Slovenski znanstveniki razvili biološko napravo, ki preži na vnetja in sama izdela zdravilo

Raziskava Kemijskega inštituta v Ljubljani

Raziskovalci Kemijskega inštituta so z genskim "hekanjem" izdelali celice, ki v telesu samodejno zaznavajo vnetje in sprožijo terapevtski odziv - izdelavo zdravila.

17. januar 2017 ob 06:21
Ljubljana - MMC RTV SLO
Porozne alginatne kapsule s terapevtskimi celicami. Desna slika z zeleno barvo prikazuje žive celice, ki sprejemajo signale iz okolja in sproščajo terapevtske proteine. Foto: Kemijski inštitut

Skupina slovenskih znanstvenikov je naredila korak naproti naprednemu biološkemu zdravljenju vnetnih bolezni. Ustvarila je prototip celične naprave, ki se jo vstavi v organizem, nato tam deluje samodejno, kot prostetični, dodatni organ. Večino časa le čuječe ždi in preverja, ali je kje v telesu nastala vnetna reakcija. V tem primeru se samodejno sproži zaporedje tako preprogramiranih genskih konstruktov, da začne izločati - zdravilo.

V tej fazi gre sicer za prototip in ne za neposredno uporabno zdravilo. Preizkušen je bil v laboratoriju na celičnih kulturah in na živalskem modelu vnetne črevesne bolezni, zato je do morebitne klinične rabe še zelo dolga pot. A dozdajšnji izidi kažejo, da kot koncept deluje. Raziskava je objavljena v znanstveni publikaciji Molecular Therapy. Izvedli so jo na Odseku za sintezno biologijo in imunologijo na Kemijskem inštitutu pod vodstvom Romana Jerale.

Le ob prisotnosti vnetja
Če bo iz nje kdaj primezelo tudi dejansko, klinično zdravilo za človeka, utegne razveseliti bolnike s kroničnimi vnetji. Pri teh je vnetni odziv neustrezno uravnavan do te mere, da škodi lastnemu tkivu. Revmatoidni artritis in črevesna vnetna bolezen dosmrtno prizadenejo obolele. Potrebna so dolgotrajna zdravljenja, ki so tudi draga. Še posebej če se uporabljajo sodobna biološka zdravila. Cene za zaviralec vnetja, kot je na primer protitelo anti-TNF, so štirimestne in dolgoročno tudi petmestne na bolnika. Razlog za draginjo tiči v težavni, strogo nadzorovani in zapleteni izdelavi z gensko spremenjenimi sesalskimi celicami v laboratorijih farmacevtskih podjetij. Na Kemijskem inštitutu pa so proizvodnjo taiste učinkovine prenesli kar v telo.

Kako, je za MMC pojasnil raziskovalec s področja sintezne biologije in imunologije Anže Smole, nekdanji mladi raziskovalec na Kemijskem inštitutu in po novem podoktorski raziskovalec na Univerzi v Pensilvaniji (ZDA). Raziskava je namreč nastala kot njegova doktorska naloga pod mentorstvom Jerale. Soavtorji so bili Duško Lainšček, Urban Bezeljak in Simon Horvat. "Gre za inženiring sesalskih celic, ki jih načrtovano spreminjamo tako, da jih naučimo opravljati nove ali dodatne funkcije, ki jih lahko uporabimo za terapevtske namene," je ponazoril.

Reprogramiranje celic
Funkcije so zapisane v DNK-ju, temeljni molekuli vsakega živega bitja. V njej je z zaporedjem štirih baz; adenina, citozina, gvanina in timina, pravzaprav zapisano vse potrebno za razvoj živega bitja od zarodka do smrti. Smole in sodelavci so DNK človeške celice "hekali". Spreminjali so ga, in to ne naključno, kot se dogaja v naravi s posameznimi in nepredvidenimi posledicami pri naključnih mutacijah. Reprogramirali so ga globoko načrtovano. Vanj so dodali DNK-konstrukte, ki kodirajo gensko regulatorno mrežo, obsegajočo celoten proces od vohljanja za vnetjem v okolici do izločanja "zdravilnega" proteina.

