Badania naukowców z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu – dr Anny Szewczyk, dr Niny Rembiałkowskiej, prof. Jolanty Saczko i prof. Julity Kulbackiej – przeprowadzone we współpracy z zespołem z Uniwersytetu Wileńskiego i Uniwersytetu Wrocławskiego, wskazują na potencjał terapii, która łączy krótkie impulsy elektryczne z wapniem w walce z opornym rakiem jelita grubego. Nowa metoda nie tylko zabija komórki nowotworowe, ale także osłabia ich „komórki macierzyste” i budzi układ odpornościowy. To jedna z obiecujących ścieżek terapeutycznych w onkologii.

Wstrząs dla komórek nowotworowych : podcast

Kliknij, by posłuchać!

Wapń pod napięciem

Od dawna wiadomo, że prąd może robić niezwykłe rzeczy z komórkami – otwierać ich błony, ułatwiać transport leków, a nawet niszczyć nowotwory. Ale naukowcy z Wrocławia i Wilna poszli o krok dalej. Ich broń? Błyskawiczny impuls elektryczny o długości nanosekundy i... jon 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, pierwsza autorka badania. – 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 dr Szewczyk.

W badaniach opisanych w artykule Calcium electroporation induces stress response through upregulation of HSP27, HSP70, aspartate β-hydroxylase, and CD133 in human colon cancer cells opublikowanych w czasopiśmie Biological Research grupy wydawniczej Springer Nature, naukowcy 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.

Wyniki 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

Różnica między impulsami mikrosekundowym na nanosekundowym? Kluczowa. Podczas gdy mikrosekundowe impulsy oddziałują głównie na błonę komórkową, impulsy nanosekundowe 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.

Jedna broń, trzy cele

Terapia oparta na nsCaEP działa potrójnie:

Po pierwsze – niszczy komórki nowotworowe.

Po drugie – osłabia komórki rakowe o cechach komórek macierzystych (tzw. CSC), odpowiedzialne za nawroty choroby i oporność na leczenie.

Po trzecie – aktywuje układ odpornościowy.

Eksperymenty wykazały, że po nsCaEP gwałtownie wzrasta ekspresja białek szoku cieplnego – HSP27 i HSP70. Te białka, poza funkcją ochronną, działają jak sygnały alarmowe – przyciągają komórki odpornościowe do miejsca uszkodzenia. Dodatkowo obserwowano zwiększoną obecność białka DEDD, które aktywuje ścieżki śmierci komórkowej, w tym apoptozę.

To sugeruje, 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 Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu poziom markera CD133 – charakterystycznego dla CSC – wyraźnie spadał po zastosowaniu nsEP bez wapnia.

– W naszym badaniu 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 – mówi dr Anna Szewczyk.

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.

Zderzenie dwóch światów: elektryczność i biologia

W tej historii najbardziej fascynujące jest to, że skuteczność 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.

Od laboratorium do szpitala

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.

– Znanym i szeroko przyjętym schematem postępowania po uzyskaniu pozytywnych wyników in vitro jest przejście do badań in vivo na modelu zwierzęcym, a w dalszej perspektywie – opracowanie pilotażowych badań klinicznych z udziałem pacjentów – tłumaczy dr Anna Szewczyk.

Wrocławski zespół aktywnie działa w kierunku translacji badań nad elektroporacją wapniową (CaEP) do praktyki klinicznej. W tym celu naukowcy współpracują m.in. z weterynarzami z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, testując bezpieczeństwo i skuteczność CaEP u zwierząt. Już w 2019 roku, dzięki wspólnemu wysiłkowi Katedry i Zakładu Biologii Molekularnej i Komórkowej, kierowanego przez prof. Julitę Kulbacką, oraz zespołu prof. Wojciecha Kielana z Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego we Wrocławiu, udało się zastosować CaEP zgodnie ze standardem ESOPE (European Standard Operating Procedures of Electrochemotherapy) w leczeniu pacjentów z rakiem trzustki.

Było to możliwe dzięki projektowi finansowanemu przez Agencję Badań Medycznych. Co istotne, badanie to zostało oficjalnie zarejestrowane w międzynarodowej bazie ClinicalTrials.gov, co otwiera drogę do dalszych, bardziej zaawansowanych etapów oceny tej terapii.

