak i na zmiany zachodzące we
wnętrzu samej komórki. Prowadzone przeze mnie badania nad elastycznością żywych komórek jako
biomarkera zmian nowotworowych wyznaczanej na poziomie pojedynczej komórki można podzielić na
poszczególne zagadnienia związane z (a) charakterystyką własności nanomechanicznych komórek
czerniaka, (b) oceną względności wartości modułu Younga, (c) poszukiwaniem korelacji pomiędzy
elastycznością komórek a zmianami molekularnymi obserwowanymi podczas powstawania nowotworu, oraz
(d) charakterystyką oddziaływań pojedynczej komórki z podłożem o różnych własnościach fizykochemicznych.
(a) Własności nano- i biomechaniczne pojedynczych komórek w progresji czerniaka
Czerniak skóry jest najbardziej agresywnym i zabójczym nowotworem skóry, dla którego
umieralność nadal rośnie pomimo znacznego postępu w jego leczeniu. Dlatego też, istnieje ogromne
zainteresowanie opracowywaniem nowych prognostycznych biomarkerów, które mogłyby rozróżniać
złośliwe i niezłośliwe zmiany skórne a tym samym identyfikowałyby pacjentów ze zmianami
nowotworowymi grupy wysokiego ryzyka wymagających większej uwagi lekarza oraz znacznie mogłoby
poprawić wczesne rozpoznawanie symptomów czerniaka prowadząc do lepszej diagnozy i leczenia pacjenta.
Badania prowadzone pod moim kierunkiem skupiają się na biomechanicznej charakterystyce własności
mechanicznych pojedynczej komórki czerniaka oraz skorelowania ich ze strukturą i stanem komórki.
Uzyskane wyniki pokazały, że własności mechaniczne mierzone na poziomie pojedynczej komórki mogą
być opisane poprzez trzy parametry: moduł Younga (elastyczność komórki), indeks plastyczności
i współczynnik lepkości, których wartości mogą być skorelowane ze strukturą komórki, głównie jej
cytoszkieletem. Wynikiem tych badań jest artykuł w Acta Phys.Pol. A 2009 opisujący własności lepkosprężyste fibroblastów i komórek czerniaka przy użyciu wartości modułu Young’a i indeksu plastyczności
oraz praca doktorska dr Olesyi Klymenko wykonana pod moim kierunkiem (obroniona w 2010 roku).
Badanie te są dalej prowadzone we współpracy z Instytutem Biofizyki Uniwersytetu im. J.Keplera w Linzu
(Austria). W ramach tej współpracy prowadziłam badania nad nano-charakterystyką własności komórek
czerniaka o podobnej morfologii i zaawansowaniu czerniaka. Wyniki tej współpracy zostały zawarte w
pracy Eur. Biophys. J. (2015). Pozwoliły one stwierdzić, że zmiana elastyczności jest nie tylko wynikiem
organizacji włókien cytoszkieletu komórkowego ale także jest związana w własnościami błony komórkowej.
Na szczególną uwagę zasługuje wykorzystanie mikroskopii sił atomowej zintegrowanej z mikroskopem
fluorescencyjnym pozwalającej na uzyskanie obrazu topograficznego i fluorescencyjnego z tego samego
miejsca na komórce (tzw. technika jednoczesnej fluorescencji i pomiaru topografii powierzchni).
Wykorzystanie tych technik pokazało, że pomimo podobnej morfologii obu badanych linii komórkowych
czerniaka, komórki linii WM266-4 posiadały bardziej pofałdowaną powierzchnię w porównaniu do
komórek linii WM115 pochodzących z wcześniejszego stadium rozwoju czerniaka. Obecność fałd
(marszczeń) odpowiadała za większą deformowalność komórek pochodzących z późniejszego stadium
rozwoju raka. Powstało pytanie czy obecność fałd jest skorelowana ze zmianami ekspresji integrynowych
receptorów powierzchniowych odpowiadających za adhezję melanocytów do błony podstawnej czy
powodujące migrację tych komórek. Poznanie odpowiedzi jest kluczowe dla zrozumienia adhezyjnych
i migracyjnych własności melanocytów prowadzących do czerniaka, dlatego też, badana jest ilościowa
charakterystyka oddziaływań molekularnych z udziałem lamininy lub jej fragmentów w badanych
melanocytach i komórkach czerniaka. Specyficzne receptory lamininy tj. integryny oraz receptor lamininy
67LR są badane w celu poszukiwania odpowiedzi czy zmiana ekspresji integryn i 67LR w komórkach
czerniaka jest związana ze zmianą własności wiążących receptorów na poziomie strukturalnym
i funkcjonalnym).
