Według badaczy z Uniwersytetu Jagiellońskiego w przyszłości będzie można leczyć zwłóknienia narządów wykorzystując siły natury. Mają w tym pomóc pęcherzyki zewnątrzkomórkowe, czyli nanostruktury wydzielane przez komórki różnych organizmów. Na UJ odkryto ważną właściwość tych struktur i przeprowadzono badania, które dowodzą, iż pęcherzyki potencjalnie można zastosować w terapii.
Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (ang. Extracellular Vesicles, EVs) to powstające w wyniku naturalnych procesów biologicznych nanostruktury wydzielane przez komórki. Zbudowane są z podwójnej błony lipidowej, a w ich wnętrzu znajduje się bogaty miks bioaktywnych substancji, które w różnorodny sposób oddziałują na inne komórki organizmu.
Zespół pod kierunkiem dr n. med. Sylwii Bobis-Wozowicz z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego odkrył, że biomolekuły mikro RNA zawarte w pęcherzykach zewnątrzkomórkowych wykazują silne właściwości przeciwzwłóknieniowe. „W eksperymentach in vitro oraz in vivo zaobserwowaliśmy, że po podaniu pęcherzyków zewnątrzkomórkowych następowała znacząca lub całkowita redukcja białek odpowiedzialnych za postępujące usztywnienie tkanek. W modelu zwłóknienia serca u zwierząt doświadczalnych wykryliśmy, że niektóre z badanych osobników już po dwóch tygodniach całkowicie cofnęły zwłóknienie w sercu, pomimo tego, że w tym samym okresie były one stymulowane czynnikiem powodującym zwłóknienie” – mówi dr Sylwia Bobis-Wozowicz z UJ.
W opinii badaczy z UJ pęcherzyki zewnątrzkomórkowe mogą być brane pod uwagę przez sektor farmaceutyczny jako podstawa do opracowania nowej terapii zwłóknień narządowych. Aby tak się stało, należy wykonać jeszcze szereg badań przedklinicznych, które są wymagane na każdej ścieżce opracowywania i wdrażania nowego leku. „Ze względu na wysokie koszty takich badań poszukujemy podmiotów z sektora firm farmaceutycznych i biotechnologicznych, zainteresowanych doskonaleniem tej technologii i docelowo wprowadzeniem jej na rynek. Nie wykluczamy przy tym przeprowadzenia dalszych prac badawczo-rozwojowych, w wyniku których podniesiony zostanie poziom gotowości technologicznej odkrycia. Zależy to jednak od dalszego finansowania i zaangażowania ewentualnych partnerów” – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektor Centrum Transferu Technologii CITTRU UJ.
Terapia zwłóknień krok po kroku
Skąd wynikają przeciwzwłóknieniowe właściwości pęcherzyków zewnątrzkomórkowych? Odpowiadają za to konkretne cząsteczki mikro RNA. Zespół dr Sylwii Bobis-Wozowicz w toku prac bioinformatycznych zidentyfikował je, a następnie potwierdził, że pełnią one funkcję inhibitora procesów zwłóknieniowych. „Mikro RNA oddziałują na znajdujące się w komórkach cząsteczki mRNA, które są nośnikiem informacji genetycznej. mRNA zawierają precyzyjne instrukcje dotyczące produkcji konkretnych białek. Zidentyfikowane przez nas biomolekuły mikro RNA działają w sposób specyficzny, hamując produkcję tych białek, które bezpośrednio prowadzą do zwłóknień. Zatem podając odpowiednią ilość konkretnego mikro RNA w rejony tkanek, narządów czy komórek nadprodukujących białka zwłóknieniowe, możemy powstrzymać rozwój schorzenia” – wyjaśnia dr Sylwia Bobis-Wozowicz.
Co ważne, odkryte zjawisko ma charakter uniwersalny. Zidentyfikowane mikro RNA działa tak samo skutecznie w przypadku leczenia zwłóknień różnych narządów – serca, płuc, trzustki czy wątroby.
Jak pozyskiwać pęcherzyki EVs do terapii?
Aby móc prowadzić tego rodzaju terapię, konieczne jest wyizolowanie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych. Można je pozyskać z hodowli tzw. indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC). „IPSC pozyskuje się w wyniku przeprogramowania dojrzałych komórek, do stanu pluripotencji, z zastosowaniem określonych procedur laboratoryjnych. Najpierw od pacjenta pobierane są komórki, na przykład z tkanki tłuszczowej lub krwi. Następnie przeprogramowuje się je do postaci komórek macierzystych iPSC, to znaczy takich, które mogą różnicować w kierunku różnego rodzaju tkanek. Uzyskane komórki hoduje się w specjalnych warunkach fizjologicznych, a następnie izoluje się z takich hodowli pęcherzyki. Zebrane pęcherzyki można podać dożylnie lub umieścić w hydrożelu hialuronowym, który jest neutralny dla organizmu. W ten sposób powstaje preparat, który można wstrzyknąć w miejsce zmienione chorobowo. Forma hydrożelu powoduje, że pęcherzyki będą z niego uwalniane stopniowo w odpowiednio wydłużonym okresie czasu. Dzięki temu zapewnimy większą skuteczność terapii i dłuższe oddziaływanie EVs na tkanki wykazujące tendencję do zwłóknień” – mówi dr Sylwia Bobis-Wozowicz.
Zespół z UJ wykazał, ze hodowanie komórek pluripotencjalnych w warunkach fizjologicznej hipoksji – czyli przy odpowiednio zmniejszonym stężeniu tlenu – przynosi dużo lepsze rezultaty. Pozyskane z takiej hodowli pęcherzyki wykazują znacznie silniejszy wpływ terapeutyczny.
