Dr Joanna Stachowska-Piętka - Kierownik Pracowni, ORCID
Prof. dr hab. Jacek Waniewski, ORCID
Prof. dr hab. Leon Bobrowski, ORCID
Prof. inst. dr  hab. inż. Małgorzata Dębowska, ORCID
Prof. inst. dr hab. Jan Poleszczuk, ORCID
Dr hab. Elżbieta Olejarczyk, ORCID
Dr inż. Mauro Pietribiasi, ORCID
Dr inż. Leszek Pstraś,  ORCID
Mgr Kamil Wołos (doktorant), ORCID
Mgr Urszula Białończyk (doktorantka), ORCID

Działalność naukowa

Naszą misją jest opracowywanie narzędzi matematycznych, obliczeniowych i informatycznych do zaawansowanej analizy wyników badań klinicznych i biomedycznych, usprawniania procesów diagnostycznych i optymalizacji terapii chorób wewnętrznych. Prowadzimy prace badawcze związane z zastosowaniem szeroko pojętego modelowania matematycznego do opisu i analizy procesów (pato-)fizjologicznych w celu wspomagania diagnozy oraz optymalizacji terapii.

W szczególności, nasze prace badawcze związane są z klinicznymi aspektami pozaustrojowego oczyszczania krwi u pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek (podczas dializy otrzewnowej i hemodializy), funkcjonowaniem układu sercowo-naczyniowego u pacjentów dializowanych lub z ciężkim urazem mózgu, transportem substancji i wody w skali całego organizmu oraz lokalnie w skali tkanki, poszukiwaniem nowych oraz optymalizacją istniejących terapii przeciwnowotworowych, a także eksploracją danych ukierunkowaną na odkrywanie użytecznych wzorców w wielowymiarowych zbiorach danych.

Prace realizowane są przy współpracy z ośrodkami zagranicznymi oraz krajowymi centrami i ośrodkami naukowo-badawczymi takimi jak: Klinika Nefrologii Uniwersytetu Medycznego w Lublinie, Wojskowy Instytut Medyczny w Warszawie, Instytut Karoliński w Sztokholmie oraz Uniwersytet w Goteborgu (Szwecja), Narodowe Centrum Medycznym XXI w. w Meksyku (Meksyk), Uniwersytet w Keele (Wielka Brytania), Szpital Uniwersytecki w Barcelonie (Hiszpania), Narodowa Akademia Ukrainy, Narodowy Instytut Zdrowia w USA.

Wybrane projekty badawcze

• Ocena efektywności hemodializy i dializy otrzewnowej oraz opis procesów transportu wody i substancji zachodzących podczas dializy. W szczególności, predykcja efektywności dializy otrzewnowej w oparciu o wyznaczone parametry fizjologiczne pacjentów. Ponadto, rozszerzenie standardowej analizy współczynników adekwatności stosowanych w hemodializie o analizę transportu fosforanów i wapnia oraz modelowanie matematyczne transportu wody w organizmie wywoływanego szybkim usuwaniem wody podczas hemodializy, z uwzględnieniem kinetyki wybranych substancji obecnych we krwi, takich jak albumina, sód, czy potas.

• Modelowanie wpływu hemodializy na układ sercowo-naczyniowy. W szczególności analiza zjawiska spadku ciśnienia tętniczego krwi w oparciu o model uwzględniający mechanizmy transportu wody i wybranych substancji pomiędzy poszczególnymi przedziałami organizmu oraz mechanizmy regulacji ciśnienia krwi w układzie krążenia. Ponadto, badany jest wpływ zmian w układzie naczyniowym pacjentów poddawanych hemodializie na propagację fali pulsu przy wykorzystaniu modelu matematycznego opisującego przepływ krwi przez cały układ tętniczy oraz przetokę tętniczo-żylną (wykorzystując zebrane dane kliniczne). Wykorzystywany jest rozbudowany 1-wymiarowy model propagacji fali pulsu w elastycznych naczyniach krwionośnych, który opisuje zmienność prędkość przepływu krwi oraz jej ciśnienia (lub, równoważnie, przekroju poprzecznego naczynia krwionośnego) wzdłuż naczyń w funkcji czasu.