(b) Względność modułu Younga wyznaczanego dla żywych komórek
Wyznaczanie liczbowej wartości modułu Young’a dokonywane za pomocą mikroskopii sił
atomowych nie jest ostatecznym kryterium oceny własności elastycznych pojedynczych komórek.
Wyznaczana wartość modułu Younga jest wielkością względną, której wartość zależy od wielu czynników.
Czynniki te można sklasyfikować jako te zależne od (i) zastosowanej metodyki kalibracji mikroskopu sił
atomowych, (ii) zmienności badanego materiału biologicznego (komórek i tkanek), (ii) zmienności
warunków pomiarowych, (iii) zastosowanego modelu teoretycznego do opisu badanego układu, (iv) sposobu
analizy danych pomiarowych, oraz (v) własności fizyko-chemicznych powierzchni, na której rosną
komórki. Konsekwencja tego stanu rzeczy jest fakt, że absolutna wartość modułu Younga dla żywych
komórek jest bardzo trudna do uzyskania. Wykorzystanie wartości modułu Younga jako nowego czynnika
diagnostycznego wymaga opracowania odpowiedniej metody standaryzacji wyników, aby możliwe było
porównanie pomiędzy laboratoriami. Względność wartości modułu Younga oraz jej wykorzystanie
w diagnostyce nowotworów została podniesiona przeze mnie komentarzu opublikowanym w Nature
Nanotechnology, 2012. Mniej więcej w tym samym czasie zostały przeprowadzone przeze mnie badania nad
czynnikami wpływającymi na wyznaczaną wartość modułu Younga tj. prędkości z jaką następuje ugięcie
materiału, czasu pomiaru, miejsca próbkowania, wpływu własności chemicznych podłoża, itp. Wyniki te
wykazujące względność wartości modułu Younga dla komórek nowotworowych zostały opublikowane jako
artykuły w Micron 2012 oraz Arch. Biochem. Biophys. 2012. Prace badawcze nad metodą standaryzacji
pomiaru elastyczności były prowadzone w ramach sieci naukowej finansowanej przez EU COST TD1002
„European network on application of Atomic Force Microscopy to NanoMedicine and Life Sciences”.
Głównym owocem prac dotyczących standaryzacji pomiarów jest praca zatytułowana „Standardized Atomic
Force Microscopy method for measuring mechanical properties of soft samples: the Dubrovnik procedure”.
Dalsze zaangażowanie środowiska naukowego w tematykę biomechaniki pojedynczej komórki
zaowocowały złożeniem kolejnego projektu w ramach funduszy COST, którego jestem głównym
wnioskodawcą (tzw. main proposer). Zainteresowanie planowanym projektem potwierdziło 29 instytucji
z 17 krajów (tzw. secondary proposers). Głównym założeniem projektu jest pokazanie stosowalności
markera biomechanicznego do diagnostyki różnorodnych chorób oraz wykazanie przydatności technik,
które pozwalają na pomiar elastyczności pojedynczych komórek.
Jedną z prac wykonywanych pod moim kierunkiem jest pomiar elastyczności komórek raka
pęcherza moczowego pochodzących z różnych stadiów zaawansowania raka (o histologicznym stopniu
złośliwości II, III i III/IV). W pracy tej (Ramos et al. Beilstein J Nanotechnol. 2014) pokazano, że zmiany
własności elastycznych komórek raka pęcherza moczowego zachodzą we wczesnym stadium progresji
nowotworowej i są skorelowane z ilością aktyny w komórkach. Przestrzenna organizacja włókien
aktynowych nie jest dominującym czynnikiem odpowiedzialnym za własności elastyczne komórek pęcherza
moczowego. Odpowiedź komórki na zmieniające się warunki otoczenia była inspiracją przeprowadzenia
pomiarów zmian modułu elastyczności pojedynczych komórek dla wybranego rodzaju białka macierzy
zewnątrzkomórkowej tj. lamininy w przypadku raka pęcherza moczowego, lamininy i kolagenu
w przypadku czerniaka (opracowywana w tej chwili praca w ramach współpracy z Instytutem Biofizyki
JKU w Linzu w Austrii) oraz fibronektyny w przypadku raka prostaty).
