Zespół fizyków kierowany przez profesora Pawła Moskala, kierownika Zakładu Fizyki Cząstek i jej Zastosowań z Instytutu Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego UJ opublikował w prestiżowym czasopiśmie „Science Advances” artykuł o przełomowych badaniach w dziedzinie obrazowania nowotworów głowy, przeprowadzonych z wykorzystaniem nowego parametru diagnostycznego – czasu życia pozytonium. Aby móc go zobrazować w ciele pacjenta, konieczne było zbudowanie wyjątkowego na skalę światową urządzenia – tomografu modularnego z plastikowych scyntylatorów nazwanego J-PET (Jagielloński PET).
Artykuł pt. „Positronium image of the human brain in vivo” ukazał się na łamach uznanego czasopisma fizycznego „Science Advances”: www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp2840.
W przełomowym badaniu wykonanym pod kierunkiem prof. Pawła Moskala i prof. Ewy Stępień we współpracy z prof. Leszkiem Królickim i jego zespołem z Zakładu Medycyny Nuklearnej Uniwersyteckiego Centrum Klinicznego Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego wykorzystano unikalną technikę obrazowania pozytonium w tomografie J-PET.
Celem badania było kliniczne zastosowanie „biomarkera pozytonium” do obrazowania zmian chorobowych, oceny jakości obrazu i oceny ilościowej poprzez zmierzenie czasu życia atomu pozytonium w tkankach zdrowego mózgu i glejaka. Wynikiem tego badania jest pokazanie po raz pierwszy na świecie, że średni czas życia orto-pozytonium (o-Ps) w glejaku jest krótszy niż w zdrowym mózgu i wynosi 1,77 ns ± 0,58 ns. Dla zdrowej tkanki mózgowej średni o-Ps wynosi 2,72 ns ± 0,72 ns, co sugeruje potencjał wykorzystania obrazowania pozytonium w celu zwiększenia swoistości diagnostyki PET w patologii tkanek in vivo.
Glejak to najbardziej agresywny i złośliwy guz mózgu. Średni czas przeżycia chorego z rozpoznaniem glejaka wielopostaciowego, przy zastosowaniu obecnych standardów leczenia, to kilkanaście miesięcy. Mimo wielu badań naukowych przyczyny glejaka (etiologia) nie są do końca poznane. Wiadomo, że glejakom towarzyszą mutacje typowe dla większości nowotworów: TP53 i PTEN, ale nie mają one znaczenia prognostycznego. Zidentyfikowano także mutacje punktowe w genie EGFR. Wysoki odsetek glejaków wtórnych i bardzo mały odsetek glejaków pierwotnych ma mutacje w genie dehydrogenazy izocytrynianowej 1 (IDH1).
Kolejnym wyzwaniem dla klinicystów jest wczesna diagnostyka glejaka. Objawy neurologiczne jakie towarzyszą rozwojowi tego guza zależą głównie od jego lokalizacji w mózgu, co oznacza, że nie są typowe dla tej choroby. Nie ma też swoistego markera diagnostycznego dla glejaka. Wykorzystanie biomarkera PSMA – specyficznego antygenu ulegającego ekspresji w naczyniach tkanki nowotworowej, który jest pomocny w diagnostyce m.in. raka prostaty, w tym badaniu pozwoliło na lokalizację guza u obrazowanego pacjenta.
W skanerze J-PET zastosowano obrazowanie pozytonowe. Różni się ono od tradycyjnej pozytonowej emisyjnej tomografii (PET), w której wykorzystuje się zjawisko anihilacji elektronu (e-) pochodzącego z cząsteczek z jakich zbudowane jest ciało pacjenta i pozytonu (e+) pochodzącego od radioizotopu emitującego promieniowanie pozytonowe (beta+) tym, że w skanerze J-PET mierzony jest dodatkowo czas życia atomu pozytonium. Ten egzotyczny atom powstaje w około 30-40% wszystkich anihilacji zachodzących w ciele pacjenta diagnozowanego za pomocą PET. Tradycyjne skanery PET obrazują tylko rozkład fotonów promieniowania gamma wytwarzanych w wyniku anihilacji elektronu (e-) i pozytonu (e+), bez pomiaru czasu tych zjawisk fizycznych.
Wcześniejsze artykuły opublikowane przez profesora Pawła Moskala i jego grupę badawczą pokazały, jak można wykorzystać średni czas życia pozytonium do badania tkanek prawidłowych i nowotworowych ex vivo i in vitro, wykorzystując technikę spektroskopii czasu życia pozytonium (PALS) („Scientific Reports”, 13(1), 7648) oraz technikę obrazowania pozytonium („EJNMMI physics”, 10(1), 22; „Science Advances”, 7 (42) 4394).
Artykuł, który ukazał się w najnowszym numerze prestiżowego czasopisma fizycznego „Science Advances” opisuje pierwsze kliniczne zastosowanie czasu życia pozytonium do obrazowania tkanek. Badanie to wykonano u pacjenta z glejakiem wielopostaciowym mózgu, leczonego radioterapią cząstek α, za pomocą radiofarmaceutyku zawierającego radioaktywny izotop aktynu ([225]Ac) podawany bezpośrednio go guza. Jest to nie tylko przykład zastosowania obrazowania pozytonium w klinice, ale także przykład nowego podejścia do teranostyki nowotworów, czyli ścisłego połączenia diagnostyki i leczenia w celu dobrania do konkretnego pacjenta najskuteczniejszej, a jednocześnie bezpiecznej terapii.
Kliniczne zastosowanie „biomarkera pozytonowego” pod względem wykrywania zmian chorobowych, jakości obrazu i oceny ilościowej nie zostało jak dotąd określone, służyć ma temu niniejsze badanie.
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. Naukowcy z Krakowa odkryli ważną właściwość tych struktur i przeprowadzono badania, które dowodzą, że pęcherzyki potencjalnie można zastosować w terapii.
Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (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 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 że w tym samym okresie były one stymulowane czynnikiem powodującym zwłóknienie – mówi dr Sylwia Bobis-Wozowicz.
W opinii krakowskich badaczy 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 – przekonuje 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 opisany wyżej proces przygotowania preparatu leczniczego zajmuje około 2 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, że 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.
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. 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 proc. 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.
