Prezenční studium

4 roky

prof. Ing. Valentine Provazník, Ph.D.

Předseda :
prof. Ing. Valentine Provazník, Ph.D.
Člen interní :
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D.
doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D.
doc. Ing. Daniel Schwarz, Ph.D.
Člen externí :
Prof. José Millet Roig
prof. Mgr. Jiří Damborský, Dr.
prof. MUDr. Marie Nováková, Ph.D.
prof. Ewaryst Tkacz, Ph.D.,D.Sc.
prof. Pharm.Dr. Petr Babula, Ph.D.
prof. Dr. Marcin Grzegorzek

Studijní program "Biomedical Technologies and Bioinformatics" si klade za cíl vychovávat absolventy, kteří budou zralými a výraznými vědeckými osobnostmi s velkým odborným a vědeckým rozhledem v oblasti biomedicínského inženýrství, bioinformatiky, biomedicínských technologií, matematické a systémové biologie a analýzy -omics dat. Absolventi také získají znalosti a zkušenosti zasahující do ryze technických oblastí, jako jsou především pokročilé metody zpracování vícerozměrných dat či oblast strojového učení. Na druhé straně se v rámci studia také seznámí s oblastmi experimentální fyziologie, molekulární biologie a genetiky. Také je kladen důraz na získání zkušeností v základním a experimentálním výzkumu a na schopnost extrakce fundamentálních poznatků z daných oblastí. Kromě rozvoje specifických odborných znalostí je kladen důraz i na rozvoj praktických dovedností typu „soft-skills“, jazykových, publikačních a prezentačních dovedností, a schopností práce v týmu i řízení týmu.

Absolvent doktorského studia tohoto programu je zralou vědeckou osobností s velkým rozhledem v oblastech biomedicínského inženýrství, bioinformatiky, matematické a systémové biologie, -omics technologií, ale také v oblasti technických věd. Je připraven řešit náročné výzkumné a vývojové problémy. V praxi je absolvent doktorského studia schopen samostatné tvůrčí činnosti a je připraven samostatně vést výzkum a vývoj ve zmíněných oblastech vědy. Dále je schopen řídit výzkumné týmy a zajišťovat mezioborovou komunikaci a spolupráci. Najde uplatnění v tuzemských i mezinárodních výzkumných institucích a ve firmách, kde je ve velké míře požadován inovativní přístup k řešení problémů – od návrhu řešení po realizaci.

Absolventi studijního programu “Biomedical Technologies and Bioinformatics” naleznou uplatnění jako vědecky erudovaní odborníci ve vědeckých a výzkumných institucích, firmách zabývajících se výzkumem a vývojem, instalacemi a servisem lékařské a laboratorní přístrojové techniky, dále na klinických pracovištích, nemocnicích a vědeckých centrech mezinárodního výzkumu. Absolventi programu budou rovněž dostatečně teoreticky i prakticky připraveni, aby v případě realizace akademické kariéry byli kvalitními výzkumníky se schopností budovat vlastní vědeckou školu a předávat nejnovější vědecké poznatky dalším generacím výzkumníků.

Studium doktoranda probíhá podle individuálního studijního plánu, který je zpracován v úvodu studia školitelem doktoranda ve spolupráci s doktorandem a následně schválen oborovou radou. V individuálním studijním plánu jsou specifikovány všechny povinnosti stanovené v souladu se Studijním a zkušebním řádem VUT, které musí doktorand k úspěšnému ukončení studia splnit. Tyto povinnosti jsou časově rozvrženy do celého období studia, jsou bodově ohodnoceny a v pevně daných termínech probíhá jejich plnění. Doktorandi jsou s ohledem na své zaměření již od počátku svého studia zapojeni do vědeckých skupin, které jsou specificky zaměřeny na konkrétní oblasti. Rozmanitost řešených témat v rámci biomedicínského inženýrství a bioinformatiky a nutnost studovat velmi specifické oblasti dokládá výčet odborných oblastí:

1. Akvizice a zpracování signálů: a) Zpracování a analýza EKG signálů. b) Experimentální kardiologie. c) Zpracování biologických dat. d) Fúze biologických dat.
2. Zpracování a analýza obrazů: a) Zpracování obrazů v mikroskopii. b) Zpracování a analýza CT obrazů. c) Zpracování obrazů a zobrazování v oftalmologii.
3. Bioinformatika: a) Číslicové zpracování genomických signálů. b) Funkční genomika a systémová biologie. c) Mapování farmakoforu a virtuální screening.
4. Buněčná biologie: Experimentální mikroskopická technika pro buněčné inženýrství.
 


