Biofysikk Spennende tverrfaglig forskning fra fysikk til biologi og medisin

Transkript

1 Biofysikk Spennende tverrfaglig forskning fra fysikk til biologi og medisin Studieretningen biofysikk og medisinsk teknologi Institutt for fysikk NTNU

2 FORORD Valg av studieretning for 3. årskurs kan være vanskelig. Vi håper at denne informasjonen om Studieretningen for biofysikk og medisinsk teknologi vil hjelpe deg til å avgjøre om biofysikk og medisinsk teknologi er noe for deg. Dersom du har spørsmål om studieretningen eller lurer på hva biofysikere driver på med, ta kontakt med oss i Seksjon for biofysikk og medisinsk teknologi. Du ser hvor vi holder til/epost/telefonnummer under punktet "Seksjon for biofysikk og medisinsk teknologi" i dette informasjonsheftet. Mars

3 HVORFOR VELGE STUDIERETNINGEN BIOFYSIKK OG MEDISINSK TEKNOLOGI? Du er ikke den første som står overfor valgets kvaler når du skal velge studieretning i tredje årskurs ved Linjen for fysikk og matematikk Fire tidligere studenter forteller deg hvorfor de gjorde dette valget. Berit Falch, tidl. forsker i firmaet InvivoSense; i dag: Seksjonsleder FoU, Klinisk farmakologi, St.Olavs hospital Jeg var glad i matte, skulle studere kjemi ved NTH og hadde interesse for medisin. Men da jeg kom over sida om studieretning for biofysikk og medisinsk teknologi i brosjyren fra NTH, var valget lett å ta. Og jeg har ikke angret på det. Etter et par år med mest generelle realfag som ga gode basiskunnskaper (ikke alle like interessante), fulgte to år med massevis av spennende biofag fra biofysikk, medisin/medisinsk teknologi og biokjemi/bioteknologi. Det å se fysikk, kjemi og teknologi anvendt innen biologi og medisin, var kjempeinteressant. Foreleserne på studieretningen var kunnskapsrike, og de som kom fra klinikken, Radiumhospitalet og Det medisinke fakultet ved RiT, hadde også mange case å krydre det faglige med. Etter endt diplom hvor jeg studerte varmebehandling av kreftceller fortsatte jeg som stipendiat. I doktorgradsarbeidet studerte jeg en biopolymer og hvordan ulike konformasjoner av denne påvirket dens immun-stimulerende aktivitet på celler. Etter doktorgraden startet jeg som forsker ved Invivosense. Her ved Invivosense har vi jobbet med å utvikle en biosensor for å måle konsentrasjon av proteiner som er spesifikke for ulike tumor-typer. Vi er nå endelig klare for å teste på de første pasientene med prostatakreft. Kunnskaper og erfaringer fra tiden på NTH/NTNU, først og fremst fra tiden på biofysikk og medisinsk teknologi men også basiskunnskapen fra hele studietiden, har vært meget gode å ha med seg for mine oppgaver ved bedriften. Vår biosensor er av en kombinasjon av blant annet biofysikk, bioteknologi og fiberoptikk. Sensordelen foran på det fiberoptiske systemet er en vannbasert gel som består av et polymernettverk som inneholder protein-komponenter. I tillegg har prosjektet også en god porsjon med medisinske utfordringer, og produktet skal være sterilt og samtidig tåle strålebelastningen ved sterilisering det har derfor vært veldig kjekt å ha strålingsfagene, mikrobiologien og medisinen fra studietiden i bakhånd! Utdannelsen fra biofysikk og medisinsk teknologi har vært veldig relevant for hva jeg holder på med om dagene. Tverrfagligheten i utdannelsen gir et godt utgangspunkt for å kommunisere og samarbeide med mange ulike fagdisipliner. Muligheten for å sette sammen fag for å vinkle utdannelsen i en bestemt retning gir mange muligheter. Magnus Østgård Olderøy, i dag: Post doktor ved Stamcellesenteret, Oslo Universitetssykehus Da jeg valgte studieretning, var jeg veldig fascinert av medisinsk avbildning, der legene har tilgang på sanntidsinformasjon mens de opererer. Medisinsk avbildning bygger i høy grad på fysikk, og særlig kvantefysikk, noe som gjorde meg interessert. Etter hvert ble jeg mer interessert i eksperimentell biofysikk og gjorde diplomoppgaven min innenfor kreftforskning, der vi studerte hvordan nanomedisin blir tatt opp og transporteres i kreftvev. Som biofysikkstudent lærte jeg mange nye eksperimentelle teknikker, som jeg kommer til å ha nytte av i framtiden. I dag er jeg PhD-student her på biofysikk og jobber på et tverrfaglig prosjekt, der vi picture: M. Maurstad samarbeider med Inst. for Bioteknologi og Inst. for Prosesskjemi. Prosjektet fokuserer på mineralisering av alginat-gelkuler, noe som er inspirert av naturen og kan ha applikasjoner innenfor tissue engineering eller transplantasjon av kunstige organer. Biofysikk og Medisinsk Teknologi er en studieretning med bredt faglig innhold, noe som gir rom for spennende tverrfaglige samarbeid i prosjekt- og diplomoppgave, eller senere i arbeidslivet. Sigrun Saur, i dag: Fysiker ved Kreftavdelinga ved St.Olavs hospital, Trondheim Jeg hadde studert 2.5 år ved et annet universitet, med hovedvekt på fag innenfor fysikk, kjemi, matematikk og statistikk. Dette var relativt teoretiske fag, og som 3