• Modelowanie procesów transportu wody oraz substancji na poziomie tkankowym w oparciu o tzw. modelowanie rozłożone (uwzględniające lokalną fizjologię tkanki oraz jej zmienność wynikającą m.in z elastyczności tkanki oraz zmian jej uwodnienia i parametrów transportowych). Równania transportu wody oraz substancji (o różnej masie cząsteczkowej oraz ładunku), wyprowadzane są w oparciu o lokalną fizjologię, uwzględniając transport przez porowate ściany naczyń krwionośnych pod wpływem tzw. sił Starlinga, zjawisko lokalnej absorpcji limfatycznej w tkance oraz transport przez tkankę oraz komórki. W szczególności, analiza różnorakich aspektów transportu otrzewnowego oraz estymacja lokalnych parametrów transportowych w oparciu o dane kliniczne i eksperymentalne z wykorzystaniem: modelu opisującego proces reabsorpcji wody z jamy otrzewnowej, modelu transportu osmotycznego oraz modelu opisującego dwukierunkowy transport wody w oparciu o dwufazowy opis struktury śródmiąższu. Ponadto, modelowanie procesów transportowych w tkankach nowotworowych ze szczególnym uwzględnieniem procesu wnikania leków podawanych podczas chemioterapii dootrzewnowej. W terapii tej, stosowanej w przypadku niewielkich nowotworów i/lub przerzutów zlokalizowanych w tkankach otaczających jamę otrzewnową, wykorzystuje się jamę otrzewnową w celu dostarczenia leku do komórek nowotworowych. Modelowanie rozłożone stosuje się, po uwzględnieniu różnic w lokalnej fizjologii tkanki nowotworowej, do opisu transportu wody oraz substancji, jak również predykcji głębokości penetracji poszczególnych substancji w zależności od ich stężenia w płynie podanym do jamy otrzewnowej.

• Opracowanie i rozwijanie ilościowego modelu matematycznego, pozwalającego przewidywać systemową odpowiedź przerzutów nowotworowych na zastosowanie radioterapii skoncentrowanej na pojedynczym guzie (przy opcjonalnym zastosowaniu immunoterapii). Celem jest stworzenie narzędzia, które pomagałoby decydować lekarzom, jak stosować radioterapię w połączeniu z immunoterapią w przypadku pacjentów z przerzutami.

• Analiza eksploracyjna (ang. data mining) ukierunkowana na odkrywanie użytecznych wzorców (ang. patterns) w wielowymiarowych zbiorach danych. Wzorcami mogą być różnego rodzaju prawidłowości w zbiorach danych takie jak skupiska lub zależności pomiędzy elementami tych zbiorów. Ekstrakcję wzorców ze zbiorów danych opieramy na minimalizacji wypukłych i odcinkowo-liniowych (typu CPL) funkcji kryterialnych. Rozważana przez nas rodzina funkcji typu CPL obejmuje perceptronową funkcję kryterialną która jest wiązana z koncepcją liniowej separowalności zbiorów i z teorią sieci neuropodobnych. Minimalizację funkcji kryterialnych typu CPL opieramy na algorytmach wymiany rozwiązań bazowych. Optymalne wartości parametrów tworzące minimum funkcji kryterialnej typu CPL są przez nas używane m.in. w celu: selekcji różnicujących zestawów cech metodą relaksowanej separowalności liniowej (RLS) oraz odkrywania wzorców kolinearnych i modelowania interakcji wieloczynnikowych. Nowe metody eksploracji danych bazujące na funkcjach typu CPL stosowane były m.in. do zbiorów danych fizjologiczno-genetycznych związanych z ostrymi stanami zapalnymi nerek (zbiór MIA). Wykonane analizy pokazały m.in. uzupełniające się role danych genetycznych i klinicznych w różnicowaniu stanów zapalnych nerek.

• Zastosowanie analizy statystycznej oraz różnorodnych metod bioinformatycznych do wyznaczenia czynników wpływających na wydajność dializy oraz związane z tą terapią powikłania kliniczne. U pacjentów z niewydolnością nerek analizowane są kompleksowe zbiory danych (obejmujące m.in. dane antropometryczne, demograficzne, dietę, stężenia biomarkerów we krwi, genotyp, parametry fizjologiczne wyznaczane za pomocą modeli matematycznych) w celu określenia czynników wpływających na efektywność terapii, jak również ich związki z chorobami współtowarzyszącymi.