Wiele doniesień literaturowych pokazuje zmianę ilości i rozłożenia białek macierzy zewnątrzkomórkowej
wywołanych progresją nowotworową. Pojedyncze komórki rakowe zawarte w takim otoczeniu reagują
inaczej na bodźce zewnętrzne niż komórki prawidłowe, dodatkowo, w ostatnich latach powstało pytanie do
jakiego stopnia można wykorzystać wyniki uzyskane dla unieśmiertelnionych komórek hodowanych na
podłożach sztywnych (jakich jak szkło) podczas gdy własności mechaniczne tkanek znajdujących się
w ludzkim organizmie to materiały charakteryzujące się określonymi własnościami lepkosprężystymi,
których moduł Younga zawiera się przedziale kilkuset Pa (tkanka mózgu) do kilkuset MPa (chrząstka).
Wykorzystanie materiałów o większej deformowalności jako podłoży do hodowli komórkowych umożliwia
uzyskanie wyników zbliżonych do warunków fizjologicznych. Prowadzone w ostatnich latach badania
z zakresu biomechaniki pokazują̨ jednoznacznie, że parametry fizykochemiczne tkanek takie jak
elastyczność́ , adhezja, lepkość́ , napięcie powierzchniowe ulegają̨ zmianom zarówno podczas starzenia się
organizmu jak i w procesach chorobowych (np. chorobach układu sercowo-naczyniowego, zwyrodnieniach,
stanach zapalnych oraz nowotworach). Stąd też powstał pomysł badań jak zachowują się komórki
nowotworowe na podłożach o własnościach elastycznych zbliżonych do wartości występujących
w naturalnym środowisku komórek. W tej chwili jest wysłana praca (Lekka et al. Nature Nanotechnology)
pokazująca zachowanie się komórek pęcherza moczowego. Ponadto, ostatnio powstała praca doktorska pod
moim kierunkiem dotycząca własności komórek raka prostaty (doktorantka p. Katarzyna Pogoda,
planowana obrona październik 2015).
(c) Elastyczność komórek a zmiany molekularne obserwowane w powstawaniu raka
Powstawanie nowotworów jest związane z wieloma różnorodnymi zmianami zachodzącymi na
poziomie komórkowym, molekularnym i chemicznym. W szczególności, wynikiem zmian nowotworowych
może być odmienny skład chemiczny powierzchni komórki związany z nadmierną ekspresją receptorów
powierzchniowych biorących udział w procesie powstawania przerzutów. Z uwagi na fakt, że receptory
powierzchniowe są w większości związane z cytoszkieletem komórek, można założyć, że obserwowana
większa deformowalność komórek rakowych jest związana ze zmianami zachodzącymi za powierzchni
komórek. W badaniach nad korelacją pomiędzy własnościami mechanicznymi (cytoszkielet) a chemicznymi
(powierzchnia) komórki pokazano, że zmiany składu chemicznego powierzchni komórek raka pęcherza
moczowego są na tyle istotne, że zastosowanie spektrometrii masowej jonów wtórnych z analizatorem czasu
przelotu (ToF SIMS) oraz analizy składowych pierwotnych (PCA) pozwala na efektywne rozróżnianie
pomiędzy komórkami o różnym stadium zaawansowania raka. Wyniki te zaowocowały pomysłem pracy
doktorskiej mgr J. Gostek (obecnie J. Bobrowskiej), realizowanej pod moim kierunkiem, oraz pracą
opublikowaną w Anal. Chem. 2015. Wydaje się, że obserwowane zmiany składu chemicznego, morfologii
komórki i jej elastyczności zależałą od stadium rozwoju nowotworu. Ta przesłanka stanowi kryterium
wyboru modelu komórkowego – do dalszych badań wybrane zostały linie komórkowe czerniaka
reprezentujące różne stadia jego rozwoju od melanocytów do zaawansowanych przerzutów (skóry i płuc).