4 halvstudert student syntes jeg det var litt vanskelig å se hva fremtiden ville bringe. Etter å ha sett meg litt rundt etter hvilke muligheter som fantes, valgte jeg deretter å fullføre studiene med studieretningen for biofysikk og medisinsk teknologi på NTNU. Nettopp kombinasjonen av biofysiske fag og mer medisinsk retta fag var det som fanga interessen min. Dette viste seg å være et heldig valg, og de siste studieårene mine opplevde jeg som mye mer spennende og interessante enn de første. Temaet på diplomoppgaven min var innenfor strålingsdosimetri, og denne tok jeg ved Kreftavdelinga på St.Olavs Hospital. I etterkant fikk jeg også mulighet til å jobbe der i et veldig trivelig og inspirerende arbeidsmiljø. Utdanningen jeg har tatt er god å ha som bakgrunn, men den gjorde meg jo ikke ferdig utdannet til den stillingen jeg begynte å jobbe i. Så jeg måtte lære mye nytt etter at jeg begynte å jobbe, både i den daglige arbeidssituasjonen og gjennom kursing. Dessuten skjer det en utvikling innenfor medisinsk teknologi som gjør at det er umulig å noen gang bli fullt utlært. Dette gjør også at jobben er utfordrende og aldri blir ren rutine. Tilknytinga til stråleterapien gjorde at jeg begynte som PhD-student, der temaet nettopp er en problemstilling fra klinisk virksomhet. Fokuset er strålebehandling av brystkreft og hvordan man ved bruk av ulike teknikker kan få redusert dosebelastningen til nærliggende organ som hjerte, lunge og motsatt bryst. Om jeg ikke hver dag har direkte nytte av alle fagene jeg tok under utdanninga, er det ikke tvil om at de har gitt meg en god basis å bygge arbeidslivet på. Det er kanskje følelsen av å ikke bli ferdig utdannet til et yrke som gjør at mange underveis i biofysikk-studiet kan bli usikker på hva man skal bli når man blir stor. Man blir ikke ekspert på en bestemt ting, men har fått innblikk i mange forskjellige emner, og spesialisere seg kan man vel alltids gjøre når man begynner å jobbe! Så lenge man synes studiet er interessant vil nok også en interessant jobb dukke opp etter at man er ferdig utdannet. Toril A. Nagelhus Hernes, i dag: Instituttleder, Inst for sirkulasjon og billeddiagnostikk, NTNU Studieretning for biofysikk og medisinsk teknologi legger grunnlaget for mange muligheter når siv.ing. studiet er over. Spesielt for studenter som ønsker å arbeide med stråling på biologisk materiale, dvs., radioaktivitet (jfr. Tsjernobyl, Statens strålevern, etc.) eller kreftbehandling (jfr. Strålingsdosimetri, medisinsk fysikk, etc.) vil jeg anbefale studieretningen på det sterkeste. Denne delen av biofysikken er god ved studieretningen, spesielt på dr.ing nivå, der flere nye fag er introduserte. Også når det gjelder bruk av teknisk utstyr i forbindelse med cellebiologisk forskning er bakgrunn innen Studieretningen for biofysikk og medisinsk teknologi meget god. Enkelte velger også arbeide med ultralyd/røntgendiagnostikk etter siv.ing studiet. Dette krever innsikt i en del elektronikkfag og signalbehandlingsfag. Fordelen vår studieretning har sammenliknet med studenter/siv.ing. fra Elektronikk er en bakgrunn innen fysiologi som gjør det enklere å studere biologisk materiale, samt å kommunisere med sykehuspersonell, noe som ofte viser seg å være aktuelt. Selv startet jeg dr.ing. studiet umiddelbart etter endt siv.ing. studium (Biofysikk og medisinsk Teknologi) i Etter videregående studerte jeg ett år medisin i Oslo før jeg tok fatt på NTH. Jeg har hele tiden vært fascinert av/interessert meg for kombinasjonen teknikk og medisin, og Studieretningen for biofysikk og medisinsk teknologi var i så måte et naturlig valg for meg i 3. årskurs. Mitt dr.ing. studium har i stor grad krevd god innsikt i molekylærbiologi. Studieretningen i seg selv legger ikke grunnlaget for direkte bioteknologi, noe som kan gjøre det forholdsvis tungt å komme inn i dette fagområde. Hvis man velger videre dr.ing. studium eller videre arbeid innen molekylærbiologi kan man ta en del fag fra kjemi for å kompensere for dette.. vil jeg anbefale studie-retningen på det sterkeste. Et argument mot studieretningen som jeg ofte hører studenter i yngre årskurs er meget opptatte av, er at man f.eks. verken blir ekspert på elektronikk (signalbehandling) eller kjemi/biologi. De som ønsker ekspertise på et så tidlig stadium innen disse områdene kan da også velge å gå på Elektronikk eller Kjemi/Bioteknologi. Min erfaring er imidlertid at studenter fra Biofysikk og medisinsk teknologi som ønsker å arbeide innen disse fagfelt, har mulighet til det. Det viser seg at det ikke så mye er studentenes bakgrunn, men heller studentens interesse/engasjement for det han/hun jobber med som er avgjørende for hvilke muligheter som åpner seg etter siv.ing. studiet. Et annet viktig moment er at siv.ing. fra Biofysikk og medisinsk teknologi kan tilføre de nevnte fagfeltene nye impulser. Studiet på NTH er uansett ment som en basis å bygge videre på. 4

5 Sebastian Stenmark, idag: Embedded SW-utvikler, Alere Technologies Det ironiske er at jeg valgte retningen biofysikk og medisinsk teknologi nettopp for å unngå å arbeide fremfor en PC hver dag. Det er nå fem år siden, og jeg har for lengst innsett at datamaskiner er en del av hverdagen. De er lett å se på labratorier, i møterom og på arbeidsplasser, men datamaskiner finnes også i ultralydapparater, MR-skannere eller analyseinstrument. Embedded systems er en betegnelse på datamaskinbaserte systemer som tjener helt spesifikke formål. Slike er hyppig brukt innen medisinsk teknologi, hvor sanntidsstyring ofte er kritisk. Utviklingen av slike systemer krever en god forståelse for fysikk, samt ferdigheter innen programmering og elektronikk. Rettet mot medisinsk bruk kreves selvsagt også kunnskap innen biokjemi og cellebiologi, noe som naturlig bidrar til et tverrfaglig miljø. Studieretningen biofysikk og medisinsk teknologi gir muligheter for spesialisering innen flere retninger, men med en unik forståelse av hele prosessen fra biologisk prøvemateriale til et diagnostisk resultat. I både prosjekt- og masteroppgaven arbeidet jeg med en klinisk "state-of-the-art" MR-skanner ved St. Olavs Hospital. Teknologien utnytter kvantemekaniske prinsipper om hvordan enkelte atomkjerner utsatt for radiobølger oppfører seg i kraftige magnetiske felt, og brukes blant annet til høyoppløslig avbildning av kroppsvev. Dette krever svært presis styring av magnetspoler, rf-signalgeneratorer, og datasampling, samt kompleks signalanalyse og avansert bildeprosessering. Uten dedikert program- og maskinvare hadde dette vært helt utenkelig. Hos Alere Technologies (tidl. Axis-Shield PoC) utvikler vi instrument for hurtig analyse av blodprøver, til bruk på klinikker og legekontor over hele verden. Det stilles strenge krav til medisinsk industri, noe som gjør arbeidet utfordrende, variert, og utrolig spennende. Utdannelsen fra NTNU er høyst relevant, og kan anbefales alle som synes ordene "medisinsk" og "teknologi" passer godt sammen. 5