Stěžejními teoretickými odbornými předměty jsou Mentoring 1 a Mentoring 2. Obsahy obou předmětů jsou pro každého doktoranda individuální. Optimální skladba studijních materiálů je navržena školiteli a školiteli specialisty pro každého doktoranda zvlášť tak, aby reflektovala zaměření disertační práce doktoranda a umožnila doktorandovi dosáhnout v dané oblasti (ale i příbuzných, zvláště pak interdisciplinárních, oblastech) hlubokého poznání nutného k dosažení mezinárodně kompetitivních vědeckých výsledků. Studovaná témata jsou probírána s experty na danou problematiku z řad akademických pracovníků VUT v Brně a také s experty ze spolupracujících domácích i zahraničních pracovišť. Odbornou úroveň garantuje garant studijního programu, členové oborové rady a dále školitelé doktorandů. Pro malou skupinu doktorandů s tak rozmanitými oblastmi studia je toto řešení maximálně přínosné a efektivní. Dílčí výstupy z teoretických odborných předmětů Mentoring 1 a Mentoring 2, spolu s praktickými výsledky, jsou studenty rozpracovávány do formy vědeckých časopiseckých článků a publikovány na mezinárodní úrovni.

Sledování a zvyšování kvality studijních výsledků je zajištěno absolvováním předmětů Vědecký seminář 1 a Vědecký seminář 2, které jsou zaměřeny na aktivní hledání možností řešení výzkumných problémů, obhajobu a oponování dílčích výsledků vědecké práce před odborným publikem a identifikaci efektivnějších řešení vedoucích k dosažení originálních publikovatelných výsledků. Oblast výzkumných problémů je stanovena v souladu s tématy dizertačních prací jednotlivých doktorandů. V předmětech Vědecká akademie 1 a Vědecká akademie 2 doktorandi zajišťují týmovou činnost vedením talentovaných studentů bakalářského a magisterského studijního programu. Účelem předmětu je zvýšit schopnosti doktorandů související s týmovým a projektovým managementem při řešení konkrétních výzkumných úkolů souvisejících s tématy dizertačních prací.

Další předměty studijního programu jsou zaměřeny na dovednosti typu „soft skills“, podle nichž jsou předměty pojmenovány: Prezentační a publikační dovednosti, Týmová spolupráce. Cílem „soft skills“ předmětů je připravit doktorandy na vědecky úspěšnou publikační činnost ve vědeckých časopisech kategorii Q1 a prezentaci výsledků na prestižních mezinárodních konferencích indexovaných v Conference Proceedings Citation Index. V rámci předmětů doktorandi prohlubují své znalosti v oblasti odborné problematiky dle svého zaměření v souvislostech s definovanými dovednostmi. Pro studium těchto předmětů jsou využity dílčí výstupy z teoretických odborných předmětů Mentoring 1 a Mentoring 2. Časopisecké články jsou připravovány v optimálních návaznostech, postupy práce na publikacích jsou diskutovány v rámci zkušenějších týmů, výsledky jsou prezentovány kolegům z odborných skupin na pracovišti. Doktorandi se učí efektivně používat vědecké nástroje, optimalizují vědeckou práci a osvojují si zásady sdílení vědeckých výsledků.
Podrobnosti všech předmětů jsou uvedeny v charakteristikách studijních předmětů viz formuláře B-III.


Předměty, které student povinně absolvuje před státní doktorskou zkouškou, jsou následující:
1. “Mentoring 1”
2. “Mentoring 2”
3. “Research Seminar 1”
4. “Research Seminar 2”
5. “Team Work”
6. “Presentation and Publication Skills”
7. “English in Science”
8. “Science Academy 1”
9. “Science Academy 2”
10. "English for The State Doctoral Exam"

Volitelným předmětem je English for post-graduates, který studenty připravuje ke zkoušce z angličtiny před státní doktorskou zkouškou.

Ke státní doktorské zkoušce předkládá doktorand pojednání o své disertační práci. Obsahem je detailní popis práce včetně stanovení základních cílů, důkladné zhodnocení stavu vědeckého poznání v řešené oblasti a popis metod aplikovaných na řešení daného problému. Obhajoba pojednání, které je oponováno, je součástí státní doktorské zkoušky. V další části zkoušky musí student prokázat hluboké teoretické i praktické znalosti v oblastech souvisejících se zaměřením jeho studia. V širším kontextu se jedná o oblast biomedicínského inženýrství, bioinformatiky, biomedicínských technologií, matematické a systémové biologie a analýzy -omics dat. Státní doktorská zkouška probíhá ústní formou a kromě diskuse nad pojednáním k disertační práci se také skládá z tematických okruhů týkajících se povinných předmětů. K obhajobě disertační práce se student hlásí po vykonání státní doktorské zkoušky a po splnění podmínek pro ukončení, jakými jsou účast na výuce, vědecká a odborná činnost (tvůrčí činnost) a minimálně měsíční studijní nebo pracovní stáž na zahraniční instituci nebo aktivní účast na mezinárodním tvůrčím projektu.