V inženirsko celico je vstavljenih pet genskih modulov. Senzor zazna prisotnost vnetnih citokinov, beljakovin, ki so značilni kazalniki prisotnosti vnetnih procesov v telesu, in sproži sosledje kompleksnih odzivov. Pri tem se aktivira modul ojačevalca, ki skrbi, da reakcija ni hipna, temveč traja dovolj dolgo za učinkovito zdravljenje. Hkrati se sproži efektor - dejanski proizvajalec kombinacije protivnetnih proteinov, vključno s protitelesom anti-TNF. Vse to pomeni, da se lahko reakcija sproži še prej, kot bi se škodljivih procesov zavedel bolnik ali zdravnik.

Vzporedno deluje modul prag. "To je naš inovativni pristop," je poudaril. Prag skrbi, da se biološka naprava ne sproži po nepotrebnem. Le takrat, ko je koncentracija sprožilcev - in s tem jakost vnetja - dovolj visoka, se zgodi terapevtski odziv. Sprožilci so namreč v telesu vedno prisotni, četudi v manjših koncentracijah.

Izklop s tableto
Prav v tem je tudi težava prej omenjenih, "navadnih" terapij z biološkimi zdravili. Kronični vnetni bolniki pogosto prejemajo dušilce imunskega sistema, kar lajša simptome, vendar lahko v določenih okoliščinah vodi do povečanega tveganja za razvoj rakastih obolenj in infekcij. Konceptualna rešitev predstavljenega dela Kemijskega instituta prinaša ciljno, usmerjeno zdravljenje le takrat, ko je res potrebno. Hkrati pa je terapevtsko delovanje naprave mogoče tudi izključiti, ko je čas za to. Zadnji modul je namreč stikalo, ki ustavi proizvodnjo anti-TNF-ja. Sproži se ga lahko zunaj, prek kemijskega signala, npr. z vnosom določene spojine, ki jo bolnik lahko poje s tableto.

Vnos v biološke kapsule
Seveda je ena sama inženirska celica v bolnem organizmu irelevantna. Vanj bi jih bilo treba vnesti mnogo, da bi lahko proizvajale zadostne količine zdravila. Pri tem nastaneta dve veliki težavi. Prva: množico inženirskih celic bi imunski sistem prepoznal kot tujke in jih verjetno zelo kmalu pomoril, tako kot se pogosto zgodi z darovanimi organi. Druga: vnesene celice bi se lahko nenadzorovano razmnoževale, kar lahko pripelje do razvoja raka.

Zato so na Kemijskem inštitutu posegli po mikrokapsulah. Metoda celice zaščiti pred imunskim sistemom, hkrati pa s poroznostjo mikrokapsul omogoča, da celice prejemajo hrano, vnetne signale in ob aktivaciji izločajo terapevtske proteine, kot so protitelesa za zaviranje vnetja. Za izdelavo teh mikrokapsul je ključna substanca alginat. Pogosto jo sicer uporabljajo v industriji hrane in zdravil, popularen pa je tudi v sodobni molekularni kuhinji.

Dobri, a le uvodni rezultati
Terapevtsko učinkovitost protivnetne naprave so testirali tudi na živalskem modelu črevesne vnetne bolezni. V trebušno votlino miši vstavljene kapsule so preprečile poškodbe črevesja. Raziskava je trajala štiri leta, prej omenjeni poskus pa dober teden. Smole je posebej poudaril, da bo potrebnih še veliko izboljšav in testiranj, preden bo ta napredni pristop sintezne biologije dejansko uporaben za klinično zdravljenje ljudi.