Terapia personalizowana lub uniwersalna
Według naukowców z UJ opisany wyżej proces przygotowania preparatu leczniczego zajmuje około dwóch miesięcy. Warto jednak zaznaczyć, że taki okres przewidziano, gdy materiał do hodowli pobierany jest od tego samego pacjenta, któremu później wszczepiane są pozyskane pęcherzyki zewnątrzkomórkowe. Literatura naukowa jednoznacznie wskazuje, że pęcherzyki zewnątrzkomórkowe nie są immunogenne, można więc założyć, iż materiał leczniczy może pochodzić z hodowli komórkowych od różnych dawców. Dawcą niekoniecznie musi być ta sama osoba, która docelowo przyjmie lek. Istniałaby więc możliwość wdrożenia produkcji uniwersalnego leku w większej skali i stosowania terapii natychmiast po wydaniu zalecenia lekarza. Byłoby to o tyle możliwe, że, jak wykazały badania, pęcherzyki bardzo dobrze znoszą przechowywanie nawet w dłuższych okresach.
Prowadząc badania, naukowcy zweryfikowali, czy dla celów terapeutycznych nie prościej byłoby zamiast hodować piuripotencjalne komórki macierzyste, syntetyzować odpowiednie biomolekuły mikro RNA i podawać je w specjalnie przygotowanych płaszczach lipidowych. „Z przeprowadzonych kalkulacji wynika, że wariant terapii z syntetycznym mikro RNA, choć technicznie wydaje się prostszy, kosztowałby kilkukrotnie więcej w porównaniu do wariantu, w których hodujemy komórki macierzyste i pozyskujemy z nich naturalne pęcherzyki EVs. Poza tym, niezaprzeczalną korzyścią, jaka płynie z hodowli naturalnej, jest biokompatybilność, a w przypadku terapii personalizowanych – całkowite wyeliminowanie ryzyka wystąpienia niepożądanych reakcji immunologicznych na podawany preparat” – dodaje dr Sylwia Bobis-Wozowicz.
Jednocześnie naukowcy podkreślają, że uniwersalizmu terapii nie należy rozumieć tak, że pęcherzyki zewnątrzkomórkowe będą w stanie rozpuszczać już istniejące zwłóknienia, czy złogi kolagenowe. Ich funkcja jest ściśle hamująca procesy zwłóknieniowe, jakie występują m.in. w przewlekłych stanach zapalnych narządów lub przy zaburzonych procesach produkcji białek zwłóknieniowych.
Brak zidentyfikowanych skutków ubocznych
Zespół badaczy z UJ podkreśla, że jak dotąd nie zidentyfikował jakichkolwiek skutków ubocznych, jakie mogłyby się pojawić w wyniku podawania pęcherzyków zewnątrzkomórkowych do organizmu. W badaniach in vivo wykorzystano m.in. myszy z osłabionym układem odpornościowym. Co ważne, również w ich przypadku nie zaobserwowano skutków ubocznych w trakcie podawania leku i po zakończonej terapii.
Zwłóknienia narządów to wyzwanie cywilizacyjne
Zwłóknienie, zwane inaczej fibrozą, to postępujący stan chorobowy wynikający z nadmiernej produkcji białek macierzy zewnątrzkomórkowej (ang. Extracellular Matrix, ECM). Białka te, odkładane w tkankach, powodują ich usztywnianie, co w konsekwencji prowadzi do upośledzenia funkcjonowania narządów. Zwłóknienia mogą występować m.in. w sercu, płucach, trzustce, czy wątrobie. Szacuje się, że choroby zwłóknieniowe są odpowiedzialne za ok. 45% wszystkich przypadków zgonów na świecie. Jak dotąd nie opracowano skutecznego lekarstwa na te schorzenia. Obecnie stosowane metody leczenia koncentrują się na eliminowaniu przyczyn indukujących przewlekłe stany zapalne – np. leczenie hipertrójglicerydemii, leczenie przewlekłego zapalenia wirusowego wątroby typu B lub C, wykorzystanie kortykosteroidów i leków hamujących układ odpornościowy, a nawet usunięcie fragmentu lub całości narządu objętego zwłóknieniem.
Więcej informacji o pęcherzykach zewnątrzkomórkowych
Początkowo sądzono, że komórki wytwarzają pęcherzyki w celu usunięcia zbędnych biomolekuł lub metabolitów. Dziś wiadomo, że ich rola jest znacznie szersza. Pęcherzyki mogą wnikać do innych komórek, a to oznacza, że zawarte w ich wnętrzu aktywne biologicznie składniki wywołują określone reakcje. W ten sposób między komórkami dochodzi do wymiany zawartości pęcherzyków, co w konsekwencji wpływa na biochemiczne procesy komórkowe. Tak przesyłane sygnały inicjują rozmaite „zachowania komórek” – nasilają je, wspomagają, hamują lub zaburzają – wszystko w zależności od instrukcji, jakie zawarte są w pęcherzykach i kontekstu biochemicznego w komórkach docelowych. Niektóre z takich sygnałów mają pożądane skutki, inne – jak np. w przypadku „komunikatów” wysyłanych przez komórki nowotworowe – szkodliwe, chorobotwórcze.
Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe są obiektem wielkiego zainteresowania świata nauki. Ze względu na korzystne cechy, takie jak biokompatybilność i biofunkcjonalność, coraz częściej są one analizowane pod kątem wykorzystania ich jako potencjalne terapeutyki nowej generacji. Dla współczesnej medycyny EVs-y są źródłem informacji o patogenezie, o komórkowych procesach biochemicznych oraz o właściwościach różnego rodzaju komórek. Ponadto, analiza składu chemicznego zawartości pęcherzyków może dawać wskazówki wspomagające diagnostykę różnych chorób.