Studium doktoranda probíhá podle individuálního studijního plánu (dále jen ISP), který zpracuje v úvodu studia školitel doktoranda ve spolupráci s doktorandem, a který je následně schválen oborovou radou. Individuální studijní plán je pro doktoranda závazný. Jsou v něm specifikovány všechny povinnosti stanovené v souladu se Studijním a zkušebním řádem VUT, které musí doktorand k úspěšnému ukončení studia splnit. Tyto povinnosti jsou časově rozvrženy do celého období studia a jsou bodově ohodnoceny v kategoriích Studijní oblast, Pedagogická praxe, Vědecká a odborná činnost. V pevně daných termínech probíhá kontrola plnění těchto povinností. Průběžné bodové hodnocení všech aktivit doktoranda je vedeno v dokumentu „Celkové bodové hodnocení doktoranda“ a je součástí ISP. Při zahájení dalšího roku studia pak školitel do ISP zaznamená případné změny a předkládá ke schválení oborovou radou. Nejpozději do 15.10. každého roku studia odevzdává doktorand vytištěný a podepsaný ISP na Vědeckém oddělení fakulty ke kontrole a archivaci.
Během prvních čtyř semestrů skládá doktorand zkoušky z povinných, povinně volitelných anebo volitelných předmětů. Současně se intenzivně zabývá vlastním studiem a analýzou poznatků v oboru stanoveném tématem disertační práce a průběžným publikováním takto získaných poznatků a vlastních výsledků. V dalších semestrech se doktorand již více soustřeďuje na výzkumnou práci, která souvisí s tématem disertační práce, na publikování výsledků své tvůrčí práce a na vlastní zpracování disertační práce.
Do konce druhého roku studia skládá doktorand státní doktorskou zkoušku, kterou prokazuje široký rozhled a hluboké znalosti v oboru souvisejícím s tématem disertační práce. K této zkoušce se musí přihlásit nejpozději do 30. dubna ve druhém roce svého studia. Státní doktorské zkoušce předchází zkouška z anglického jazyka.
Ve třetím a čtvrtém roce svého studia provádí doktorand potřebnou výzkumnou činnost, publikuje dosažené výsledky a zpracovává svoji disertační práci. Součástí studijních povinností v doktorském studijním programu je absolvování části studia na zahraniční instituci v rozsahu nejméně 1 měsíc (doporučovaná délka je alespoň 6 měsíců) nebo účast na mezinárodním tvůrčím projektu s výsledky publikovanými nebo prezentovanými v zahraničí nebo jiná forma přímé účasti studenta na mezinárodní spolupráci, což je nutné doložit nejpozději při odevzdání disertační práce.
Doktorandi v prezenční formě ve čtvrtém roce studia a doktorandi v kombinované formě v pátém roce studia předkládají do konce zimního zkouškového období svému školiteli rozpracovanou disertační práci, který ji ohodnotí. Disertační práci by měl doktorand odevzdat do konce 4. roku v prezenční formě studia, respektive do konce 5. roku v kombinované formě studia.
Student prezenční formy doktorského studia je v průběhu studia povinen absolvovat pedagogickou praxi, tj. působit v procesu výuky. Zapojení doktoranda do pedagogické činnosti je součástí jeho vědecké přípravy. Pedagogickou praxí doktorand získává zkušenosti v předávání poznatků a zdokonaluje prezentační dovednosti. Skladbu pedagogických aktivit (cvičení, laboratorní cvičení, vedení projektů apod.) určí doktorandovi vedoucí daného ústavu po dohodě se školitelem. Povinnost pedagogické praxe se nevztahuje na doktorandy-samoplátce a na doktorandy v kombinované formě studia. Zapojení do výuky v rámci pedagogické praxe potvrdí po jejím splnění školitel v IS VUT.

1. Analýza dynamiky interakce mezi hostitelem a mikrobiomem pomocí pokročilých bioinformatických metod

   Doktorské studium se zaměří na využití pokročilých bioinformatických metod k odhalení složitosti interakcí mezi hostitelem a mikrobiomem. Prostřednictvím multidisciplinárního přístupu, který integruje genomiku, metagenomiku, metatranskriptomiku a screening fenotypů, se tento výzkum zaměřuje na rozbor základních mechanismů, které řídí souhru mezi hostitelem a mikrobiomem. Zastřešujícím cílem je prohloubit naše chápání genetických faktorů formujících mikrobiální komunity v různých hostitelských prostředích a jejich důsledků pro zdraví a nemoci. Kromě toho si studie klade za cíl odhalit základní mechanismy, které řídí rezistenci vůči antibiotikům, a identifikovat nové terapeutické cíle, čímž připravuje půdu pro inovativní strategie boje proti rezistenci vůči antibiotikům, včetně potenciální aplikace probiotik u lidí i zvířat. Naše bioinformatické přístupy budou zahrnovat analýzu různých typů sekvenčních dat odvozených od virových a bakteriálních patogenů, probiotických kmenů a jejich hostitelů. To zahrnuje identifikaci nových probiotických kmenů, charakterizaci jejich metabolické kapacity a zkoumání evoluce bakteriálních genomů napříč různými orgány, časovými body a zvířecími hostiteli. Dále bude studie zkoumat dynamiku koevoluce v hostitelském prostředí. Doktorandi budou absolvovují tříměsíční stáž na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI poskytuje doktorandům stipendium a/nebo brigádní smlouvu nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo při výuce.