Poudaril je še, da metoda mikroenkapsulacije ni njihov izum, temveč se uporablja že dolgo. Prvič so jo že v 80. letih v živalskem modelu koristili za izdelavo prostetične trebušne slinavke za zdravljenje sladkorne bolezni tipa 1. Bolj sveža uporaba, ki je bila tudi navdih za študijo Kemijskega inštituta, izhaja iz Švice, kjer je znani Martin Fussenegger z inštituta ETH Zürich ustvaril različne sisteme inženirskih mikroenkapsuliranih celic za avtonomno zaznavanje in zdravljenje različnih bolezenskih stanj – med drugim putiko.

Novost Kemijskega inštituta je kombinacija "natančno uglašenega", genskega regulatornega sistema v prostetičnem organu, ki diagnosticira vnetje in ga hkrati tudi že zdravi. "Pristopu pravimo kar teragnostika. Gre za samodejno diagnozo prek zaznavanja porušenja določene homeostaze in posledično avtonomno sproženje terapije," je povedal sogovornik. Lepoto sistema vidi v prilagodljivosti. Celico bi lahko preprogramirali, da glede na ciljano bolezen zaznava različne vhodne signale in proizvaja različne terapevtske proteine.

Slovenci premagali ekipe najboljših univerz

Nad rakasta obolenja z genskim inženiringom
Smole je zdaj v ZDA, kjer se ukvarja z neko drugo vrsto celične terapije. Z revolucionarno imunoterapijo raka, ki prinaša poprej neverjetne rezultate, hkrati pa je povezana z določenimi velikimi tveganji. Le eden izmed primerov: na ameriškem inštitutu Fred Hutchinson so lani zdravili 29 pacientov z rakom kostnega mozga v zadnjem stadiju. Njihova pričakovana življenjska doba je bila le nekaj mesecev. 27 izmed njih je rak popolnoma izginil. Dva pa sta umrla - in to zaradi reakcije na zdravilo. Številne so zaradi hudih imunskih reakcij morali večkrat zdraviti na intenzivni negi. Smole se bo s to celično terapijo ukvarjal nekaj prihodnjih let kot podoktorski raziskovalec na Univerzi v Pensilvaniji. Za MMC je podal nekaj pojasnil še o tej temi.

Kaj je to - imunoterapija raka
Že dolgo je znano, da imunski sistem stalno nadzoruje celice v našem telesu, pri čemer v idealnem scenariju lastnim celicam prizanese, rakaste pa ubije. Pri tem glavno vlogo igrajo celice T, ki delujejo kot serijski ubijalski stroj. Vendar pa so rakaste celice zelo zahtevna tarča, saj imajo sposobnost prilagoditve na napad. Med drugim tako, da ustvarijo okolje, ki duši imunski sistem, ali pa na površini ne izražajo več nekaterih antigenov, prek katerih jih imunski sistem prepozna. Če se to zgodi, rak pobegne iz nadzora.

Trenutno najbolj vroči veji imunoterapije sta revolucionarna celična terapija CAR-T in uporaba inhibitorjev blokatorjev aktivacije celic T.


Sistem za ciljanje rakastih celic
Prva veja celicam T "instalira" sistem za ciljanje rakastih celic. Vsakemu posameznemu bolniku z rakom odvzamejo celice T in jih v laboratoriju z genskim inženiringom spremenijo tako, da se naučijo prepoznati določen protein na rakastih celicah. "Izobražene" celice T vrnejo v telo, kjer se te še dodatno namnožijo in izvedejo pomor nad rakastimi. Terapija se je v kliničnih študijah izkazala za izjemno uspešno pri krvnih rakih, kjer nobena druga ni delovala. Trenutno pa velik izziv predstavlja razvoj CAR-T-terapij za trdne tumorje, ki so za imunoterapijo precej zahtevnejša tarča kot krvni raki.