Słowa kluczowe: modelowanie matematyczne, symulacje komputerowe, fizjologia, hemodializa, dializa otrzewnowa, adekwatność dializy, transport otrzewnowy, modele kompartmentowe, modelowanie kinetyczne, dyfuzja, konwekcja, nowotwory, układ odpornościowy, radioterapia, chemioterapia, układ sercowo-naczyniowy, modelowanie propagacji fali pulsu, analiza fali pulsu, regulacja ciśnienia krwi, eksploracja danych, modele predykcyjne

Wybrane źródła finansowania zewnętrznego:

1. SONATA 17, projekt 2021/43/D/NZ5/01887 "Optymalizacja zabiegu hemodializy pod kątem stabilności hemodynamicznej pacjenta - badanie symulacyjne in silico” finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, 2022-2025.
2. SONATA 14, projekt 2018/31/D/ST7/03472 "Optymalizacja dawkowania środków wazopresyjnych w ciężkich urazowych uszkodzeniach mózgu przy wykorzystaniu modelowania propagacji pulsu" finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, 2019-2022
3. OPUS 14, projekt 2017/27/B/ST7/03029 "Optymalizacja stężenia dwuwęglanów w płynie dializacyjnym podczas hemodializy z wykorzystaniem modelowania matematycznego" finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, 2017-2024.
4. PRELUDIUM 8, projekt 2014/15/N/ST7/05316 “Modelowanie matematyczne transportu wody i elektrolitów w organizmie pacjenta hemodializowanego” finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, 2015-2017.
5. Projekt 2013/11/B/ST7/01704 „Matematyczne modelowanie propagacji fali pulsu dla celów diagnostyki sercowo-naczyniowej u pacjentów hemodializowanych” we współpracy z Kliniką Nefrologii Uniwersytetu Medycznego w Lublinie, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki (2014-2017).
6. Długoterminowy szwedzko - polski projekt badawczy: „Procesy oczyszczania krwi”, pomiędzy IBIB PAN a Instytutem Karolińskim, Pracownie Baxter Novum i Medycyny Nerkowej (Project Baxter NOVUM – IBBE, bieżący).

Wyróżnienia i nagrody (wybrane)

1. L. Pstraś – Nagroda naukowa Wydziału IV Nauk Technicznych Polskiej Akademii Nauk, 2021
2. L. Pstraś – Gold ESAO PhD Award of the European Society for Artificial Organs, 2019
3. J. Poleszczuk – laureat nagród naukowych tygodnika Polityka w dziedzinie nauk ścisłych, 2017
4. L. Bobrowski – od 2016 członek Komitetu Informatyki Polskiej Akademii Nauk
5. L. Bobrowski – nagroda za najlepszą pracę podczas Industrial Conference on Data Mining, Berlin 2012
6. J. Stachowska-Piętka – finalistka programu Inter 2012 Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej

