Wyobraźmy sobie, że mamy niezwykle skuteczne lekarstwo, ale jego użycie przypomina strzelanie z armaty do wróbla. Niszczy cel, ale przy okazji rani zdrowe komórki. Czy da się je dostarczyć bezpiecznie i precyzyjnie – jak chirurgiczny snajper? Naukowcy z Wrocławia właśnie pokazali, że tak. Ich tajna broń to prąd.

Co to jest jasplakinolid?

Zacznijmy od substancji o trudnej nazwie – jasplakinolid. To naturalny związek chemiczny, pozyskiwany z morskich gąbek z rejonów Pacyfiku. W świecie komórek jasplakinolid jest jak generał reorganizujący armię: wpływa na tzw. cytoszkielet – wewnętrzny szkielet komórek zbudowany z aktyny. Stabilizuje włókna F-aktyny i zaburza naturalne procesy przemieszczania się, dzielenia i wzrostu komórek dla nowotworów oznacza to śmierć. Ale problem w tym, że lek działa na wszystkie komórki, również zdrowe.

– Jasplakinolid, który działa jako stabilizator filamentów aktynowych, rzeczywiście może być skuteczny w leczeniu nowotworów, które charakteryzują się silnie rozwiniętym cytoszkieletem – tłumaczy dr Anna Szewczyk. – To może być szczególnie ważne w przypadkach nowotworów z wysoką inwazyjnością, takich jak rak piersi, rak płuca czy glejaki, gdzie cytoszkielet odgrywa kluczową rolę w procesach rozprzestrzeniania się komórek rakowych – mówi dr Szewczyk.

Mięsak prążkowanokomórkowy – wróg w cieniu

Mięsak prążkowanokomórkowy (rhabdomyosarcoma, RMS) to rzadki, ale agresywny nowotwór mięśni poprzecznie prążkowanych. Najczęściej atakuje dzieci w wieku 1–10 lat, rozwijając się w głowie, szyi, narządach płciowych lub kończynach. Jest to najczęstszy mięsak tkanek miękkich u dzieci i młodzieży, stanowiąc około 50% wszystkich mięsaków tej grupy wiekowej. Standardowe leczenie – chemioterapia, radioterapia i operacje – bywa skuteczne, ale nie zawsze i nie bez skutków ubocznych.

To właśnie RMS był głównym celem badania przeprowadzonego przez zespół pod kierownictwem dr Anny Szewczyk z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu.

lek. Wojciech Szlasa, prof. Julita Kulbacka, dr Anna Szewczyk

lek. Wojciech Szlasa, prof. Julita Kulbacka, dr Anna Szewczyk

Ich pomysł? Zastosować jasplakinolid, ale tylko tam, gdzie potrzeba. Tu na scenę wkracza elektroporacja.

Elektroporacja – otwieranie komórek prądem

Elektroporacja (ang. electroporation, EP) to technika znana biologom molekularnym i inżynierom biomedycznym. Polega na przykładaniu krótkich, kontrolowanych impulsów elektrycznych do komórek, co tymczasowo "rozszerza" ich błony komórkowe. To trochę jak szybkie uchylenie drzwi do cytoplazmy – przez te drzwi mogą wtedy wniknąć leki, geny czy inne cząsteczki.

– W naszym zespole sprawdzamy różne metody, które wspomagają selektywne dostarczanie leku do komórek nowotworowych – mówi prof. Julita Kulbacka – Badamy kilka innych technologii umożliwiających celowane dostarczanie leków, m.in. nanonośniki – od liposomów i nanocząstek polimerowych po inteligentne nośniki białkowe. Pracujemy też nad sonoporacją, magnetoporacją, a nawet terapią fotodynamiczną. Ale PEF (ang. Pulsed Electric Field) jest dziś technologią najbardziej zaawansowaną klinicznie, z ponad 20-letnim doświadczeniem w elektrochemioterapii – wskazuje.

Dlaczego naukowcy tak chętnie sięgają po elektroporację?

Przede wszystkim dlatego, że to metoda już dobrze znana i stosowana – nie trzeba budować jej od zera. Urządzenia generujące impulsy oraz elektrody są zatwierdzone do badań klinicznych, a sama procedura elektrochemioterapii ma za sobą ponad dwie dekady doświadczeń w leczeniu pacjentów. To daje solidne podstawy.

Po drugie – i równie ważne – elektroporacja działa skutecznie i przewidywalnie. Impulsy otwierają błonę komórkową tylko na chwilę, pozwalając lekom dostać się do środka, po czym błona się „zamyka”. Co istotne, zdrowe komórki są dużo mniej wrażliwe na ten proces niż nowotworowe – to ogromna zaleta w terapii miejscowej.