6 Bakgrunn og målsetting for studieretningen. Studieretningen for biofysikk og medisinsk teknologi startet høsten 1970 som et undervisningstilbud for fjerdeårsstudenter ved Linjen for teknisk fysikk, NTH. Det nye tilbudet kom først og fremst i stand pga. behovet for hospitalfysikere ved de store sykehusene som Det norske radiumhospital og Rikshospitalet. Det var alt på denne tida et økende behov for personell meg høy teknisk kompetanse ved sykehusene pga. anskaffelser av stadig mer avansert teknisk utstyr. Men studieretningen var også opprettet ut fra ønsket om å få i gang biofysikk grunnforskning ved NTH. Biofysikk var også den gang et meget spennende forskningsfelt, og biologi har til alle tider fascinert mange fysikere. Målsettingen for Studieretningen for biofysikk og medisinsk teknologi ved NTNU er i dag i hovedtrekkene den samme som da studieretningen ble opprettet. Selve studieopplegget har imidlertid endret seg betydelig i takt med den vitenskapelige og teknologiske utviklingen... et meget spennende forskningsfelt, og biologi har til alle tider fascinert mange fysikere De faglige drivkreftene bak det nye studietilbudet var først og fremst professorene Sverre Westin og Tor Brustad. Det første året ble undervisninga avviklet ved hjelp av Sammenlikning med tilsvarende tilbud ved utenlandske universiteter viser at dagens tilbud er fullt på høyde med det beste som tilbys internasjonalt. I og med at NTNU er innleide forelesere fra Regionsykehuset i Trondheim og forskjellige medisinske miljø i Oslo. Undervisninga kom inn i mer permanente former etter at Institutt for biofysikk ble opprettet i 1973 med professor Kristen B. Eik-Nes som leder. Institutt for biofysikk gikk over til gruppe for biofysikk og medisinsk teknologi i 1987 når alle tidligere fysikkinstitutt ved NTH ble slått sammen. Med etableringen av NTNU ble biofysikkaktiviteten på Gløshaugen og Lade slått sammen i Seksjon for biofysikk og medisinsk teknologi. 6 Biofysikk og medisinsk teknologi er både grunnforskningsmessig og teknologisk inne i en rivende utvikling. Norges eneste teknisk-naturvitenskapelige universitet, ligger forholdene særdeles godt til rette for teknologiske og medisinske samarbeidsprosjekter. Dette gjenspeiles delvis i det organiserte studietilbudet, men kommer spesielt godt fram i listene over tilbudte prosjektarbeider og hovedoppgaver. Biofysikk og medisinsk teknologi er både grunnforsknings-messig og teknologisk inne i en rivende utvikling. Sammen med at fagfeltet spenner uvanlig vidt

7 medfører dette at man undervisningsmessig står overfor betydelige utfordringer. Den ene utfordringen ligger i at spesialkunnskap foreldes relativt raskt. Den andre er knyttet til det store kravet til gode fagkunnskaper på tvers av flere tradisjonelle faggrenser. Dette siste er noe studieretningen har til felles med de fleste tverrfaglige aktiviteter. Den beste strategi for å møte den første av disse utfordringene består i å passe på at det i siv.ing.-studiet først og fremst satses på å formidle så omfattende og gode grunnleggende kunnskaper som mulig. Slik viten er viktig, uavhengig av hvilken spesialisering studentene seinere måtte velge, og den foreldes mye langsommere enn spisskompetanse. Den store tverrfagligheten er med på å gjøre fagfeltet ekstra spennende. Noe forenklet kan man si at fagfeltet med varierende grad av overlapping befinner seg i grenselandet mellom fysikk, instrumentering/teknologi, nanoteknologi, cellebiologi/ molekylærbiologi og medisin. Studentene vil derfor kunne velge mellom et bredt spekter av emner. grenselandet mellom fysikk, instrumentering/teknologi, cellebiologi/biokjemi/ molekylærbiologi og medisin. numeriske simuleringer av biomolekyler hvor kravet til gode fysikk-, matematikk- og datakunnskaper er ufravikelige. Eller det kan dreie seg om utvikling av nye metoder innen medisinsk avbilding. Her vil gode kunnskaper innen instrumentering, signalbehandling og modellering, samt evne til å samarbeide tett med medisinske miljø være avgjørende faktorer. Andre vil for eksempel kunne arbeide med kartlegging av hvordan kreftceller reagerer på høyenergetisk stråling i kombinasjon med ulike typer cellegifter. Her vil gode kunnskaper innen biokjemi, og celle- og strålingsbiofysikk være viktig. Bionanoteknologi stiller biofysikere overfor nye utfordringer, som for eksempel innen utviklingen av biosensorer, kunstig vev og nanomedisin. For de som har det nødvendige engasjement til å trå til litt ekstra under den grunnleggende opplæringsperioden, vil den faglige belønningen være stor. de mest komplekse og fascinerende fysiske systemer av alle, biologisk liv. Er du fysiker og vil jobbe med slike systemer kaller du deg biofysiker. Den faglige spennvidden innen studieretningen kan illustreres ved følgende eksempler: Det kan dreie seg om picture: D. Klein 7