   Školitel: Čejková Darina, Mgr. Bc., Ph.D.

2. Detekce a analýza plicních uzlů v nízkodávkových CT snímcích pro screening rakoviny plic

   Téma je zaměřené na zpracování obrazových dat z tzv. nízko dávkového CT vyšetření, které se používá pro screening rakoviny plic. Během řešení tohoto tématu budou navrženy a realizovány postupy, které povedou k vyšší vytěžitelnosti dat získaných při tomto vyšetření. Záměrem je především detekce plicních uzlů a jejich následná klasifikace na základě velikosti, tvaru a dalších charakteristik. V současné době dochází k zavádění těchto postupů v rámci celoevropské studie, která se zabývá včasnou detekcí rakoviny plic. Téma bude řešeno na dostupných datových sadách ze zahraničních pracovišť, během řešení tématu se předpokládá také zpracování dat z Masarykova onkologického ústavu v Brně, ve kterém probíhá screeningová studie od roku 2022. V rámci studia absolvují doktorandi několikaměsíční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Mézl Martin, Ing., Ph.D.

3. Elektrovodivý biohybridní hydrogel pro tkáňové inženýrství

   Disertační práce se bude zabývat vodivými hydrogely, optikou a výpočetními modely pro studium funkce kardiomyocytů in vitro. Paternované vodivé hydrogely a elektrická stimulace budou použity k přípravě konstruktů srdeční tkáně s definovanou geometrií. Optický záznam elektrofyziologických parametrů a buněčných sil generovaných na gelech s různou vodivostí bude srovnáván s výpočetními modely šíření signálu a remodelaci kontraktilního aparátu. V druhé fázi bude testována regenerační aplikace Janus hydrogelu - k přemostění vodivých blokád in vitro. Vodivé hydrogely budou připraveny z přírodních a syntetických polymerů s vodivým polymerem PEDOT:PSS. Projekt zahrnuje přípravu hydrogelů s požadovanými vlastnostmi, fyzikálně-chemickou charakterizaci, paterning a aplikace in vitro hydrogelových platforem, včetně dynamiky signálu a mechanických vlastností buněk. Ve spolupráci se skupinou Mechanobiologie onemocnění z FNUSA. Hledáme motivovaného, který se nebojí mezioborového tématu a spolupráce se špičkovými ústavy v Brně. V rámci studia absolvují doktorandi několikaměsíční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Fohlerová Zdenka, doc. Mgr., Ph.D.

4. Moderní metody zpracování obrazu v aplikacích magnetické rezonance srdce

   Nukleární magnetická rezonance představuje jeden z nejmodernějších zobrazovacích systémů v lékařství. Rozvoj těchto metod a lepší dostupnost těchto systémů přináší další oblasti, ve kterých lze tyto metody pro diagnostiku použít. To sebou nese mnohem větší objemy dat získaných touto modalitou a z toho vyplývající potřebu nových metod, které umožní zpracování těchto dat a zároveň přinesou pokročilejší a přesnější diagnostiku. Jednou z těchto oblastí je kardiologického vyšetřování pomocí magnetické rezonance, což je téma této dizertační práce. Vůbec prvním krokem je správná orientace srdce tedy nalezení radiologických rovin, které jsou důležité pro správné nasnímání srdce pomocí nukleární magnetické rezonance. Zde se ukazuje, že využití metod založených na strojovém učení (deep learning) by mohlo umožnit automatickou detekci z přehledových dat a tím dokážou, jak urychlit průběh vyšetření, tak rovněž to snímání zpřesnit. Dalším navazujícím krokem je návrh vhodných metod pro podporu diagnostiky srdečních onemocnění. Jsou to jak segmentační metody, které mohou vést k podrobnější analýze stavu srdce (srdeční objemy, tloušťka myokardu a další), tak další pokročilé metody založené na hlubokém učení pro podporu diagnostiky (detekce změn v tkání, lézí, anatomických odlišností apod.). Předpokládá se však spolupráce s externími partnery – národními klinickými pracovišti (FN Brno, VFN Praha, FNUSA/ICRC Brno) a zahraničními institucemi (IRST IRCCS Meldola Itálie, Philips Healthcare Nizozemí, DKFZ Heidelberg Německo), umožňující klinické vyhodnocení výsledků a jejich diskusi s odbornými lékaři. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Harabiš Vratislav, Ing., Ph.D.