I jeszcze jedno – elektroporację można łatwo połączyć z innymi nowoczesnymi rozwiązaniami, jak np. nanonośniki leków. Dzięki temu nie trzeba wybierać jednej ścieżki – można je łączyć i tworzyć terapie „szyte na miarę”, z metodą jako sprawdzonym punktem wyjścia.

Precyzja na poziomie komórki: Podcast

Kliknij, by posłuchać!

Kombinacja doskonała – jasplakinolid + prąd

W badaniach użyto trzech linii komórkowych: RD (komórki nowotworowe RMS), CHO-K1 (komórki jajnika chomika) i C2C12 (komórki mięśniowe myszy). Dzięki temu można było porównać, jak działa terapia na komórki nowotworowe i zdrowe.

Immunofluorescencyjna wizualizacja wimentyny w złośliwej linii komórkowej po elektroporacji z zastosowaniem jasplakinolidu.

Wyniki wyraźnie wskazują, że połączenie jasplakinolidu z impulsami elektrycznymi dramatycznie zmniejszało przeżywalność komórek nowotworowych, jednocześnie niemal nie wpływając na zdrowe komórki. Na poziomie mikroskopowym widać było “rozpad” ich cytoszkieletu – jakby wewnętrzne rusztowanie się zapadło.

– Zaobserwowaliśmy także zmiany w ekspresji pan-kadheryny, która odpowiada za przyleganie komórek” – dodaje dr Szewczyk. – Fragmentacja kadheryn może oznaczać utratę zdolności do tworzenia połączeń międzykomórkowych, co osłabia zdolność guza do przerzutowania.

Co to oznacza dla chorych?

To nie jest jeszcze kombinacja, która trafi do szpitalnych sal. Ale wyniki wskazują nowe strategie leczenia nowotworów dziecięcych. Zamiast ogólnoustrojowej chemioterapii, która uszkadza również zdrowe komórki, moglibyśmy stosować precyzyjne, miejscowe aplikacje leków wspomagane impulsami elektrycznymi.

– Elektroporacja stanowi uniwersalną platformę do dostarczania różnych cząsteczek – od klasycznych cytostatyków, przez RNA/siRNA, po białka i przeciwciała stosowane w immunoterapii – wyjaśnia Wojciech Szlasa. – Szczególne nadzieje budzi możliwość miejscowego podania leków immunomodulujących, jak inhibitory punktów kontrolnych czy cytokiny, co może zmniejszyć ich toksyczność ogólnoustrojową. Trwają również badania nad integracją PEF z terapiami genowymi – np. w celu wprowadzenia receptorów CAR do komórek T bez konieczności użycia wirusów.

Czy to bezpieczne?

Tak, ale z zastrzeżeniem: badania przeprowadzono na ten moment w warunkach in vitro. Kolejne etapy to testy na zwierzętach, a dopiero potem – potencjalnie – próby kliniczne u ludzi.

W warunkach laboratoryjnych wszystko jest przewidywalne – badacze dokładnie wiedzą, jakie komórki poddają działaniu impulsów elektrycznych i mogą kontrolować niemal każdy parametr. Ale ciało człowieka – a zwłaszcza dziecka – to zupełnie inna historia. U młodych pacjentów trzeba uwzględnić całe spektrum zmiennych: od specyfiki tkanki nowotworowej i jej otoczenia, przez indywidualną anatomię, aż po to, jak organizm reaguje na leki. Nawet coś tak pozornie prostego jak przewodnictwo elektryczne może się różnić w zależności od lokalizacji guza czy nawodnienia tkanek.

– Największym wyzwaniem w translacji metody elektroporacji z modelu in vitro do zastosowania klinicznego – zwłaszcza u dzieci – jest złożoność ludzkiego organizmu, której nie oddają modele laboratoryjne – wyjaśnia dr Anna Szewczyk. – W organizmie dziecka musimy brać pod uwagę szereg dodatkowych czynników: mikrośrodowisko guza, przewodnictwo tkanek, anatomię pacjenta, a nawet konieczność znieczulenia ogólnego.

Nie bez znaczenia jest też to, jak dzieci metabolizują leki – ich organizm działa inaczej niż dorosłego, co wpływa na skuteczność i bezpieczeństwo terapii. I wreszcie – mięsak prążkowanokomórkowy to rzadki nowotwór, więc trudno o duże badania kliniczne. A bez danych z szerokich, randomizowanych prób nie da się łatwo wprowadzić nowej metody do praktyki klinicznej. To wszystko sprawia, że choć elektroporacja wygląda bardzo obiecująco, jej droga do dziecięcej onkologii musi być przemyślana, ostrożna i dobrze udokumentowana.