8 ARBEIDSMARKEDET FOR BIOFYSIKERE Våren 2008 ble det gjennomført en spørreundersøkelse blant tidligere studenter ved Studieretningen biofysikk og medisinsk teknologi. Et spørreskjema ble sendt til studenter uteksaminert de siste 5 år. Resultatet av spørreundersøkelsen er presentert i diagrammene til høyre. Siden de forespurte er relativt nyutdannet, er det et stort innslag av personer som arbeider med doktorgradsstudier, og dermed oppgir universitet som arbeidsgiver. Nedenfor er en liste over noen arbeidsgivere i privat sektor. Dette viser bredden i jobbmarkedet. Statoil Aker-Kværner Det norske Veritas GE Health Care Vingmed Ultrasound Hunt bioscience Axis-Shield PoC Med-Stim FMC Biopolymer Electromagnetic Geoservices ASA Alere Technologies Lærdal medical 8

9 SEKSJON FOR BIOFYSIKK OG MEDISINSK TEKNOLOGI Seksjonen har sju fast vitenskapelige ansatte. Vi holder til i Realfagbygget, B-4 og D-4. Davies, Catharina De Lange Professor catharina.davies@ntnu.no Sikorski, Pawel Tadeusz Professor pawel.sikorski@ntnu.no Stokke, Bjørn Torger Professor bjorn.stokke@ntnu.no Dias, Rita de Sousa Førsteamanuensis rita.dias@ntnu.no Goa, Pål Erik Førsteamanuensis pal.e.goa@ntnu.no Lilledahl, Magnus Borstad Førsteamanuensis magnus.lilledahl@ntnu.no Sletmoen, Marit Førsteamanuensis marit.sletmoen@ntnu.no Lelu, Sylvie Forsker sylvie.lelu@ntnu.no Psonka-Antonczyk, Katarzyna Maria Forsker katarzyna.psonkaantonczyk@ntnu.no Afadzi, Mercy Postdoc mercy.afadzi@ntnu.no Bassett, David Postdoc david.bassett@ntnu.no Hak, Sjoerd Postdoc sjoerd.hak@ntnu.no van Wamel, Annemieke Postdoc annemieke.wamel@ntnu.no Åslund, Andreas Postdoc andreas.aslund@ntnu.no Arnfinnsdottir, Nina Bjørk Stipendiat nina.arnfinnsdottir@ntnu.no Baghirov, Habib Stipendiat habib.baghirov@ntnu.no Beckwith, Kai Sandvold Stipendiat kai.beckwith@ntnu.no Bjørnøy, Sindre Hove Stipendiat sindre.bjornoy@ntnu.no Eggen, Siv Stipendiat siv.eggen@ntnu.no Finnøy, Andreas Stipendiat andreas.finnoy@ntnu.no Haugstad, Kristin E. Stipendiat kristin.haugstad@ntnu.no Håti, Armend Gazmeno Stipendiat armend.hati@ntnu.no Kumar, Rajesh Stipendiat rajesh.kumar@ntnu.no Padol, Anna Maria Stipendiat anna.padol@ntnu.no Ramisetti, Sravani Keerthi Stipendiat sravani.ramisetti@ntnu.no Ribe, Jonas Myren Stipendiat jonas.ribe@ntnu.no Romijn, Elisabeth Inge Stipendiat elisabeth.romijn@ntnu.no Sherstova- Muri, Tatyana Stipendiat tatyana.sherstova@ntnu.no Snipstad, Linn Sofie Stipendiat sofie.snipstad@ntnu.no Wheeler, Vincent Stipendiat vincent.wheeler@ntnu.no Sæterbø, Kristin Grendstad Avdelingsingeniør kristin.saterbo@ntnu.no Bjørkøy, Astrid Overingeniør astrid.bjorkoy@ntnu.no Maurstad, Gjertrud Overingeniør gjertrud.maurstad@ntnu.no

10 FORSKNINGSPROFIL BIOFYSIKK OG MEDISINSK TEKNOLOGI Seksjonens forskningsaktivitet er innenfor eksperimentell biofysikk, med fysikkbaserte studier av biologiske molekyler, celler, organismer og materialer. Videre inngår forbedringer og nye anvendelser av medisinsk og molekylær avbildning.. Forskningsaktiviteten gir også grunnlag for utvikling av ny medisinsk teknologi. Forskningsaktiviteten ved Seksjon for biofysikk og medisinsk teknologi er inndelt i to hovedaktiviteter som alle er lokalisert i Realfagbygget, Gløshaugen. ( Medisinsk fysikk (Catharina Davies, Magnus Lilledahl, Pål Erik Goa) Medisinsk fysikk omfatter diagnostisering og behandling av sykdommer. Avbildingsteknikker basert på røntgen/computer tomografi, ultralyd og magnetisk resonans avbilding er viktig i diagnostikk. Medisinske fysikere arbeider med stråleterapi benyttet i kreftbehandling, og innen forskning for å forbedre og utvikle nye metoder for diagnostikk og terapi. Seksjonen har samarbeidsprosjekter både med Det norske radiumhospital og St.Olavs hospital Nanopartikler i kreftbehandling Et av hovedproblemene ved konvensjonell kreftbehandling som stråleterapi og kjemoterapi, er at behandlingene ikke er spesifikke for kreftcellene. Den ioniserende strålingen og cellegiften ødelegger både normalt vev og kreftvev, og skadene på normalt vev begrenser dosene som kan benyttes. Nanopartikler som inneholder cellegift kan bidra til mer spesifikt opptak i svulster. Dette skyldes at blodårene i en svulst er mer lekke enn blodårene i normalt vev, slik at nanopartiklene går over blodåreveggen i svulsten. Imidlertid har nanopartiklene problemer med å gå videre inn i kreftvevet. En vellykket behandling forutsetter at cellegiften når fram til alle cellene og dreper disse. Dette avhenger av et godt utviklet blodårenettverk i svulsten, at molekylene kan passere over kapillærveggen og at de er i stand til å trenge gjennom rommet mellom kreft cellene som vist på figuren. Vi jobber med å kartlegge mekanismer for levering og transport av nanopartikler i kreftvev, og studer hvordan opptaket av nanopartikler kan forbedres ved bruk av ultralyd. ( picture: A. Erikson Knebygging Vi tar våre knær forgitt. Men ofte fortsetter det ikke slik når man blir eldre. Man får leddgikt og knærne blir vonde og stive. Må det være slik? Leddgikt forårsakes av at en vevstype som kalles brusk som ligger mellom beinflatene brytes ned. Dette vevet virker som en støtdemper slik at det ikke gjør vondt eller blir noen skade på vevet benet du er ute og løper. Når man får leddgikt (artrose) brytes dette vevet ned og man får tilslutt bein mot bein i kneet. Normalbrusk er en komplisert struktur som består av sterke kollagenfibere, vann, celler og andre proteiner. Ved bruk av kneet brytes vevet ned men i en normaltilstand bygges det opp igjen av cellene. Dersom vevet blir skadet kan kirurgen prøve å reparere det, men det er ikke lett å lage brusk som er like god som den normale. Ved å studere og kvantisere strukturen på nydannet brusk og sammenlikne den med den normale ved hjelp av avansert mikroskopi, kan man hjelpe kirurgen å lage en optimal ny brusk (se bilde). Ved å studere nedbrytningen av vevet kan vi finne ut hvordan vi kan unngå at det utvikles Kollagenfibre i brusk er organisert i en nettverksstruktur for å kunne gi de optimale mekaniske egnskapene. 10