5. Nové metody studia kožních vrstev při aplikaci léčiv a regeneraci tkání

   Vyšetření a přesná kvalifikace kůže a podkožních vrstev během jejich regenerace je velmi aktuálním biomedicínským problémem. Tento problém souvisí také s kvalifikací vlastností tkání v různých hloubkách pro analýzu stability nebo degradace transplantátů a implantátů v regenerativní medicíně. Výzkumné téma se zaměřuje na vývoj a testování metodiky transendodermálního podávání různých typů léčiv (značených nanočástic, liposomů, exosomů nebo jiných částic) přes modelové a reálné vrstvy kůže. Doktorand bude primárně provádět výzkum v biologické laboratoři a zaměří se na vytvoření modelových kožních epiteliálních kultur a aplikaci laboratorních postupů, metody trans-epiteliálního/endoteliálního elektrického odporu a techniky konfokální fluorescenční mikroskopie k testování modelové vrstvy a analýze přenosů léčiv přes modelovou vrstvu v in-vivo experimentech. Bude rovněž zahrnovat použití podpůrných technik (např. optické koherentní tomografie) pro testování přenosů do skutečné kůže v in-vivo experimentech na zvířecích modelech. Doktorand se bude podílet na interdisciplinárním výzkumu v rámci projektu, který zahrnuje práci s endoteliálními a epiteliálními buňkami, vytváření buněčných monovrstev a vícevrstev včetně testování modelových vrstev, testování a aplikaci moderních léčiv, používání pokročilých přístrojů a metodik pro získávání a interpretaci obrazových dat a jejich další analýzu. Téma je zajištěno ve spolupráci s výzkumnou facilitou Výzkumný ústav veterinárního lékařství, v. v. i. V rámci studia absolvují doktorandi několikaměsíční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Čmiel Vratislav, Ing., Ph.D.

6. Nové přístupy v získávání bakteriálních genomů z metagenomů

   Nedávné pokroky v sekvenování DNA umožnily rutinní sekvenování vzorků ze životního prostředí. Současné výpočetní nástroje však jen stěží drží krok s neustále se měnícími laboratorními technikami a rostoucím výkonem sekvenačních zařízení. Proto jsou zapotřebí nové účinné výpočetní techniky pro získávání konkrétních genomů z metagenomů. Téma je zaměřeno na metody získávání konkrétních bakteriálních genomů ze vzorků životního prostředí, tedy metagenomů. Zatímco v minulosti musely být všechny nově popsané bakterie izolovány a jejich kultura musela být zpřístupněna veřejnosti, nedávná iniciativa SeqCode přinesla nomenklaturní kód pro prokaryota popsaná přímo ze sekvenčních dat, protože mnoho mikrobiálních druhů je současnými technikami nekultivovatelných. Navíc i pro nově publikované kultivované bakterie dnes vědecké časopisy vyžadují důkazy jejich přítomnosti v životním prostředí založené na vyhledávání ve veřejně dostupných metagenomech. Ačkoli existují nástroje pro přímé sestavování genomů z metagenomu, prohledávání metagenomů na výskyt konkrétního analyzovaného genomu se provádí výhradně pomocí BLAST a není detailně popsáno. Bohužel kvůli opakujícím se segmentům bakteriálních genomů jsou vždy nalezeny falešné shody a kvantifikace dat, tj. zastoupení genomu v metagenomu, je proto zkreslená. Cílem výzkumu je najít co nejpřesnější metodu kvantifikace. Použitá metodika bude zahrnovat zpracování krátkých NGS i dlouhých TGS sekvenačních čtení tak, aby pokryly všechny aktuálně používané sekvenační technologie. Projekt bude primárně řešen na Ústavu biomedicínského inženýrství, nicméně se očekává také spolupráce s národními (FN Brno, Fakulta chemická VUT, Česká sbírka mikroorganismů) a zahraničními (Ludwig-Maximilians-Universität München v Německu a HES-SO Valais-Wallis ve Švýcarsku) partnery. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Sedlář Karel, doc. Mgr. Ing., Ph.D.