Izključitev zavor za celice T
Težko je najti ustrezno tarčo - površinski protein na rakastih celicah trdnih tumorjev, ki se ne izraža v zdravem tkivu do te mere, da bi terapija vodila do potencialno usodne poškodbe nerakastega tkiva. Hkrati trdni tumorji ustvarjajo močno imunosupresivno okolje, ki hromi delovanje imunskega sistema. Pri tem velik potencial predstavlja druga veja imunoterapije, ki celicam T umakne nekaj zavor, da postanejo dejavnejše in agresivnejše. Znanstveniki to storijo z dušenjem površinskih molekul CTLA 4 ter PD1, ki omejujejo dejavnost celic T. Hkrati pa to predstavlja tveganje, da preveč dejaven imunski sistem napade lastno telo. Zato je potrebno, da izkušeni zdravniki zelo natančno dozirajo in budno spremljajo zdravljenje, je pojasnil Smole.

"Z vsem srcem" verjame, da imunoterapija predstavlja naslednji steber medicine, ki bo korenito spremenil zdravljenje rakastih in tudi marsikaterih drugih bolezni. V isti sapi pa opozarja, da je še veliko neznanega, kar dokazujejo tudi nedavni smrtni izidi v kliničnih študijah. Poudarja, da je velikega pomena natančna uglašenost gensko spremenjenih celic T. In prav to je njegov glavni cilj v podoktorskem raziskovalnem delu na Penn Medicini, saj želi s pristopi sintezne biologije in "uporabo najmodernejših metod molekularne biologije prispevati k inženiringu celic T za izboljšanje varnosti in učinkovitosti imunoterapije".

V ZDA in nazaj?
"Ves čas od študija naprej sem si želel delati na imunoterapiji raka. Tukaj so doma očetje te terapije, morda najbolj zveneče ime je Carl H. June. Tukaj so prvič poročali o uspešni imunoterapiji raka s celicami CAR-T, ko so ozdravili bolnike z levkemijo, pri katerih ni delovala nobena druga terapija. Univerza v Pensilvaniji je bila moja prva izbira za postdoktorski projekt in imel sem tako srečo, da so mi na podlagi motivacijskega pisma in idej, kako prispevati k imunoterapiji raka, ter seveda preteklega raziskovalnega dela, ki sem ga opravil v Sloveniji na Kemijskem inštitutu, omogočili formalni intervju in me nato sprejeli. Od septembra sem v samem osrčju te imunoterapije, fantastično je," je povedal. Sogovornik upa, da se bo kmalu vrnil v Slovenijo s pridobljenim znanjem in prispeval k vzpostavitvi lokalnega programa. A pri tem je doživel nekaj nevšečnosti, za katere upa, da jih bo država v dobro skupnosti - odpravila.

DAVČNE TEŽAVE PODOKTORSKIH RAZISKOVALCEV
Podoktorsko usposabljanje slovenskih raziskovalcev v tujini in njihova vrnitev domov s pridobljenimi izkušnjami in znanjem je velikega pomena za tehnološki in družbeni razvoj. Smole opozarja, da trenutna davčna politika Slovenije to zelo otežuje. Davčna zakonodaja namreč narekuje, da mora vsak slovenski davčni rezident, ki pridobiva dohodek iz tujine, Sloveniji plačati razliko v obdavčitvi med slovensko davčno stopnjo in davčno stopnjo države, iz katere dohodek izhaja. Izkušnje številnih zdomcev v ZDA kažejo, da so po plačilu stroškov bivanja v tujini in davkov domovini pravzaprav v minusu. V praksi si torej sploh ne morejo privoščiti bivanja v tujini, dokler plačujejo davke domovini. Zdomec je sicer lahko oproščen plačila davka, če dokaže, da je davčni rezident druge države. To pa je v prvih dveh letih za podoktorske raziskovalce z vizumom J-1 v ZDA nemogoče. ZDA jih namreč ne štejejo za davčnega rezidenta, in to zato, ker jim želijo olajšati finančno breme. Podoktorska plača v ZDA omogoča le skromno preživetje. "V praksi to pomeni, da moraš plačati Sloveniji nenormalno visok davek, ki je povsem neprilagojen ceni življenja v ZDA, in bi pomenil, da si dejansko mesečno globoko v minusu, predvsem, če si tukaj z družino. Plačilu davka v Sloveniji se je v tem konkretnem primeru mogoče izogniti le z odjavo slovenskega davčnega rezidentstva, kar pa v praksi ni tako enostavno, kot se sliši," je pojasnil znanstvenik. To pomeni, da mora zavezanec prekiniti stike s Slovenijo. Za Smoleta, ki želi v tujini preživeti določeno obdobje, pridobiti dragocena znanja in se vrniti nazaj, je to vsaj "konceptualno nesmiselno". "Zakonodaja nas sili v prekinitev stikov z domovino, vključno z odjavo stalnega bivališča. Formalno gledano začasen odhod v tujino izpelješ tako, kot da odhajaš za vedno," je ponazoril. Na to problematiko je pred časom v zelo jasnem prispevku opozarjal že Marko Fonović z Instituta Jožef Stefan. O tem je razpravljal in predlagal spremembe tudi Svet za znanost in tehnologijo, a spremembe se niso zgodile. Smole pravi, da je vse skupaj videti kot nesporazum in nepoznavanje dejanske situacije ter zakonodajalcem predlaga, naj najdejo pot k davčni politiki, ki bi olajšala življenje podoktorskih raziskovalcev v ZDA in pripomogla k vračanju znanja domov.