– Wyniki są bardzo obiecujące – mówi dr Szewczyk – jednak konieczne są dalsze badania na rozszerzonej grupie pacjentów, aby potwierdzić skuteczność i bezpieczeństwo tej metody w warunkach klinicznych.

Czy to przełom, na który czekamy?

Choć badania przeprowadzono na liniach komórkowych w laboratorium, ich wyniki są niezwykle obiecujące. Połączenie impulsów elektrycznych z jonami wapnia może stać się tanią, selektywną i skuteczną metodą walki z nowotworami – także tymi, które opierają się klasycznej terapii.

Na przeszkodzie stoją jednak liczne pytania. Jak ustalić idealne parametry impulsu dla danego typu nowotworu? Czy reakcja obserwowana w laboratorium powtórzy się w organizmie człowieka? Jak uniknąć efektów ubocznych? A przede wszystkim – jak okiełznać wpływ terapii na komórki macierzyste nowotworu?

Jedno jest pewne: nowotwory nie lubią być zaskakiwane. A nanosekundowy impuls z dodatkiem wapnia to dla nich bardzo niemiła niespodzianka. Nie tabletki. Nie chemia. Nie skalpel. Tylko wapń. I impuls elektryczny.

D. Sikora

FAQ: Wstrząs dla komórek nowotworowych

Czym jest elektroporacja wapnia (CaEP) i jak działa w leczeniu raka?

Elektroporacja wapnia (CaEP) to metoda leczenia raka, która łączy wykorzystanie impulsów elektrycznych (elektroporacja) z dostarczaniem jonów wapnia do komórek nowotworowych. Elektroporacja tymczasowo permeabilizuje błonę komórkową poprzez tworzenie porów, umożliwiając szybki napływ zewnątrzkomórkowych jonów wapnia do komórek. Ten nagły wzrost wewnątrzkomórkowego wapnia zaburza normalną homeostazę wapnia, przeciążając mitochondria i wyczerpując ATP (adenozynotrójfosforan), co ostatecznie wyzwala różne szlaki śmierci komórkowej w komórkach nowotworowych.

Jak CaEP wpływa na poziom reaktywnych form tlenu (ROS) i metabolizm energetyczny w komórkach nowotworowych?

Badanie wykazało, że nanosekundowa elektroporacja (nsEP), zarówno z wapniem, jak i bez niego, znacząco podniosła poziom reaktywnych form tlenu (ROS) w komórkach nowotworowych (około 5-krotny wzrost). Ten wzrost ROS korelował ze spadkiem produkcji ATP i wskazywał na dysfunkcję mitochondriów. Mikrosekundowe CaEP (µsCaEP) i nsEP (z wapniem lub bez) spowodowały znaczny spadek poziomu ATP w liniach komórek nowotworowych, co sugeruje, że zakłócenie produkcji energii jest kluczowym mechanizmem cytotoksycznego działania CaEP.

Jak CaEP wpływa na ekspresję białek szoku cieplnego (HSP) w komórkach nowotworowych?

Elektroporacja wapniowa, zwłaszcza w połączeniu z impulsami nanosekundowymi (nsCaEP), doprowadziła do zwiększonej ekspresji białek szoku cieplnego HSP27 i HSP70 w liniach komórkowych raka jelita grubego. HSP są zwykle wytwarzane w odpowiedzi na stres komórkowy i mogą odgrywać rolę zarówno w ochronie komórek, jak i aktywacji odpowiedzi immunologicznej. Nadekspresja HSP po CaEP sugeruje, że leczenie indukuje stres w komórkach nowotworowych i może potencjalnie stymulować przeciwnowotworową odpowiedź immunologiczną, działając jako wzorce molekularne związane z uszkodzeniami (DAMP) po uwolnieniu pozakomórkowym.

W jaki sposób CaEP wpływa na ekspresję i lokalizację białka wiążącego DNA zawierającego domenę efektorową śmierci (DEDD)?