7. Nové přístupy ve výpočetní analýze bakteriálních společenstev pro biotechnologii

   Nemodelové bakterie představují díky své rozmanitosti nevyčerpatelný zdroj pro mikrobiální biotechnologie. Zatímco nástroje, včetně těch výpočetních, pro studium čistých bakteriálních kultur jsou vyvinuty alespoň do určitého bodu, jejich protějšky pro analýzu smíšených kultur jsou nedostatečné nebo zcela chybí. To nám brání dále studovat biotechnologickou kapacitu bakteriálních konsorcií produkovat chemikálie s přidanou hodnotou. Téma je zaměřeno na výpočetní metody pro komplexní analýzu mikrobiálních konsorcií s cílem odhalit jejich funkční kapacitu pro průmyslové biotechnologie a výrobu chemických látek s přidanou hodnotou, především bioplastů. Zatímco konkrétní nástroje pro taxonomické profilování založené na sekvenování amplikonů a metagenomické analýze založené na sekvenování pomocí shotgun přístupu již existují, jsou orientovány spíše na provádění deskriptivní než funkční analýzy. To poskytuje pouze omezené využití pro biotechnologický výzkum, kde je kladen důraz na funkci. To je částečně způsobeno i nedostatkem nástrojů zaměřených na zpracování bakteriálních metatranskriptomů. Navíc je zde i absolutní nedostatek nástrojů pro propojení potenciální funkční kapacity odvozené z metagenomu s běžícími biologickými procesy měřenými pomocí metatranskriptomických a metabonomických přístupů. Cílem výzkumu je vytvořit komplexní výpočetní pipeline pro analýzu diverzity vybrané smíšené bakteriální kultury, sestavit metagenom této komunity a porovnat její pozorované chování pomocí analýz dalších omických dat odhalujících probíhající biologické a metabolické procesy. Pipeline bude zahrnovat konkrétní kroky ke zpracování krátkých NGS i dlouhých čtení TGS, aby pokryly všechny aktuálně používané sekvenační technologie. Projekt bude primárně řešen na Ústavu biomedicínského inženýrství, nicméně se očekává také spolupráce s národními (FN Brno, Fakulta chemická VUT, Česká sbírka mikroorganismů) a zahraničními (Ludwig-Maximilians-Universität München v Německu a HES-SO Valais-Wallis ve Švýcarsku) partnery. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Sedlář Karel, doc. Mgr. Ing., Ph.D.

8. Nové techniky zobrazování a analýzy obrazů v oftalmologii

   V posledním desetiletí se zobrazování sítnice výrazně posunulo vpřed a zahrnuje jak anatomické, tak funkční aspekty, jako je průtok, perfuze, rychlost proudění krve a okysličení tkáně. Tyto metody mají zásadní význam pro diagnostiku onemocnění sítnice i systémových onemocnění. Tento projekt se zaměřuje na vývoj oftalmologického zařízení a technik zpracování obrazu pro hodnocení okysličení sítnice a krevního oběhu. Bylo navrženo základní nastavení video-oftalmoskopu, které bylo ověřováno po dobu tří let. Může snímat videosekvence sítnice při specifických vlnových délkách a získávat různé biosignály, jako je elektrokardiogram, fotopletysmografické a respirační signály. Tento projekt přispěje k mezioborovému výzkumu zahrnujícímu zobrazování sítnice, funkční hodnocení, pokročilé zpracování obrazu a strojové učení. Cílem je vytvořit metodiku pro hodnocení okysličení sítnice a identifikaci potenciálních biomarkerů pro diagnostiku onemocnění. Vaším úkolem bude především analýza videosekvencí sítnice s cílem extrakce specifických parametrických map příznaků souvisejících s pulzací cév, fotopletysmografickým hodnocením objemu krve a odhadem saturace kyslíkem. Dále pak opto-mechanická úprava video-oftalmoskopu pro spektrální zobrazování sítnice a vývoj komplexních postupů pro multimodální zpracování obrazů sítnice (segmentace obrazu, klasifikace atd.). Projekt bude řešen především na Ústavu biomedicínského inženýrství. Předpokládá se však spolupráce se zahraničními partnery - Univerzitou v Lipsku v Německu a University of Minnesota v USA. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Kolář Radim, doc. Ing., Ph.D.

9. Optimalizace bioreaktoru pro kultivaci termofilů

   Bílá biotechnologie, tedy technologie využívající živé buňky k výrobě chemikálií s přidanou hodnotou, většinou kvůli vyšším finančním nákladům není konkurenceschopná oproti standardní petrochemické výrobě. Důvod lze hledat v potřebě chránit tyto procesy před kontaminací. Tato neefektivita by mohla být snížena použitím přirozeně robustních organismů, tzv. extremofilů. Tyto organismy však nejsou tak dobře prozkoumány, částečně také kvůli chybějícímu přístrojovému vybavení pro extremofilní kultivaci v malém měřítku v laboratorních bioreaktorech. Téma je zaměřeno na vývoj malého laboratorního bioreaktoru vhodného zejména pro termofilní kultivace. Velké průmyslové procesy obvykle generují odpadní teplo, které je pro mezofily nepříznivé a je třeba jej omezit, aby se množili. Na druhou stranu je toto prostředí přirozeně vhodné pro extremofily, zejména termofily. Na rozdíl od procesů ve velkém měřítku neprodukuje laboratorní kultivace v malém měřítku odpadní teplo, proto je pro úspěšnou kultivaci a výzkum termofilů nutné teplo přidat. Takové experimenty jsou potřebné k vývoji nových konceptů, jako je koncept průmyslové biotechnologie nové generace, který se opírá o použití přirozeně robustních organismů. V současnosti bohužel chybí malé bioreaktory určené pro termofilní kultivace. Cílem výzkumu je vyvinout nový hardware pro kultivaci bakteriálních termofilů a jeho softwarové řízení pro různé kultivační režimy. Spíše než budovat reaktor od nuly bude použita široká škála aktuálně dostupných dílů. Platformy jako Chi.Bio lze použít jako základ, díky tomu, že představuje otevřený systém řízený přes Arduino a programovatelný v Pythonu. Nabízí tedy téměř neomezené možnosti pro vylepšení bioreaktoru. Projekt bude primárně řešen na Ústavu biomedicínského inženýrství, nicméně se očekává také spolupráce s národními (FN Brno, Fakulta chemická VUT, Česká sbírka mikroorganismů) a zahraničními (Ludwig-Maximilians-Universität München v Německu a HES-SO Valais-Wallis ve Švýcarsku) partnery. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Sedlář Karel, doc. Mgr. Ing., Ph.D.