11 leddgikt. I et slikt prosjekt må vi kombinere data fra mikroskopi, MRI, kliniske data, cellebiologi og mekanikk i en komplisert modell altså virkelig en kombinasjon av biologiske og fysiske prinsipper: biofysikk. Medisinsk avbildning I løpet av de siste årene har medisinsk avbilding utviklet seg fra å handle stort sett om røntgenbilder til å omfatte et bredt spekter av ulike avbildningsteknikker og muligheter. Idag kan vi måle hvilken del av hjernen din som er aktiv når du spiller Jeopardy, eller måle hastigheten på blodet ditt når det strømmer gjennom en blodåre. Vi kan oppdage kreftsvulster, måle ulike egenskaper og ut fra bildene si noe om hvor farlig svulsten er. Og vi kan selvfølgelig også se om du har brukket beinet... I bunnen av alt dette ligger fysikk. Morsom fysikk! En av de viktigste grunnene til å velge dette fagfeltet er den korte veien fra grunnleggende fysikk-forståelse til direkte anvendelser. Dersom du i tillegg liker å jobbe sammen med mennesker med forskjellig fagbakgrunn, da vil du garantert trives innen medisinsk avbildning! Konkret er forskningsaktiviteten vår fokusert omkring utvikling av nye metoder innen Magnetisk Resonans avbildning (MRI). Vi jobber for eksempel med å forbedre kreft-diagnostikk gjennom å kombinere informasjon fra flere ulike opptaksmetoder. I dette arbeidet trenger man detaljert kunnskap om hvordan MRI fungerer og om avansert bildebehandling og programmering, og man må jobbe i nært samarbeid med fagfolk innen biologi og medisin. Biologiske polymerer og bionanoteknologi (Marit Sletmoen, Rita Dias, Pawel Sikorski, Bjørn Torger Stokke) Som en del av satsningen innenfor NTNU picture: K Beckwith Nanolab er det etablert forskning og undervisning innen bionanoteknologi ved institutt for fysikk. Forskningstemaene her er generelt en del av nanoteknologi i grenseflaten mot og inspirert av neturen og livet. Dette er et multidisiplinært område i grenseflaten mellom ingeniørfag, fysikk og biologi. Eksempler inkluderer utnyttelse av biologiske designprinsipper, enheter eller metoder karakterisert ved at de innehar kritiske dimensjoner av funksjonelle komponenter mellom molekylær lengdeskala og opp til noen hundre nanometer. Forskningsaktivitet Innen dette feltet ved seksjonen omfatter blant annet studie av grenseflaten mellom biologiske systemer (for eksempel celler) og nanostrukturerte overflater, karakterisering av biopolymer-baserte nanostrukturerte materialer, og deres anvendelse i biomedisinsk forskning ( Videre, et tema er dynamisk-kraftspektroskopi på enkelt-molekylnivå for bestemmelse av interaksjoner mellom par av biologisk molekyl, for eksempel knyttet til aktivering signalkaskaden ved indusering av en immunologisk reaksjon, eller mellom enzymer og polymere substrat. Vi studerer også dannelsen av høyere ordens struktur som genereres ved kompaktering av DNA. Vårt fokus er knyttet til utvikling av mer effektive genleveringsverktøy ved hjelp av positivt ladede naturlig forekommende strukturpolysakkarider. Kompakteringsprosessen av DNA forsøkes forstått også ved anvendelse av andre modellkomponenter. Vi arbeider med utvikling av biosensorer ved bruk av hydrogeler som ved gjenkljenning av spesifikk molekyler omsetter dette til endring av grad av svelling. Kombinert med on-line utlesning med høy presisjon på et fiberoptisk basert instrument er vi stand til å måle svært små konsentrasjoner av ulike biomarkører 11

12 DNA kondensering i modeller av bakterielle celler Genomet til e. coli består av omtrent 6.4 millioner basepar, noe som tilsvarer en omkrets på 1.6 mm. For å få plass inni en celle (volum ca 0.65 µm 3 ), må DNAet pakkes, en prosess kalt kondensering. I eukaryote celler (f.eks. humane celler), kondensering DNA ved å pakkes rundt proteiner kalt histoner. Bakterier har istedet noen typer proteiner som modulerer DNA, ved enten ved å danne bruer eller ved å indusere bøying av DNAet. Bakterier er i tillegg forkjellig fra eukaryote celler ved at de ikke har kjernememebran. Det er antatt at det store antall makromolekyler (RNA og proteiner) i bakteriers cytoplasma bidrar til DNA kondensering, via det som kalles molekylær trengsel (molecular crowding). På tross av mye forskning innen dette område de siste årene, er ikke de mekanistiske detaljene og de relative bidrag av (i) direkte protein binding og (ii) molekylær trengsel til DNA kondensering kjent. Vi kombinerer en rekke biofysiske teknikker, som inkluderer spektroskopi og mikroskopi, og data simuleringer for å studere DNA kondensering i modeller av bakterielle celler som spenner fra et enkelt DNA molekyl, prøverør bestående av proteiner og makromolekyler som bidrar til molekylær trengsel til mer avanserte modeller som etterligner en primordial celle. Optiske pinsetter I løpet av 2009 ble optiske pinsetter etablert i laboratoriet. Teknikken tillater å manipulere mikroskopiske objekter ved bruk av lys. Innen bionanoteknologi og biopolymerfysikk benyttes optiske pinsetter til å påføre krefter i pn-området og å måle nm forflytning av objekter med størrelser fra 10 nm til over 100 mm. I vårt laboratorium har vi bl a startet et prosjekt hvor vi studerer visse problemstillinger knyttet til transkripsjon av DNA i bakterier. Arbeidet innebærer strekking av enslige DNA molekyler mellom to polystyrenkuler hvis posisjon styres ved hjelp av laserlys. 12