Znalezienie korelacji pomiędzy składem chemicznym błony komórkowej a morfologią i elastycznością
komórek pozwoli na uzyskanie parametrów, które w sposób ilościowy opisywałyby zmiany zachodzące
podczas progresji nowotworowej w wielu typach nowotworów.
(d) Oddziaływanie komórek z podłożem wykonanym z cienkich warstw polimerowych
Od 2008 roku uczestniczyłam w badaniach prowadzonych we współpracy z Zakładem Inżynierii
Nowych Materiałów Instytutu Fizyki UJ dotyczących adsorpcji wybranych białek na powierzchniach
cienkich warstw polimerowych, których głównym celem był rozwój strategii tworzenia mikro-macierzy
białek (lektyn) przez ich selektywną adsorpcję do regularnych powierzchniowych struktur domenowych
wieloskładnikowych cienkich warstw polimerów funkcjonalnych. W ramach tych badań powstało szereg
prac z moim udziałem opublikowanych m.in. w Langmuir 2008, Biomacromolecules 2009, Coll. Surf. B:
Biointerf. 2012. Uzyskane doświadczenie i wyniki zapoczątkowały pomiary oddziaływań pojedynczych
komórek z powierzchnią cienkich warstw polimerowych o różnych własnościach. Pomiary te stały się
podstawą pracy doktorskiej dr Szymona Prauzner-Bechcickiego wykonywanej pod moim kierunkiem
(obronionej w 2014 roku). Badanie te obejmowały ocenę adhezji żywych komórek w odpowiedzi na
zmieniające się własności podłoży polimerowych takich jak skład chemiczny, szorstkość,
hydrofobowość/hydrofilowość czy elastyczność. Wykorzystanie wielu technik pomiarowych tj. mikroskopii
sił atomowych, spektrometrii ToF SIMS czy XPS, techniki pomiaru kata zwilżania czy nanoindentera
pozwoliło wykazać, że komórki przylegają do powierzchni o zadanych własnościach topograficznych,
chemicznych i mechanicznych w zależności od rodzaju komórki oraz stopnia zaawansowania raka. Część
uzyskanych wyników została opublikowana w J. Mech. Behav. Biomed. Mat. 2015. Opisano własności
adhezyjne komórek rakowych (czerniak, rak prostaty) na podłożach polimerowych o określonych
własnościach chemicznych i morfologicznych (takich jak struktura chemiczna podłoży, hydrofobowość czy
topografia powierzchni). Przyleganie komórek może być oceniane za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej
poprzez oszacowanie pola powierzchni komórek przylegających do badanej powierzchni. Jednakże, aby
ocenić siłę oddziaływania w układzie komórka-podłoże wykorzystuje się technikę mikroskopii sił
atomowych, w której próbnikiem jest pojedyncza żywa komórka (tzw. Single Cell Force Spectroscopy,
SCFS). Wyniki uzyskane w ramach tych badań pokazały, że w zależności od własności fizyko-chemicznych
badanych podłoży cienkich warstwa polimerowych wielkość siły potrzebnej na oderwanie pojedynczej
komórki od podłoża zależy silnie od hydrofobowości/hydrofilowości powierzchni powiązanej z jej składem
chemicznym oraz od rodzaju komórek W chwili obecnej kolejna praca z tej tematyki została wysłana do
Applied Surface Science.
Tkankowy biomarker mechaniczny choroby nowotworowej i dystrofii mięśniowych.