10. Pokročilé metody analýzy medicínských obrazů získaných moderními CT přístroji

    Téma bude zaměřené na vývoj pokročilých metod zpracování a analýzy obrazu zahrnujících strojové učení a hloubkové učení se záběrem na multiparametrické obrazy pořizované vícevrstvými CT detektory. Student se zaměří na vývoj, implementaci a validaci úloh předzpracování, segmentace, detekce, klasifikace a predikce s ohledem na charakter multiparametrických obrazů. Navržený komplexní počítačově podporovaný diagnostický nástroj pomůže zvýšit diagnostickou přesnost a reprodukovatelnost, rychlost vyšetření a snížit mezi-/vnitroodbornou variabilitu a rutinní pracovní zátěž. Téma bude řešeno na katedře biomedicínského inženýrství. Předpokládá se však spolupráce s našimi externími partnery – národními klinickými institucemi (FN Brno, VFN Praha, FNUSA/ICRC Brno) a zahraničními institucemi (IRST IRCCS Meldola Italy, Philips, DKFZ Heidelberg Německo), umožňující klinické hodnocení výsledků a jejich diskuse s lékařskými odborníky. V rámci studia absolvují doktorandi několikaměsíční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Chmelík Jiří, Ing., Ph.D.

11. Pokročilé metody analýzy snímků MRI pro analýzu obrazu a snazší diagnostiku onemocnění

    Magnetická rezonance je v dnešní době stále dostupnější a pokročilá metoda, často nahrazující předchozí diagnostické standardy a často se stává první volbou při vyšetření. V důsledku toho se zvyšuje i množství dat získaných touto metodou a časové nároky na jejich analýzu lékařskými odborníky jsou vyšší. Podpůrné diagnostické nástroje pak poskytují lékařským odborníkům snazší a přesnější pohled na získaná data, což usnadňuje práci s nimi a nabízí možnost automatizované podpory diagnostiky. Konkrétně to může zahrnovat ko-registraci kontrastních snímků v různých fázích, automatizovanou segmentaci oblastí nebo patologií a jejich analýzu v souvislosti s aktuální diagnózou nebo prognózou. Téma se zaměřuje na vývoj, implementaci a ověření pokročilých technik zpracování obrazu s využitím metod hlubokého učení. Student bude pracovat s daty z MR metody, jako jsou MRI nádorů prsu nebo mozku (gliomů), kde hlavním úkolem je poskytnout metody předzpracování dat, extrakci parametrických map z multipházových nebo perfuzních snímků, analýzu výsledných parametrů a správné interpretaci výsledných vztahů k aktuální diagnóze nebo prognóze. Na počátečním stupni je vyžadováno důkladné studium tématu, rešerše a seznámení se s daty a jejich předzpracováním. V rámci studia absolvují doktorandi několikaměsíční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Jakubíček Roman, Ing., Ph.D.

12. Pokročilé metody pro zpracování snímků sítnice s vysokým rozlišením

    V poslední dekádě došlo k významnému pokroku v zobrazování sítnice, zejména díky adaptivní optice (AO), a tím k možnosti dosáhnout rozlišení na úrovni buněk. Tato technologie tak umožňuje in vivo analýzy dříve neprozkoumaných struktur sítnice, což si vyžaduje vývoj nových a robustních postupů pro analýzu obrazů. Toto téma se zaměřuje především na analýzu cév na sítnici, zahrnující segmentaci, detekci patologií, multimodální registraci obrazu a hodnocení kvality obrazu. Cílem bude především vývoj inovativních postupů pro analýzu vaskularit ve snímcích sítnice s vysokým rozlišením (segmentace stěny, detekce zúžení sítnice, morfologická analýza), návrh nových diagnostických markerů a také statistická analýza korelace napříč soubory obrazových dat sítnice, které pocházejí z různých zobrazovacích modalit. Přestože projekt primárně probíhá na Ústavu biomedicínského inženýrství, předpokládá se spolupráce se zahraničními partnery, konkrétně s univerzitou v Lipsku a univerzitou v Minnesotě v USA. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Kolář Radim, doc. Ing., Ph.D.

