Krótkie impulsy elektryczne w połączeniu z wapniem mogą być skuteczną bronią w walce z opornym rakiem jelita grubego – wynika z badań naukowców z Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu, Uniwersytetu Wileńskiego i Uniwersytetu Wrocławskiego. Nowa metoda nie tylko zabija komórki nowotworowe, ale także osłabia ich „komórki macierzyste” i budzi układ odpornościowy.
Od dawna wiadomo, że prąd może otwierać błony komórkowe, ułatwiać transport leków, a nawet niszczyć nowotwory. Ale naukowcy z Wrocławia i Wilna poszli o krok dalej. Porównali dwa typy impulsów elektrycznych – mikrosekundowe (µsEP) i nanosekundowe (nsEP) – pod kątem ich działania na komórki raka jelita grubego, w tym także te odporne na chemioterapię, w połączeniu z jonami wapnia.
– Elektroporacja wapniowa (CaEP) to metoda, która w ostatnich latach zdobywa uznanie jako samodzielna terapia przeciwnowotworowa, szczególnie w takich krajach jak Dania czy Niemcy. Osobiście miałam okazję uczestniczyć w zabiegu z zastosowaniem CaEP w leczeniu raka piersi podczas mojego stażu w Kopenhadze w 2016 roku – wspomina dr Anna Szewczyk z Uniwersytetu Medycznego we Wrocłąwiu. – To doświadczenie utwierdziło mnie w przekonaniu, że jest to metoda nie tylko skuteczna, ale też bezpieczna i relatywnie mało inwazyjna. Widzę duży potencjał w łączeniu CaEP z klasycznymi terapiami, np. chemioterapią czy immunoterapią. Takie podejście może wzmocnić efekt terapeutyczny i poszerzyć spektrum zastosowań klinicznych tej metody – podkreśla badaczka.
Wyniki badań polsko-litewskiego zespołu są jednoznaczne: impulsy nanosekundowe w połączeniu z wapniem (tzw. nanosekundowa elektroporacja wapniowa, nsCaEP) powodują silne uszkodzenia mitochondriów, gwałtowny wzrost stresu oksydacyjnego, utratę energii i aktywację mechanizmów śmierci komórkowej.
Szybciej, głębiej, skuteczniej
Istnieje różnica między impulsami mikrosekundowym na nanosekundowym. Podczas gdy te pierwsze oddziałują głównie na błonę komórkową, drugie penetrują znacznie głębiej – trafiają do organelli, w tym mitochondriów i siateczki śródplazmatycznej. To właśnie tam rozgrywa się dramat komórkowy – zaburzona równowaga wapnia, zniszczone mitochondria, eksplozja wolnych rodników.
W doświadczeniach naukowców poziom reaktywnych form tlenu (ROS) wzrastał pięciokrotnie w komórkach nowotworowych poddanych nsCaEP. Równocześnie dramatycznie spadał poziom ATP – komórkowej waluty energetycznej. Komórki nowotworowe, które potrzebują ogromnej ilości energii do wzrostu i podziału, tego nie wytrzymują. Co ciekawe, zdrowe komórki reagowały na terapię łagodniej. To sugeruje, że można uzyskać selektywność – niszczyć raka, oszczędzając zdrową tkankę.
Terapia oparta na nsCaEP działa zatem potrójnie: niszczy komórki nowotworowe, osłabia komórki rakowe o cechach komórek macierzystych (tzw. CSC), odpowiedzialne za nawroty choroby i oporność na leczenie, wreszcie aktywuje układ odpornościowy.
Eksperymenty wykazały, że po nsCaEP gwałtownie wzrasta ekspresja białek szoku cieplnego – HSP27 i HSP70. Poza funkcją ochronną działają one jak sygnały alarmowe – przyciągają komórki odpornościowe do miejsca uszkodzenia. Dodatkowo obserwowano zwiększoną obecność białka DEDD, które aktywuje ścieżki śmierci komórkowej, w tym apoptozę. Może to sugerować, że nsCaEP nie tylko zabija raka mechanicznie, ale też może uruchomić naturalną reakcję immunologiczną – coś na kształt „szczepionki z nowotworu”.