Wybrane publikacje

1. Bobrowski L. Biclustering Based on Collinear Patterns. In: Rojas I, Ortuño F, editors. Bioinformatics and Biomedical Engineering : 5th International Work-Conference : IWBBIO 2017 : Proceedings [Dokument elektroniczny]. 2017. p. 134–144
2. Bobrowski L. Eigenvalue Problem with the Basis Exchange Algorithm. Journal of Advances in Mathematics and Computer Science, 23(6): 1-12, 2017 ( http://www.sciencedomain.org/issue/2877 )
3. Debowska M, Wojcik-Zaluska A, Ksiazek A, Zaluska W, Waniewski J. Phosphate, urea and creatinine clearances: haemodialysis adequacy assessed by weekly monitoring. Nephrol Dial Transplant. 2015;30:129-36.
4. Luttropp K, Debowska M, Lukaszuk T, Bobrowski L, Carrero JJ, Qureshi AR, Stenvinkel P, Lindholm B, Waniewski J, Nordfors L. Genotypic and phenotypic predictors of inflammation in patients with chronic kidney disease. Nephrol Dial Transplant 2016;31:2033-2040.
5. Pietribiasi M, Katzarski K, Galach M, Stachowska-Piętka J, Schneditz D, Lindholm B, Waniewski J. Kinetics of plasma refilling during hemodialysis sessions with different initial fluid status. ASAIO J. 2015 May-Jun;61(3):350-6. doi: 10.1097/MAT.0000000000000206.
6. Pietribiasi M, Waniewski J, Załuska A, Załuska W, Lindholm B. Modelling Transcapillary Transport of Fluid and Proteins in Hemodialysis Patients. PLoS One. 2016 Aug 2;11(8):e0159748. doi: 10.1371/journal.pone.0159748. eCollection 2016.
7. Kather JK, Poleszczuk J, Suarez-Carmona M, et al. In silico modeling of immunotherapy and stroma-targeting therapies in human colorectal cancer, Cancer Research, 2017, doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-17-2006
8. Poleszczuk J, Luddy K, Chen L, Lee JK, Harrison LB, Czerniecki BJ, Soliman H and Enderling H. Neoadjuvant radiotherapy of early-stage breast cancer and long-term disease-free survival, Breast Cancer Research, 2017 (19): 75, doi.org/10.1186/s13058-017-0870-1
9. Poleszczuk J, Luddy KA, Prokopiou S, Robetson-Tessi M, Moros E, Fishman M, Djeu JY, Finkelstein SE, Enderling H. Abscopal Benefits of Localized Radiotherapy Depend on Activated T-cell Trafficking and Distribution between Metastatic Lesions, Cancer Research, March 1, 2016 (76): 1009, doi:10.1158/0008-5472.CAN-15-1423
10. Poleszczuk J, Debowska M, Wojcik-Zaluska A, Ksiazek A, Zaluska W. Phosphate kinetics in hemodialysis: Application of delayed pseudo one-compartment model. Blood Purif 2016;42:177-185.
11. Pstras L, Thomaseth K, Waniewski J, Balzani I, Bellavere F. Modelling pathological haemodynamic responses to the Valsalva manoeuvre, J Biomech Eng, 2017, 139(6), doi: 10.1115/1.4036258.
12. Pstras L, Thomaseth K, Waniewski J, Balzani I, Bellavere F. Mathematical modelling of cardiovascular response to the Valsalva manoeuvre, Math Med Biol, 2017, 34(2), 261-292, doi: 10.1093/imammb/dqw008.
13. Pstras L, Thomaseth K, Waniewski J, Balzani I, Bellavere F. The Valsalva manoeuvre: physiology and clinical examples, Acta Physiologica, 2016, 217(2), 103-119, doi: 10.1111/apha.12639.
14. Stachowska-Pietka J, Waniewski J, Flessner M F, Lindholm B. Concomitant bidirectional transport during peritoneal dialysis can be explained by a structured interstitium. Am J Physiol Hear Circ Physiol 310: H1501-H1511, 2016
15. Stachowska-Pietka J, Waniewski J. Mathematical Models of Intraperitoneal Drug Delivery. In Intraperitoneal Cancer Therapy. Ceelen W., Levine E. (eds). CRC Press, p. 153-169, 2015 (ISBN 9781482261189)
16. Stachowska-Pietka J, Waniewski J, Flessner M F, Lindholm B. Computer simulations of osmotic ultrafiltration and small solute transport in peritoneal dialysis: A spatially distributed approach. Am J Physiol Renal Physiol.,2012, 302 (10): F1331 - 1341.
17. Waniewski J, Stachowska-Pietka J, Paniagua R, Ventura M, Ávila-Díaz M, Prado-Uribe C, Mora C, García-López E, Lindholm B. Threefold peritoneal test of osmotic conductance, ultrafiltration efficiency and fluid absorption. Perit Dial Int., 2013, 33 (4): 419-425
18. Waniewski J, Debowska M, Wojcik-Zaluska A, Ksiazek A, Zaluska W. Quantification of dialytic removal and extracellular calcium mass balance during a weekly cycle of hemodialysis. PLoS One 2016;11:e0153285.

19. Waniewski J, Poleszczuk J, Antosiewicz S, Baczynński D, Gałach M, Pietribiasi M, Wańkowicz Z. Can the three pore model correctly describe peritoneal transport of protein? ASAIO J. 2014 Sep-Oct;60(5):576-81. doi: 10.1097/MAT.0000000000000105