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

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

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.

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.

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
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

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.

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.

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.

Sonja Kolarič

Leave a Reply