Modele 3D i immunoterapia – przyszłość terapii celowanych

Ważnym krokiem w kierunku wdrożenia terapii do kliniki są również nowe modele badań.

– Chcemy odejść od uproszczonych układów hodowli dwuwymiarowej – mówi Wojciech Szlasa. – Dlatego rozwijamy modele 3D, które lepiej naśladują architekturę i zachowanie rzeczywistych guzów. Sferoidy nowotworowe pozwalają badać, jak zmienia się skuteczność terapii w różnych warunkach mikrośrodowiska – tłumaczy.

Jednocześnie badacze analizują możliwość połączenia elektroporacji z immunoterapią – np. lokalnego podania cytokin lub inhibitorów punktów kontrolnych. To rozwiązanie, które nie tylko może poprawić skuteczność terapii, ale też zminimalizować skutki uboczne, ograniczając działanie leków wyłącznie do miejsca guza.

– Patrząc na perspektywy najbliższych dziesięciu lat, spodziewamy się kilku kluczowych kierunków rozwoju – przewiduje prof. Kulbacka – Po pierwsze, terapie precyzyjne i spersonalizowane, czyli łączenie kilku bioelektrochemicznych technik w jednym protokole – od klasycznej elektrochemioterapii po nieodwracalną elektroporację i ablacje plazmowe – tak aby dobrać idealną kombinację impulsu, leku i dawki immunomodulatora dla konkretnego pacjenta. Po drugie, dzięki coraz bardziej precyzyjnym elektrodom dotrzemy do guzów głębokich, które dziś są poza zasięgiem noża chirurga czy promieniowania – wskazuje.

Kolejny kierunek to miniaturyzacja – nowe, elastyczne i precyzyjne systemy dostarczania impulsu mają umożliwić terapię nie tylko na sali operacyjnej, ale też w warunkach ambulatoryjnych. Czwarty – to zastosowanie sztucznej inteligencji. – Algorytmy uczenia maszynowego będą w czasie rzeczywistym analizować sygnały z biosensorów i podpowiadać, jak skorygować parametry pola elektrycznego, aby maksymalizować skuteczność, a minimalizować toksyczność – dodaje prof. Kulbacka.

Co to oznacza dla pacjenta? – Przede wszystkim większą precyzję i skuteczność, mniejszą inwazyjność i możliwość pełnej personalizacji terapii. A ponieważ impulsy elektryczne potrafią dodatkowo pobudzić nasz własny układ odpornościowy, spodziewamy się coraz lepszych wyników leczenia.

Dlaczego dzieci potrzebują lepszych metod leczenia?

Bo nowotwory dziecięce, choć rzadkie, są szczególnie trudne do leczenia – organizm dziecka jest w fazie intensywnego rozwoju i bardzo wrażliwy na toksyczne substancje. Terapie precyzyjne, takie jak połączenie leku naturalnego czyli jasplakinolidu z elektroporacją, mogą w przyszłości zastąpić lub uzupełnić chemioterapię, zwiększając szanse na pełne wyleczenie przy mniejszych skutkach ubocznych.

Nowotwory to wciąż jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny. Ale dzięki interdyscyplinarnym badaniom – takim jak te z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu – pojawia się nadzieja na bezpieczniejsze i bardziej celowane metody leczenia.

Jasplakinolid i elektroporacja mogą stać się duetem, który – niczym chirurg i snajper w jednym – celnie trafia w komórki nowotworowe, oszczędzając zdrowe. To science fiction? Być może dziś. Ale jutro – być może standard.

D. Sikora

FAQ: Precyzja na poziomie komórki

Co to jest mięsak prążkowanokomórkowy (RMS)?

Mięsak prążkowanokomórkowy to rzadki i agresywny rodzaj raka tkanek miękkich, który dotyka głównie dzieci i młodzież. Wywodzi się z niedojrzałych komórek mięśni szkieletowych i może pojawić się w różnych częściach ciała. Objawy mogą obejmować bezbolesną masę, obrzęk lub miejscowy ból i mogą się różnić w zależności od lokalizacji guza.

Czym jest jasplakinolid i jak wpływa na komórki?

Jasplakinolid jest naturalnym cyklicznym depsipeptydem wyizolowanym z gąbek morskich. Wykazuje on silne działanie cytotoksyczne (zabijające komórki), szczególnie na poziomie nanomolarnym. Jego główny mechanizm działania polega na zakłócaniu cytoszkieletu aktynowego w komórkach. Promuje polimeryzację F-aktyny i/lub hamuje jej depolimeryzację, co zmienia strukturę i funkcję cytoszkieletu, wpływając na procesy komórkowe, takie jak kształt i ruch.