13 EMNEVALG: Studieretning biofysikk og medisinsk teknologi Sem ester 5v Hovedoppgave 20 uker 5h Fordypningsemne prosjekt og fordypningsemne a) Kompl. emne 2 b) 4v Eksperter i team Valgbart emne Valgbart emne Ingeniøremne/ Annet studieprogram 4h Kjerne- og strålingsfysikk Molekylær biofysikk Kompl. emne 1 b) Valgbart emne 3v Instrumentering Optikk Cellebiologi/biofys. Valgbart emne 3h Måleteknikk Kvantemekanikk 1 Biokjemi 1 Statistisk fysikk 2v Prosedyre- og objektorientert progr. Innføring kvantefysikk i Statistikk Termisk fysikk 2h Bølgefysikk Fluidmekanikk Matematikk 4K Teknologiledelse 1v Elektromagnetisme Matematikk 2 Matematikk 3 Kjemi 1h Filosofi/Vit.teori Mekanisk fysikk Matematikk 1 IT grunnkurs a Fordypningemne se egen beskrivelse neste side b Se egen liste over komplementære emner i studiehåndboken, f.eks. Medisin for realfag- og teknologi-studenter Nedenfor er mulige valgbare emner ført opp. Det må understrekes at dere også kan velge andre emner fra Inst. for fysikk eller fra andre institutt og fakulteter. Bruk studiehåndboka! Strålingsbiofysikk 1 4v Medisinsk fysikk 1 Klassisk transportteori Numerisk fysikk Forslag til Medisinsk billeddannelse Valgbare emner 4h Molekylær genetikk Biofysiske mikroteknikker 1 Kvantemekanikk 2 Bionanovitenskap Målesensorer/transdusere Biomekanikk Reguleringsteknikk 3v Signalanalyse Mikrobiologi Faste stoffers fysikk Miljøbioteknologi Ingeniøremne 4v Signalbeh. i medisinsk billeddiagnostikk Annet studieprogram Modellering, identifisering av biosystemer Datamodellering og databasesystemer 1 Strålingsbiofysikk, Medisinsk fysikk og Biofysiske mikroteknikker er valgbare emner spesielt tilrettelagt for biofysikkstudenter 13

14 Fordypningsemne Høsten i 5.årskurs skal dere gjennomføre TFY4500 Biofysikk prosjekt 15 stp og TFY4505 Biofysikk fordypning 7.5 stp. Som fordypningsemne kan velges et ordinært emne, et doktorgradsemne, eller fordypningsmoduler på totalt 7,5 stp fra listen nedenfor: Emnemoduler Stp Avbilding ved magnetisk resonans 3,75 Energi- og miljøfysikk 7,5 Lysmikroskopi og optiske teknikker 3,75 Enkeltmolekylteknikker 3,75 Klinisk fysikk for stråleterapi 3,75 Nanopartikkel og Polymerfysikk 7,5 I tillegg til disse emnene kan dere velge andre emnemoduler fra Inst. for fysikk, eller fra andre institutt og fakultet. Eksempler på slike emnemoduler ved Inst. for bioteknologi og Inst. for teknisk kybernetikk: Institutt for bioteknologi TBT 4505 Bioinformatikk 3,75 stp Biopolymere materialer 3,75 stp Praktisk NMR-spektroskopi 3,75 stp Institutt for teknisk kybernetikk TTT4525 Signalbehandlingsteknikker i ultralydbilleddannelse 3,75 stp Ultralydtrancdusere 3,75 stp Medisinsk instrumentering 3,75 stp Eksempler på mulige forskningsprosjekter finner du under punktet: Hovedoppgaver i Biofysikk og medisinsk teknologi. 14

15 Spesialisering Du kan spesialisere og fordype deg innen ulike retninger. Nedenfor er 3 vanlige spesialiseringer foreslått. I tillegg kan du ha en spesialisering innen bioinformatikk. biopolymerfysikk og bionanoteknologi cellulær biofysikk medisinsk fysikk inkludert medisinsk avbildning Nedenfor er mulige emnevalg for en slik spesialisering foreslått. Det må understrekes at dette er et forslag, andre emner kan velges og en kan velge på tvers av disse tre retningene. Sem Emnekategori 5h Emnemodul i Fordypningsemne Biopolymerfysikk og bionanoteknologi Polymerfysikk eller Biofysiske mikroteknikker eller Biomekanikk Cellulær biofysikk Biofysiske mikrotekn. eller Avbilding MR og Klin.fys. stråleterapi eller Biomekanikk Medisinsk fysikk Avbilding MR og Klin.fys. stråletrapi eller Emne fra Institutt for teknisk kybernetikk TTT4525 Valgbart Strålingsbiofysikk eller Medisinsk fysikk Strålingsbiofysikk Strålingsbiofysikk 4v 4h 3v Valgbart Ingeniøremne annen linje Valgbart emne Valgbart emne Klassisk transportteori eller numerisk fysikk Mikrobiologi Miljøbioteknologi Kvantemekanikk 2 Biofysiske mikrotekn. Bionanovitenskap Faste stoffers fysikk Medisinsk fysikk Miljøbioteknologi Nanomedisin II Elektrooptikk og lasere Molekylær genetikk Biofysiske mikroteknikker Bionanovitenskap Signalanalyse Reguleringsteknikk Medisinsk fysikk Mod. ident. biosystemer Signalbehandling med. billeddiagn. Kvantemekanikk 2 Medisinsk billeddannelse Biofysiske mikroteknikker Signalanalyse 15