Komórki macierzyste raka – trudny przeciwnik
Największym wyzwaniem współczesnej onkologii są nie tyle komórki rakowe, co ich podgrupa – komórki macierzyste nowotworu. To one odpowiadają za wznowy, przerzuty i oporność na leczenie. W badaniach zespołu naukowców z Wrocławia i Wilna poziom markera CD133 – charakterystycznego dla CSC – wyraźnie spadał po zastosowaniu nsEP bez wapnia.
– Zaobserwowaliśmy wyraźną redukcję poziomu markera CD133 po użyciu elektroporacji nanosekundowej (nsEP) – głównie bez obecności wapnia. Wiemy, że nsEP oddziałuje nie tylko na błonę komórkową, ale również na błony wewnątrzkomórkowe, takie jak retikulum endoplazmatyczne, które zawiera istotne rezerwuary wapniowe. Dlatego w przyszłości niezwykle interesującym kierunkiem badań będzie sprawdzenie, czy uwolnienie wapnia z tych wewnątrzkomórkowych magazynów za pomocą impulsów nanosekundowych może prowadzić do destabilizacji homeostazy jonowej właśnie w subpopulacji komórek macierzystych nowotworu – tłumaczy dr Anna Szewczyk z Wydziału Farmaceutycznego UMW.
Wapń dodany z zewnątrz… utrzymywał ekspresję CD133. To paradoks, który zaskoczył naukowców. Wygląda na to, że wapń działa jak podwójny agent – z jednej strony zaburza homeostazę komórki, z drugiej chroni jej „tożsamość macierzystą”.
– Planujemy kontynuować badania w tym kierunku, analizując nie tylko ekspresję CD133, ale również zachowanie innych markerów komórek nowotworowych, ich zdolność do odnowy oraz tworzenia kolonii po zastosowaniu zarówno CaEP, jak i nsEP – zapowiada badaczka.
Dlaczego wapń chroni „rdzeń nowotworu”? Podejrzewa się, że to efekt jego interakcji z mitochondriami. Komórki CD133+ mają wyspecjalizowany system ochrony przed stresem oksydacyjnym i mogą wykorzystywać wapń do podtrzymywania swojej funkcji. To fascynujące i zarazem niepokojące – ale również daje nowe tropy do badań nad bardziej precyzyjnym atakiem na CSC.
Od laboratorium do szpitala
Skuteczność nowej terapii nie opiera się na drogich lekach, lecz na prostych środkach: soli wapnia i krótkich impulsach elektrycznych. Całość można by nazwać „elektrycznym uderzeniem w raka” – technika polega przecież na sterowaniu parametrami impulsu: długością, częstotliwością, napięciem. Nanosekundowy impuls zmienia biologię komórki szybciej, niż ona sama zdąży zareagować. To jak wysłać mikrokomendę do zresetowania chorego systemu.
Wyniki in vitro stanowią bardzo obiecujący punkt wyjścia, ale – jak podkreślają badacze – mają swoje naturalne ograniczenia. Mikrośrodowisko guza, wpływ układu odpornościowego oraz interakcje międzykomórkowe obecne w żywym organizmie mogą znacząco zmienić reakcję na terapię. Naukowcy dążą do wprowadzenia elektroporacji wapniowej do praktyki klinicznej. W tym celu współpracują m.in. z weterynarzami z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, testując bezpieczeństwo i skuteczność CaEP u zwierząt. Już w 2019 roku udało się zastosować tę terapię w leczeniu pacjentów z rakiem trzustki. Było to możliwe dzięki projektowi finansowanemu przez Agencję Badań Medycznych.
– Wyniki są bardzo obiecujące, jednak konieczne są dalsze badania na rozszerzonej grupie pacjentów, aby potwierdzić skuteczność i bezpieczeństwo tej metody w warunkach klinicznych – zaznacza dr Szewczyk.
Wyniki badań ukazały się na łamach czasopisma „Biological Research”.
źródło: UMW