Dzięki pobytom na Politechnice w Lozannie oraz współpracy z grupą prof. Nicolasa Mermoda
i szpitalem w Lozannie (CHUV) wzięłam udział w projekcie dotyczącym opracowania metodyki pomiaru
własności elastycznych mięśni pochodzących od pacjentów chorujących na dystrofię mięśniową o różnym
typie i stopniu zaawansowania. Pomiary były równolegle wykonywane na układzie modelowym, którym
były myszy zdrowe C57BL6 oraz myszy chorujące na dystrofię mięśniową Duchenne'a. Moim zadanie było
opracowanie metodyki, wykonanie, opracowanie i interpretacja wyników pomiaru własności elastycznych
mięśni. Owocem tej współpracy są wspólne publikacje w Molecular Therapy 2009, BMC Molecular
Biology 2013 oraz Nanomedicine, 2014. Dzięki dostępowi do materiału tkankowego (w ramach tej
współpracy przebadanych zostało ponad 400 wycinków i biopsji) została opracowana zarówno metodyka
pomiaru jak i sposób przechowywania próbek w ciekłym azocie tak, aby ich własności mechaniczne nie
zostały zaburzone. Podobne pomiary na mniejszej ilości wycinków zostały przeprowadzone w Krakowie we
współpracy z prof. Piotrem Laidlerem (z Katedry Biochemii Lekarskiej Collegium Medicum UJ) dla tkanek
zmienionych nowotworowo – wyniki ukazały się w pracy opublikowanej w Arch. Biochem. Biophys. 2012,
która jest pierwszą praca na świecie pokazująca, że mikroskopia sił atomowych może być wykorzystana
także do pomiaru własności elastycznych tkanek.
Mikroskopia sił tarcia
Ważnym rozdziałem mojej pracy badawczej było wykorzystanie mikroskopii sił tarcia do detekcji
oddziaływań pojedynczych kompleksów molekularnych. Motorem takich badań jest fakt, że jednym
z podstawowych ograniczeń spektroskopii sił jest potrzeba rejestracji ogromnej liczby danych pomiarowych
(kilku tysięcy krzywych „siła-odległość” rejestrowanych dla jednego przypadku). Dlatego też część moich
wysiłków poświęciłam próbie optymalizacji tego typu pomiarów poprzez wykorzystanie mikroskopu sił
tarcia. Podobnie jak w klasycznej spektroskopii sił, na powierzchni próbkującego ostrza AFM i podłoża
umieszczane są cząsteczki komplementarnej pary białek. Różnica pomiędzy tymi dwiema metodami polega
na innym sposobie pomiaru wychylenia sprężynki − w mikroskopie sił tarcia mierzone jest skręcenie
sprężynki, które jest funkcją wielu indywidualnych wiązań cząsteczkowych. Przy tym sposobie pracy
z jednego pomiaru otrzymuje się dwuwymiarową mapę oddziaływań, zatem czas eksperymentu (i analizy)
zmniejsza się znacząco. Pierwsze, obiecujące wyniki uzyskane dla oddziaływania typu lektyna-glikan
zostały opublikowane w J. Chem. Phys., 2005. Jednym z głównych ograniczeń stosowalności mikroskopii
sił tarcia jest dosyć trudna kalibracja mierzonego sygnału. Opracowanie sposobu kalibracji oraz wykazane
nakładanie się wyników uzyskanych za pomocą mikroskopii sił tarcia oraz klasycznej spektroskopii sił
zostało opublikowane w Beilstein Journal of Nanotechnology w 2015 roku.
Dalsze plany badawcze
Tematyka badawcza, która już jest lub będzie realizowana przez mnie i mój zespół w dalszych latach to
zagadnienia związane z:

poznaniem biofizycznego mechanizmu synergii integryn i syndekanów w raku pęcherza
moczowego. Badania finansowane są przez projekt NCN na lata 2015-2018, zatytułowany
„Biofizyczny mechanizm synergii integryn i syndekanów w adhezji komórek pęcherza moczowego do
elementów strukturalnych macierzy zewnątrzkomórkowej”, kierownik M.Lekka.

opracowanie nowego systemu klasyfikacji raka pęcherza moczowego w oparciu o własności
mechaniczne i markery EMT. Tematyka jest realizowana w ramach współpracy z Katedrą
Biochemii Lekarskiej Collegium Medicum UJ, Katedrą Patomorfologii Collegium Medicum UJ
oraz Klinika Urologii UJ.

poznaniem mechanizmu przekazu sygnału mechanicznego w komórkach nowotworowych
i roli własności elastycznych w tym procesie.

badaniem własności nano i biomechanicznych komórek czerniaka, w szczególności
kontynuowane będą badania (i) korelacji pomiędzy elastycznością a składem chemicznym komórek
czerniaka oraz (ii) badania własności receptorów do lamininy.