13. Výpočetní detekce malých RNA v bakteriálních genomech

    Nemodelové bakterie představují díky své rozmanitosti nevyčerpatelný zdroj pro mikrobiální biotechnologie. Jejich využití omezuje pouze naše neznalost regulace procesů, které jsou schopny provádět. Konkrétní problém spočívá v nekódujících regulátorech, zejména malých RNA (sRNA), které nejsou tak široce studovány jako kódující geny. Během posledních let se ukázalo, že sRNA hrají důležitou regulační roli v různých buněčných procesech tím, že se účastní post-transkripční regulace genové exprese. To je důvod, proč sRNA přitahují více pozornosti než kdykoli předtím. Téma je zaměřeno na metody pro výpočetní odvození genů sRNA z hromadných datových souborů RNA-Seq. Zatímco existuje velké množství specializovaných technik pro experimentální identifikaci sRNA, např. GRIL-Seq, RIP-Seq, RIL-Seq, jejich použití u nemodelových bakterií je omezeno pro jejich technickou složitost. Na druhou stranu i standardní RNA-Seq obsahuje informace o nekódujících prvcích, včetně sRNA, které lze dolovat pomocí výpočetního přístupu. Současné výpočetní nástroje pro odvození sRNA bohužel neodpovídají současným standardům ve zpracování dat. Vyžadují definici prahu pro detekci, který je závislý na hloubce sekvenování a sekvenačních chybách. Nejsou tedy široce použitelné pro různé sekvenační platformy a knihovny. Cílem výzkumu je najít metodu pro odvození sRNA bez nastavování dalších parametrů. Místo toho bude metoda vycházet z důkladné analýzy vstupní datové sady, aby byla detekce nezávislá na sekvenační knihovně a platformě. Použitá metoda bude zahrnovat konkrétní kroky ke zpracování krátkých NGS i dlouhých čtení TGS tak, aby pokryly všechny aktuálně používané sekvenační technologie. Projekt bude primárně řešen na Ústavu biomedicínského inženýrství, nicméně se očekává také spolupráce s národními (FN Brno, Fakulta chemická VUT, Česká sbírka mikroorganismů) a zahraničními (Ludwig-Maximilians-Universität München v Německu a HES-SO Valais-Wallis ve Švýcarsku) partnery. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Sedlář Karel, doc. Mgr. Ing., Ph.D.

14. Využití metod zpracování signálů pro zpřesnění dekódování dat z nanopórového sekvenování

    Cílem dizertační práce je vytvořit metodiku pro předzpracování surových sekvenačních dat z nanopórového sekvenování ve formě signálových čtení (tzv. „squiggles“). Tento krok by měl předcházet samotnému dekódování DNA sekvence, které dnes prakticky výlučně pracuje na bázi učících sítí. Krok dekódování bází tzv. „basecalling“ je největším zdrojem chyb ve zpracování dat z nanopórového sekvenování. Přestože přesnost metod pro dekódování surových dat z nanoporového sekvenování v posledních letech výrazně vzrostla, v krajních případech klesá až na 95 % a tak stále nejsou použitelné pro klinickou praxi. Vhodná kombinace pokročilé signálové filtrace vysoké míry šumu, segmentace signálů na úseky označované „events“ popisující dílčí znaky DNA kódu a přizpůsobení délek jednotlivých eventů pomocí dynamického borcení časové osy může pomoc výrazně zpřesnit dekódování genetické informace. Od uchazeče se očekává jak znalost základní metodologie zpracování a analýzy genomických dat, tak přehled v oblasti zpracování a analýzy 1D signálů. Ovládání vhodného programovacího prostředí je samozřejmostí. Téma bude řešeno ve spolupráci s Dětskou nemocnicí - FN Brno. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Vítková Helena, Ing., Ph.D.

15. Vývoj a hodnocení 3D biotištěného systému Body-on-a-Chip pro terapeutické modality a hodnocení účinnosti léků

    Disertační práce s názvem „Návrh a vyhodnocení 3D biotištěného systému Body-on-a-Chip pro účinnost léků a komparativní analýzu terapeutických modalit“ se zabývá vývojem a validací nové 3D bioprinted body-on-a-chip platformy pro hodnocení účinnost léků a srovnání různých terapeutických modalit. Cílem studie je pokročit v oblasti farmakologického screeningu poskytnutím všestranného a přesného modelu pro testování účinnosti různých léčebných metod. Prostřednictvím komplexní analýzy a validace přispívá tento výzkum k pochopení personalizované medicíny a přesných zdravotních intervencí. Zodpovědnost zahrnuje výzkum, experimentální design, analýzu dat, spolupráci, publikování, inovace, dodržování předpisů a nepřetržitý profesionální rozvoj v oblasti 3D biotisku pro modelování rakoviny a aplikace testování léků. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Fohlerová Zdenka, doc. Mgr., Ph.D.