W jaki sposób elektroporacja zwiększa dostarczanie jasplakinolidu?

Elektroporacja (EP) to technika biofizyczna, która wykorzystuje krótkie impulsy elektryczne do tworzenia tymczasowych porów w błonach komórkowych. Ta przejściowa permeabilizacja pozwala na zwiększony pobór cząsteczek zewnętrznych, w tym środków terapeutycznych, takich jak jasplakinolid, do komórek. Połączenie jasplakinolidu z elektroporacją jest obecnie badane jako metoda poprawy jego ukierunkowanego dostarczania do komórek nowotworowych.

Jakie jest potencjalne znaczenie interakcji jasplakinolidu zarówno z monomeryczną, jak i nitkowatą aktyną?

Badania dokowania obliczeniowego sugerują, że jasplakinolid może oddziaływać zarówno z pojedynczymi jednostkami aktyny (aktyna monomeryczna), jak i ze złożonymi łańcuchami aktyny (aktyna nitkowata). Odkrycie to wskazuje na potencjalny podwójny mechanizm działania jasplakinolidu, obejmujący nie tylko znaną stabilizację filamentów aktyny, ale także interakcje z monomeryczną aktyną. Potrzebne są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć biochemiczne implikacje tego podwójnego trybu wiązania.

Jak zazwyczaj leczy się mięsaka prążkowanokomórkowego?

Leczenie RMS zwykle obejmuje kombinację metod leczenia, w tym zabieg chirurgiczny w celu usunięcia guza, chemioterapię w celu zabicia komórek nowotworowych i radioterapię. Ostatnie postępy badają również terapie celowane i immunoterapie jako obiecujące nowe podejścia.

Dlaczego ukierunkowane dostarczanie jasplakinolidu jest ważne?

Chociaż jasplakinolid wykazał obiecującą aktywność przeciwnowotworową, może on również powodować ogólnoustrojowe skutki uboczne w organizmie. Dlatego też dostarczanie go konkretnie do komórek nowotworowych ma kluczowe znaczenie dla zmaksymalizowania jego wpływu terapeutycznego przy jednoczesnym zminimalizowaniu szkód dla zdrowych tkanek. Takie selektywne dostarczanie może potencjalnie zmniejszyć skutki uboczne związane z jego klinicznym zastosowaniem.

Jakie były kluczowe wyniki badania dotyczącego jasplakinolidu i elektroporacji w komórkach mięsaka prążkowanokomórkowego?

Badanie wykazało, że połączenie jasplakinolidu (JSP) z pulsacyjnym polem elektrycznym (PEF) znacznie wzmocniło cytotoksyczne działanie na komórki mięsaka prążkowanokomórkowego (RD) w porównaniu z każdym z tych zabiegów osobno. To połączone podejście doprowadziło do znaczących zmian w cytoszkielecie, w szczególności do rozerwania włókien aktyny i pan-kadheryny oraz znacznego zmniejszenia żywotności komórek RD. Testowane normalne linie komórkowe wykazywały minimalny wpływ, co sugeruje selektywny wpływ na komórki nowotworowe. W jaki sposób połączenie jasplakinolidu i elektroporacji wpływa na cytoszkielet? Połączenie jasplakinolidu i elektroporacji znacząco zaburza cytoszkielet aktyny we wrażliwych komórkach nowotworowych, takich jak komórki RD, prowadząc do powstawania agregatów aktyny i redukcji włókien naprężeniowych. Wpływa również na inne składniki cytoszkieletu, takie jak pan-kadheryna, potencjalnie prowadząc do destabilizacji połączeń komórka-komórka. Zmiany te mogą upośledzać kluczowe procesy komórkowe, takie jak migracja i adhezja. Normalne komórki mięśniowe (C2C12) wykazywały większą odporność na te zmiany cytoszkieletu.

Materiał powstał na podstawie artykułu:

Optimizing Jasplakinolide delivery in rhabdomyosarcoma cells using pulsed electric fields (PEFs) for enhanced therapeutic impact

Anna Szewczyk, Nina Rembiałkowska, Marta Migocka-Patrzałek, Wojciech Szlasa, Agnieszka Chwiłkowska, Małgorzata Daczewska, Vitalij Novickij, Julita Kulbacka

Bioelectrochemistry

Web. A. Hasiak

Zdjęcia: Tomasz Modrzejewski, freepik.com

www.freepik.com

Precyzja na poziomie komórki

Elektryczne impulsy kontra mięsak prążkowanokomórkowy