Znaczenie praktyczne uzyskanych przeze mnie wyników
Badania naukowe prowadzone przeze mnie, tj. badania dotyczące własności mechanicznych
(w ogólności elastyczności i adhezji) komórek rakowych, są nadal badaniami podstawowymi
o potencjalnym wykorzystaniu do wczesnej diagnostyki choroby nowotworowej. Zrozumienie
mechanizmów rządzących zachowanie pojedynczych komórek oraz zdefiniowanie molekuł kluczowych dla
biomechaniki komórki pozwoli na lepsze opracowanie metod wykrywania, diagnostyki oraz monitorowania
leczenia nie tylko w przypadku nowotworów ale też w innych typach chorób. Zainteresowanie problematyką
badawczą związaną ze zmianami własności mechanicznych żywych komórek jest także możliwe ze strony
przemysłu. Jedną z pierwszych prób wykorzystujących potencjał techniki AFM w której uczestniczyłam był
projekt realizowany w ramach funduszy europejskich 7 programu ramowego (EU FP7). Projekt
zatytułowany „Single Molecule Workstation” był realizowany w latach 2008-2011 w IFJ PAN (projekt
SMW, koordynator z ramienia IFJ PAN - M.Lekka). W projekcie tym uczestniczyło 5 firm (TILL I.D.
GmbH, TILL Photonics GmbH, Anasys Instruments Ltd, Arivis – Multiple Image Tools GmbH,
Agilent Technologies Osterreich GmbH) obejmujących pracujących nad konstrukcją mikroskopu AFM,
oprogramowaniem i analizą danych. Zadaniem IFJ PAN było pokazanie, że powstała konstrukcja
mikroskopu jest z powodzeniem stosowana do wykrywania komórek o zmienionych własnościach
mechanicznych. Uzyskany wynik pokazał, że istotnie automatyzacja oprogramowania i analizy danych
pomaga w wykrywaniu komórek o zmienionych właściwościach mechanicznych.
Innym przykładem są badania prowadzone przeze mnie w latach 2011-2012 z austriacką firmą
Center for Advanced Bioanalysis GmbH. Owocem wspólnych prac jest artykuł opublikowany w Eur.
Biophys. J. 2015 dotyczący oceny własności mechanicznych pojedynczych komórek czerniaka dokonana za
pomocą mikroskopu sił atomowych zintegrowanego z mikroskopem fluorescencyjnym. W tej chwili
(czerwiec 2015) jest przygotowywana praca dotycząca charakterystyki oddziaływań lamininy tj. białka
macierzy zewnątrzkomórkowej z integrynami znajdującymi się na powierzchni komórek pochodzących z
dwóch stadiów zaawansowania czerniaka.
W roku 2015 zostało pozyskane finasowanie na realizację projektu NCBiR zatytułowanego
„Opracowanie nowych funkcjonalnych, aktywnych biologicznie powłok przeznaczonych na elementy
wyposażenia placówek medycznych” (PBS, ścieżka B, na lata 2015-2017). Zadania badawcze będą
realizowane w ramach umowy konsorcyjnej z partnerem naukowym (Instytut Metali Nieżelaznych
w Gliwicach) oraz partnerami przemysłowymi (firmy: Certech, Alvo, Lipopharm). Celem projektu jest
opracowanie nowych funkcjonalnych stopowych i kompozytowych powłok na bazie miedzi wykazujących
właściwości przeciwbakteryjne wytwarzanych technikami natryskiwania cieplnego. Bezpośrednim
przeznaczeniem opracowanych powłok są elementy wyposażenia placówek medycznych. Opracowanie
powłok w oparciu o techniki natryskiwania cieplnego umożliwi w przyszłości szerokie ich zastosowanie
w obiektach użyteczności publicznej. Proponowane w ramach realizacji prace wpisują się w światowe
trendy poszukiwania rozwiązań mających na celu minimalizowanie zakażeń związanych z wieloopornymi
szczepami bakterii. Projekt realizowany będzie przez interdyscyplinarne konsorcjum składające się ze
specjalistów z inżynierii materiałowej, biofizyki , mikrobiologii oraz dwóch partnerów przemysłowych.