16 Hovedoppgaver avlagt ved seksjon for biofysikk og medisinsk teknologi Nedenfor følger titler på hovedoppgaver som er utført de siste årene. I mange tilfelle har oppgavene vært utført med veiledning fra forskningsmiljøer utenfor Institutt for fysikk. Mest titlene er engelske, men oppgavene kan være skrevet på norsk. 2013: Finnøy, Andreas: Acoustic and Mechanical Characterization of Microbubbles Stabilized by Nanoparticles Supervisor: Catharina de Lange Davies Correas Vidaurre, Francisca Belen: Dosedekning til uterus i pasienter med cervix cancer som gjennomgår ekstern stråleterapi. VMAT vs. 4 felts boksteknikk Supervisors: Tore Lindmo, Signe Danielsen og Anne Beate Langeland Marthinsen Dalehaug, Ingvild: Optimization in CT. Evaluation of dose saving potential in a thorax-abdomen/pelvis protocol using iterative reconstruction techniques Supervisors: Tore Lindmo og Kirsten Bolstad Dybwad, Anniken: Comparison of Dose Distributions resulting from IMRT and VMAT, and Assessment of MLC Leaf Positioning Errors Supervisors: Tore Lindmo, Jomar Frengen og Trond Strickert Andreas Gagnat Bøe: Degradation and stability of PBCA and POCA nanoparticles Supervisor: Catharina de Lange Davies Sofie Snipstad: Mechanisms for delivery of hydrophobic drugs from polymeric nanoparticles to cancer cells Supervisor: Catharina de Lange Davies Sara Westøm: Cellular interaction with polymeric nanoparticles: The effect of PEGylation and monomer composition Supervisor: Catharina de Lange Davies Kishia S. Søvik: Effect of ultrasound on the distribution of nanoparticles in tumor tissue Supervisor: Catharina de Lange Davies Inthu Ratnavel; Swelling properties of bioresponsive hydrogels. Swelling kinetics, and transport mechanisms in a hydrogel for signal transducing Supervisors: Bjørn Torger Stokke Harald Ian Damm Irgens Muri; Atomic force microscopy measurements for the surface and the interaction characterization to optimize the surface patterning for bacterial microarrays Supervisors: Bjørn Torger Stokke Jonathan Ø.Torstensen; Investigating Endocytosis in HeLa Cells seeded on CuO Nanowires Supervisor: Pawel Sikorski Marianne Sandvold; Technical Aspects of Ion Milling and Electron Imaging of Epoxy Embedded Samples for FIB/SEM Tomography 16

17 Supervisor: Pawel Sikorski Åsmund Flobak; Investigation of Transfection Using Silica-coated Cupric Oxide Nanowires Supervisor: Pawel Sikorski 2012: Boayue, Nya Mehnwolo; Nanomechanical characteristics of proteins and peptides in amyloid state based on AFM imaging Supervisor: Bjørn Torger Stokke Brønstad, Espen Stene; Real-time Volume Rendering of 3D Echocardiographic Image Data on The GPU Supervisors: Tore Lindmo, Hans Torp, Gabriel Kiss, og Jon Åsen Haugstad, Solveig Bjærum; Ultrasound induced uptake of nanoparticles in cells Supervisor: Catharina de Lange Davies Håti, Armend Gazmeno; Single molecule dynamic force spectroscopy of alginate-epimerase interactions using optical tweezers Supervisor: Marit Sletmoen Gunvor Røkke; The Energy Landscape of the UNG-DNA Interaction depends on the Base paring of Uracil in DNA Supervisor: Marit Sletmoen Romijn, Elisabeth Inge; Development of 3-D quantitative analysis of multi-photon microscopy images Supervisor: Magnus Borstad Lilledahl Sveinsson, Hrafn Mar; Constrained Hydrogel Swelling in Biological Sensors. A Finite Element Method Simulaton Approach Supervisors: Bjørn Torger Stokke, Bjørn Helge Skallerud og Victorie Emile Prot Jonas Myren Ribe; Actuation of a hyperelastic PDMS membrane suspended inside a microfluidic channel Supervisors: Bjørn Torger Stokke Vaksdal, Martin; 3D-EPI with parallel imaging acceleration along two Axis Evaluated with Phantom Study and BOLD fmri Supervisors: Tore Lindmo, Pål Erik Goa og Anders Kristoffersen Øvland, Ragnhild; Coherent plane-wave compounding in medical ultrasound imaging. Investigate the quality of 2D B-mode images of static and dynamic objects and images of low velocity blood flow Supervisors: Tore Lindmo and Thor Andreas Tangen Øyangen, Julia; Photoprotection of riboflavin containing beverages Supervisor: Kalbe Razi Naqvi Brita Melberg; Nanostructured surfaces with patterned wettability Supervisor: Pawel Sikorski 2011: 17