Gre za inženiring sesalskih celic, ki jih načrtovano spreminjamo tako, da jih naučimo opravljati nove ali dodatne funkcije, ki jih lahko uporabimo za terapevtske namene.


Za vedno bom imel v najlepšem spominu, da sem imel možnost in privilegij sodelovati s sodelavci na Kemijskem inštitutu. Poudarjam pa, da vse skupaj, raziskave, uspehi in objave ... brez podpore in ljubezni najbližjih mi ne bi uspelo prav nič. Če pa bi mi že, bi bilo brez pomena.

Anže Smole je posebej poudaril pomembnost družine in bližnjih kot temelja za vse preostalo


Morda bi država lahko ugotovila poseben status podoktorskih raziskovalcev na začasnem delu v ZDA ali pa vsaj omogočila, da se od davčne osnove odštejejo dejanski stroški bivanja v tujini. Glede na pogovore s sodelavci iz Evrope, ki delajo kot podoktorski raziskovalci v ZDA, Smole pravi, da imajo očitno številne druge države to urejeno bistveno ugodneje za raziskovalce, saj se zavedajo, da so ti kadri pomembna naložba države, ki bi jo želeli dobiti nazaj.

Smole o težavah podoktorskih raziskovalcev v tujini


Anže Smole je zdaj podoktorski raziskovalec v ZDA. Foto: Arhiv avtorja
Modularni prikaz sestavnih delov protivnetne naprave s signalom za aktivacijo, kontrolo aktivnosti in produkcijo terapevtskih proteinov. Foto: Kemijski inštitut
Preglov center Kemijskega inštituta. Foto: Kemijski inštitut
DNK je molekula v obliki dvojne vijačnice, kjer je zapisana genetska informacija v vseh živih bitjih. Informacija je zapisana v obliki zaporedja štirih različnih dušikovih baz. Foto: Reuters
Raziskavo je vodil Roman Jerala, med drugim dobitnik medalje za zasluge pri uveljavljanju slovenske znanosti in visokega šolstva v mednarodnem prostoru, ki jo podeljuje predsednik države. Foto: BoBo

Dnevne novice


Nepravilnosti pri poslovanju bolnišnice Topolšica, tam trdijo, da so že odpravljene

Možganska kap tretji vzrok smrtnosti in prvi vzrok invalidnosti v Sloveniji

NIJZ opozarja: Če potujete na Kosovo, se cepite proti ošpicam

Domovi za ostarele bodo tožili ZZZS. Zanj in za ministrstvo tožbe neupravičene.