Badanie wykazało, że ekspresja białka wiążącego DNA zawierającego domenę efektorową śmierci (DEDD), które jest związane z apoptozą, była znacznie podwyższona w komórkach nowotworowych leczonych CaEP, zwłaszcza po nanosekundowym CaEP (nsCaEP). Co więcej, lokalizacja DEDD różniła się w zależności od rodzaju elektroporacji. Po µsEP, DEDD był głównie cytoplazmatyczny, podczas gdy po nsCaEP, znajdował się głównie w jądrze. Ta jądrowa translokacja DEDD korelowała ze zmniejszeniem bioaktywności komórkowej, sugerując jej rolę w pośredniczeniu w szlakach śmierci komórkowej aktywowanych przez nsCaEP.

Jakie są różnice między elektroporacją mikrosekundową (µsEP) i nanosekundową (nsEP) w kontekście CaEP?

Podstawowa różnica polega na poziomie penetracji komórek. Elektroporacja mikrosekundowa (µsEP) wpływa głównie na zewnętrzną błonę komórkową, ułatwiając przedostawanie się wapnia ze środowiska zewnątrzkomórkowego. Elektroporacja nanosekundowa (nsEP), z drugiej strony, może również permeabilizować organelle wewnątrzkomórkowe, w tym retikulum endoplazmatyczne (ER). Dzięki temu nsEP może potencjalnie zakłócać zapasy wapnia w ER i wyzwalać uwalnianie wapnia indukowane wapniem, prowadząc do wyraźniejszego wzrostu poziomu wapnia cytozolowego i potencjalnie bardziej skutecznej śmierci komórki. Badanie wykazało, że nsEP jest ogólnie bardziej skuteczny niż µsEP w zmniejszaniu żywotności komórek rakowych i wywoływaniu stresu oksydacyjnego.

Jaką rolę odgrywa asparaginian-β-hydroksylaza (ASPH) w komórkach nowotworowych poddanych działaniu CaEP?

Asparaginian-β-hydroksylaza (ASPH) jest białkiem zaangażowanym w homeostazę wapnia i często ulega nadekspresji w komórkach nowotworowych. Badanie wykazało, że CaEP, w szczególności nsEP, spowodował znaczny wzrost ekspresji ASPH w lekoopornych komórkach raka jelita grubego (LoVo Dx). Ponadto stwierdzono, że ASPH jest silnie związany z mitochondriami zarówno we wrażliwych (LoVo), jak i lekoopornych komórkach nowotworowych po leczeniu CaEP, co sugeruje, że regulacja ASPH jest związana z zaburzeniami mitochondrialnymi wywołanymi przez nsEP lub CaEP.

Jaki jest wpływ CaEP na nowotworowe komórki macierzyste (CSC), na co wskazuje marker CD133?

Elektroporacja nanosekundowa (nsEP) bez dodatku wapnia drastycznie zmniejszyła ekspresję CD133, markera nowotworowych komórek macierzystych (CSC), sugerując, że nsEP może być skuteczny w zwalczaniu tej subpopulacji komórek znanych z oporności na leki i nawrotów nowotworu. Co ciekawe, dodanie wapnia podczas nsEP wydawało się zachowywać ekspresję CD133, wskazując na złożoną interakcję między napływem wapnia a markerami CSC, która wymaga dalszych badań w celu zrozumienia implikacji dla celowania w CSC.

Czy CaEP jest obiecującym rozwiązaniem w porównaniu z istniejącymi strategiami leczenia raka jelita grubego?

Wyniki tego badania sugerują, że nanosekundowa elektroporacja wapnia (nsCaEP) jest obiecująca jako innowacyjna strategia leczenia raka jelita grubego, w tym form opornych na leki. Wykazała ona wyższą skuteczność w porównaniu do mikrosekundowej CaEP w zakłócaniu żywotności komórek nowotworowych, zwiększaniu stresu oksydacyjnego i wywoływaniu potencjalnych odpowiedzi immunologicznych. Co więcej, zdolność nsEP do zmniejszania markera CSC CD133 sugeruje potencjał do celowania w populację komórek macierzystych krytycznych dla nawrotu guza. Chociaż potrzebne są dalsze badania, aby w pełni wyjaśnić podstawowe mechanizmy i zoptymalizować protokoły, nsCaEP wydaje się być obiecującym podejściem do zwiększania skuteczności leczenia raka.