18 Acosta Roa, Ana María; Effects of Cyclic Hypoxia in Tumor Tissue Supervisor: Einar K. Rofstad Flatabø, Silje; Assessment of Sensitivity, Degradation and Treatment Response in Two Breast Cancer Xenograft Models Using HR MAS MRS Supervisors: Tore Lindmo/Ingrid Gribbestad (ISB) Grøm, Vivian Aagesen; UV Doses to Psoriasis Pasients and Treatment Effect during three Weeks Climatotherapy at the Canary Islands Supervisors: Tore Lindmo/Lise L. Randeberg Myklatun, Ahne; Production and Application of Micronsized Polysaccharide Particles - Studying Perturbation of a Model Mucus Barrier with Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy and Atomic Force Microscopy (AFM) Indentation Supervisor: Bjørn Torger Stokke Aass, Mari; Introduction of Electronic Personal Dosimeters as a Supplement to and Possible Replacement of Thermoluminescent Dosimeters in Norway Supervisors: Tore Lindmo/Ole Reistad (Statens strålevern) Thor Christian Hobæk; Nanostructured PDMS surfaces with patterned wettability Supervisor: Pawel Sikorski Ken Roger Ervik; Applikasjon av fokusert ionestråle (FIB) og skanning elektronmikroskop (SEM) for karakterisering av vev, celler og biomaterialer Supervisor: Pawel Sikorski Beckwith, Kai Muller; A Study of Cultured Cells on a Nanowire-based Reverse Transfection Device Supervisor: Pawel Sikorski 2010: Fredriksen, Tonje Dobrowen; Color coded velocity spectrum. A new method for quantification of mitral regurgitation beamforming Supervisors: Marit Sletmoen / Torbjørn Hergum Haugstad, Kristin Elisabeth; Implementation of optical tweezers for single molecule characterisation Supervisor: Marit Sletmoen Hilde, Ingeborg Lundby; Image stabilization for intra-operative echocardiography Supervisors: Catharina Davies / Hans Torp Mohn, Silje; Implementation of data model for simulation of total dose distribution considering respiratory motion and setup variations in radiotherapy Supervisors: Tore Lindmo / Ellen Wasbø Oksavik, Odne Andreas; A new method for measurement of fluid saturation in reservoir core samples using gamma radiation Supervisors: Tore Lindmo / Matts Devik Revheim, Kari; Kartlegging av strålefeltet rundt gammakniven Supervisors: Tore Lindmo / Jan Heggdal Vallee Emilie; Diffusion functional MRI.. A method for depicting true neuronal activity in the intact human brain? Supervisors: Tore Lindmo / Asta Håberg 18

19 2009: Denjean, Benjamin; FRET Probes for camp/pka Cascade Imaging in Striatal Neurons Supervisor: Catharina Davies / Pierre Vincent Ekroll, Ingvild Kinn; Light Induced Cell Death in the Cancer Cell Line AY-27: Modes of Cell Death after Red- Light Hexylaminolevulinate Photodynamic Therapy and Effects of Fractionated Light Delivery Supervisor: Anders Johnsson Feness, Kristine; Temperature Induced Cell Death in the Bladder Cancer Cell Line AY-27 and Effects of Combined Hyperthermia and Photodynamic Treatment Supervisors: Anders Johnsson and Thor Bernt Melø Haukås, Solveig; Optimization of IMRT Plans for Head and Neck Cancer Supervisor: Tore Lindmo / Jomar Frengen Langdal, Ingrid; Dosimetry and Evaluation of Algorithm for Inverse Optimized Doseplanning for Brachytherapy Supervisor: Tore Lindmo / Anne Dybdahl Wanderås Myhre, Frøydis Johanne Nystedt; 2D Fourier Analysis of Stress-Induced Changes in Collagen Structure Supervisor: Catharina Davies / Magnus Lilledahl Smedsrud-Halvorsen, Guro; In Vivo Comparison of Bone Densitometry Supervisor: Tore Lindmo / Arnulf Langhammer 2008: Afadzi, Mercy: Ultrasound Stimulated Release of Liposomes Supervisor: Catharina Davies og Bjørn Angelsen Berntsen, Andreas Nicolas: Using X-ray CT and low-field NMR to quantify formation damage and filter cake failure Supervisor: Tore Lindmo og Audun Bakk Ellingsen, Christine: Dynamic Contrast-Enhanced MR Imaging of Human Cervical Carcinoma Xenografts Compared with Histology Supervisor: Einar K. Rofstad Hansen, Yngve Hofstad: Frigjøring og transport av liposomalt calcein i sfæroider av osteosarcomceller ved bruk av ultralyd Supervisor: Catharina Davies og Bjørn Angelsen Hovda, Åsne Johanne Karlsen: IMRT-verification with a 2D ionisation chamber array: dosimetric evaluation and comparison with film measurements Supervisor: Tore Lindmo og Jomar Frengen Lindgaard, Henrik: Possibilities of establishing an integrated pyroprocessing chain for a closed cycle heavy water reactor utilizing thorium Supervisor: Tore Lindmo og Jon Samseth Natvig, Ingrid: Intersitial fluid pressure and extracellular ph in human cervical carcinoma xenografts Supervisor: Einar K. Rofstad Raaen, Kristine: Optimalization of Dynamic Contrast Enhanced MRI Method for Computation of Vascular Input Function on 7.0 T Supervisor: Tore Lindmo 19

20 Svanem, Johan Pål: Tissue characterisation with the use of SURF Imaging: Diagnosing prostate cancer Supervisor: Catharina de Lange Davies og Bjørn Angelsen Tegnander, Karianne Birgitte Vatnar: Radiation Doses to PET-Personnel in Norway Supervisor: Tor Wøhni Yang, Aileen Xiao Qio: Quantitativ in vivo proton MR Spectroscopy of the rat brain at 7 T Supervisor: Øyvind Risa og Anders Johnsson Øvrebø, Kristi Marie: How Representative are the Representative Doses? DAP Calibration in the Norwegian National Health Service Supervisor: Tor Wøhni Hompland, Tord: Collagen as a possible diagnostic parameter in cancer studied by the second-harmonic generation Veileder: Catharina Davies 2007: Bodil Eik-Nes: Intracellulær lokalisasjon av DNA-kotosankomplekser. Veileder: Catharina Davies Jorunn Andreas Henriksen: Bruke av TLD og kammerarray til doseverifisering ved IMRT-behandling, Veileder: Rune Sylvarnes UNN Tromsø Annette Holvik: Karakterisering av høytetthetsartefakter i attenuasjonskorrigerte PET-bilder. Veileder: Arne Skretting, Radiumhospitalet Christina Skaftenes: Fotobiofysike undersøkelser av cellelinjen AY-27. Veileder: Anders Johnsson Magnus Olderøy: Opptak og distribusjon av kitosan-dna komplekser i kreftvev. Veileder: Catharina Davies Endre Sund: Modellbasert visualisering av 3D ultralyd. Veileder: Hans Torp, Medisinske fakultet, NTNU Muligheter for å ta diplom i utlandet Fagområde for biofysikk og medisinsk teknologi har kontakt og samarbeid med forskningsgrupper i blant annet USA, Australia, Japan, Tyskland, og Spania. Dersom noen ønsker å ta diplom i utlandet, kan vi være behjelpelig med å formidle kontakt. 20