Najważniejsze osiągnięcie naukowe
Niewątpliwie najważniejszym moim osiągnieciem naukowym w mojej karierze naukowej było
wykazanie, że deformowalność komórek nowotworowych jest o rząd wielkości większa niż
deformowalność odpowiadającym im komórkom prawidłowym. Prace Lekka et al., Eur. Biophys. J. 1999
oraz Lekka et al. App. Surf. Sci. 1999 są pierwszymi na świecie pracami pokazującymi, że mikroskop sił
atomowych (AFM) może być narzędziem wykorzystywanym do identyfikacji komórek o zmienionych
własnościach mechanicznych. Potwierdzenie uzyskanych wyników pojawiło się dopiero w 2005 roku
w pracy Guck et al. (Biophys. J., 2005). Zainteresowanie oddziaływaniami z udziałem receptorów
powierzchniowych pozwoliło uzyskać wyniki wskazujące, że zmianom ekspresji (ilości) i rodzaju
receptorów powierzchniowych towarzyszy także zmiana własności pojedynczych kompleksów
molekularnych jak zostało pokazane w pracy Lekka et al. Chemistry & Biology 2006 oraz Lekka et al. J.
Mol. Recognit. 2011.
Diagnostyka raka obejmuje badanie podmiotowe i przedmiotowe chorego a rozpoznanie raka jest
zwykle oparte o badanie histopatologiczne. Niemniej jednak zdarzają się przypadki trudne do rozwiązania
takie jak na przykład rozróżnienie pomiędzy guzami naciekającymi i nienaciekającymi na mięśniówkę
pęcherza moczowego w początkowym etapie inwazji. Właściwa diagnoza ma istotne znaczenie przy
wyborze postępowania terapeutycznego, a co za tym idzie powodzenia leczenia. Większość badań nad
mechanizmem powstawania nowotworów skupia się na odpowiedzi komórek na różnorodne bodźce
chemiczne takie jak czynnik wzrostu, cytokiny czy metabolity. Komórki to wysoce dynamiczne struktury,
które w odpowiedzi na różne zewnętrzne, ale i wewnętrzne bodźce zmieniają zarówno swoje własności
biochemiczne, jak i mechaniczne. Dość dobrze poznano proces przekazywania sygnałów w komórce
z biochemicznego punktu widzenia natomiast wpływ zmian własności na proces powstawania przerzutów
jest znacznie mniej zbadany. Stosowanie takich technik jak mikroskopia sił atomowych (AFM) umożliwia
badanie własności mechanicznych komórek co pozwoliło na rozróżnianie komórek prawidłowych
i nowotworowych w wielu typach nowotworów jak np. w raku piersi czy prostaty (Lekka et al. Arch.
Biochem. Biophys. 2012). Badanie AFM elastyczności komórek pęcherza wykazało znaczny wzrost
deformowalności tych komórek, który wydaje się być kluczowy dla aspektów diagnostycznych
i prognostycznych.
Ocena własności mechanicznych komórek nowotworowych jest jeszcze dosyć nowatorskim podejściem do
wykrywania i identyfikacji komórek o zmienionym fenotypie mechanicznym (komentarz Lekka, Nature
Nanotechnology, 2012). Pomimo znaczącego wzrostu ilości prac wskazujących na istotne różnice we
własnościach mechanicznych (głównie w elastyczności komórek nowotworowych) pełne wykorzystanie
mikroskopii sił atomowych jako techniki diagnostycznej wymaga dalszych badań. Związane jest to
z brakiem procedur standaryzujących pomiary elastyczności, które umożliwiłyby porównanie w wyników
pomiędzy laboratoriami, brakiem procedur weryfikujących uzyskany wynik oraz zbyt zaawansowaną
obsługą AFM oraz analizą danych pomiarowych wymagająca wysoce wyspecjalizowanego personelu.
Opracowanie protokołu, który umożliwiałby porównywanie wyników uzyskanych w niezależnych
laboratoriach byłoby kamieniem milowym pozwalającym na wykorzystanie mikroskopii sił atomowych
w praktyce klinicznej.
Transformacja nowotworowa powoduje wiele istotnych zmian strukturalnych i funkcjonalnych,
prowadzących m. in. do redukcji funkcji życiowych komórek nowotworowych. Pozostają tylko te funkcje,
które pozwalają na niekontrolowane rozmnażanie, większą zdolność do ruchu i łatwiejsze przystosowanie
się do nowych warunków. Badania własności mechanicznych komórek nowotworowych wydają się
dostarczać informacji o zmianach nowotworowych zachodzących na poziomie pojedynczych komórek co
sprawia, że wykrywanie komórek rakowych można przeprowadzać bardzo wcześnie, kiedy guz jest
zbudowany z kilkudziesięciu komórek. Podstawowym pytaniem jest czy zmiany elastyczności w komórkach
nowotworowych są na tyle istotne, aby można było wykryć pojedynczą komórkę otoczoną komórkami
o odmiennych własnościach mechanicznych. Badania elastyczności za pomocą AFM są prowadzone na
liniach komórkowych lub wyizolowanych komórkach w układach gdzie a’priori wiadomo, która próbka jest
nowotworowa a która nie. Praca Lekka et al. Micron 2012, pokazuje, że możliwe jest rozróżnienie komórek
o odmiennych własnościach komórkowych w mieszaninach komórkowych. W mieszaninie komórek
pęcherza moczowego (linia HCV29 – niezłośliwy rak nabłonka przewodu moczowego oraz linia T24 – rak
przejściowo-komórkowy pęcherza moczowego), komórki obu badanych linii posiadały odmienną
morfologię oraz organizację cytoszkieletu komórkowego co korelowało bardzo dobrze z obserwowanymi
zmianami elastyczności. W mieszaninie komórek czerniaka (linia WM115 pierwotne ognisko raka oraz
WM266-4 wtórne ognisko czerniaka – przerzut do skóry) obraz morfologiczny obu linii był taki sam, co
uniemożliwia identyfikację komórek poszczególnych linii. Uzyskane wyniki elastyczności tych komórek
pokazały, że komórki obu linii posiadają różne własności mechaniczne oraz potwierdziły, że możliwe jest
wykrycie komórek o odmiennych własnościach mechanicznych w mieszaninach komórkowych. Wyniki
uzyskane w ramach tej pracy są pierwszymi wynikami tego typu.
Tkanki, aczkolwiek trudniejsze do analizy z zastosowaniem AFM z uwagi na obecność macierzy
zewnątrzkomórkowej, nadają się równie dobrze do oceny stanu mechanicznego poszczególnych, tworzących
je komórek, co ma zasadnicze znaczenia dla możliwości podejmowania diagnostyki nowotworu na
podstawie oceny ich własności mechanicznych. Moje zainteresowanie tematyką zmian własności
mechanicznych tkanek mogłam w pełni zrealizować pracując we współpracy z Politechniką w Lozannie
z uwagi na dostępność tkanek, w których zmiany genetyczne prowadzą bezpośrednio do zmian
elastyczności. Badane przeze mnie tkanki mięśni osób i myszy chorujących na różnego rodzaju dystrofie
mięśniowe (głownie Duchenne’a i Beckera) o różnym stopniu zaawansowania pozwoliły na opracowanie
metodyki mrożenia materiału tkankowego w taki sposób aby ich własności mechaniczne nie zostały
zaburzone. Dzięki uzyskanemu doświadczeniu (w latach 2009 do 2013, podczas kilkunastu miesięcznych
wizyt przebadałam osobiście ponad 560 tkanek), opracowana przeze mnie technika mrożenia tkanek oraz
sposób prowadzenia pomiaru AFM została z powodzeniem zastosowana do materiału tkankowego
pobranego od pacjentów z rakiem pęcherza i prostaty. Tkanki nowotworowe są próbkami wysoce
niejednorodnymi w porównaniu z próbkami osób chorujących na dystrofie mięśniowe co prowadzi do
różnorodnych profili elastyczności, od bardzo szerokich do bardzo wąskich (Lekka et al. Arch. Biochem.
Biophys. 2012). Wykorzystanie mikroskopii sił atomowych do badań własności tkanek jest względnie łatwe
do zastosowania. Jednak udowodnienie, że technika ta dostarcza nowych informacji na poziomie
tkankowym wymaga systematycznych badań dużej liczby próbek. Niemniej jednak, dzięki opracowanej
metodyce mrożenia materiału badawczego i pomiaru własności mechanicznych z wykorzystaniem
mikroskopii sił atomowych zostało zniesione ograniczenie pomiaru tylko świeżego materiału biologicznego.