Z elektroporacijo do cenejše in bolj varne metode genskega zdravljenja nalezljivih bolezni

Raziskovalci Laboratorija za biokibernetiko na ljubljanski fakulteti za elektrotehniko se že zadnjih 25 let ukvarjajo s pojavom, ki se mu reče elektroporacija. Do elektroporacije pride, ko celico izpostavimo električnim pulzom, zaradi česar pride do začasnih sprememb v membrani ter povečane prepustnosti membrane za molekule, ki sicer skozi membrano ne prehajajo.

V laboratoriju, ki ga vodi Damijan Miklavčič in ima eno vodilnih raziskovalnih skupin na področju elektroporacije na svetu, so se v zadnjih 20 letih osredotočili predvsem na povečanje učinkovitosti nekaterih kemoterapevtikov za zdravljenje raka s pomočjo elektroporacije ter bili eni izmed prvih na svetu, ki so to metodo, poimenovano elektrokemoterapija, v sodelovanju z biologi in zdravniki na Onkološkem inštitutu v Ljubljani uspeli vpeljati tudi v kliniko.

Poleg kemoterapevtikov pa lahko v celice s pomočjo elektroporacije spravijo tudi bistveno večje molekule, kot je denimo DNK. Temu področju so se v laboratoriju posvetili predvsem v zadnjem času, med drugim tudi zaradi izkazanega velikega interesa biotehnoloških podjetij iz tujine. "Kar ta podjetja iščejo, je znanje, ki smo ga v laboratoriju gradili zadnjih 25 let," je prepričan Miklavčič.

Sodelovanje z ameriškim podjetjem RenBio na področju genskega prenosa DNK

Leta 2015 so v laboratoriju začeli sodelovati z ameriškim biotehnološkim podjetjem RenBio iz New Yorka, ki ga je pred nekaj leti ustanovil David Ho, eden vodilnih raziskovalcev aidsa v 90. letih. Med drugim je prejemnik 13 častnih doktoratov, leta 1996 ga je revija Time izbrala za osebnost leta, leta 2001 pa mu je ameriški predsednik Bill Clinton podelil predsednikovo nagrado Presidential Medal.

V RenBio se ukvarjajo z genskim prenosom protiteles za obrambo proti virusom v celice, metodo, s katero v celice vnesejo DNK, ki nosi genski zapis za izdelavo protiteles. Metoda predstavlja alternativo zdravljenju z monoklonskimi protitelesi oziroma biološkimi zdravili, ki so sicer zelo učinkovita pri zagotavljanju imunosti proti nalezljivim boleznim, vendar pa je njihova proizvodnja izredno zamudna in draga.

Raziskovalci pod vodstvom Davida Hoja so se zato lotili razvoja nove metode genskega prenosa protiteles, ki predstavlja učinkovito bližnjico. V laboratoriju tako izdelajo konstrukt DNK, ki celici daje navodilo, da proizvaja protitelesa proti eboli ali gripi.

Proizvodnja DNK je namreč veliko cenejša in preprostejša od proizvodnje monoklonskih protiteles. Genski prenos protiteles zahteva tudi manjše število aplikacij, saj v celično jedro vnesena DNK omogoči tedne trajajoče nastajanje in izplavljanje protiteles v človeškem telesu.

Ključen je prenos DNK v celico

Ključen korak pri metodi genskega prenosa protiteles je vnos DNK v celice, za kar se pogosto uporablja viruse, kar pa ima številne varnostne omejitve. Rešitev za prenos DNK v celice je več, za eno najbolj varnih in učinkovitih pa velja elektroporacija, za katero so se odločili tudi v podjetju RenBio ter k sodelovanju povabili ekipo z ljubljanske fakultete.

Zdravljenje z genskim prenosom DNK v celico z elektroporacijo je že bilo uspešno na miših z virusi ebole ter gripe, medtem ko raziskovalci te metode še niso uspeli uporabiti pri človeku. "Miška je majhna, zato tisto, kar se da narediti pri miški, ni nujno, da je mogoče tudi pri človeku. Če pa gremo preračunavati, koliko DNK moramo vnesti v celice človeka ter koliko proteinov potrebujemo za učinkovito terapijo, se izračun ne izide," je dejal Miklavčič.

Za strokovno pomoč pri prenosu te metode iz živali na človeka so zato v RenBio k sodelovanju povabili laboratorij za biokibernetiko, ki ima po mnenju Davida Hoja znanje, ki ga potrebujejo za uresničevanje svojih ambicij.

Pri iskanju načinov, kako zagotoviti prehod z majhnih živali na velike ter na človeka, so še na začetku, pravi Miklavčič. Predvideva pa, da bi v dveh letih skupaj z raziskovalci iz RenBio morali priti do rezultatov, ki bodo omogočali prehod v klinično študijo.

Če bi jim to uspelo, bi bilo zdravljenje ne le nalezljivih boleznih, temveč tudi rakavih in imunskih vnetnih bolezni, kot so revmatoidni artritis, luskavica, Crohnova bolezen, multipla skleroza, veliko hitrejše, učinkovito in bolj varno kot zdravljenje z monoklonskimi protitelesi pridobljenimi oz. izdelanimi po sedaj znanih metodah in so tudi zaradi tega ena najdražjih zdravil v sodobni medicini.

Četrtletje razvoja in izkušenj

V Laboratoriju za biokibernetiko, ki ga sestavlja izrazito interdisciplinarna ekipa približno 20 raziskovalcev, se ukvarjajo tako s poskusi kot tudi razvojem aparatov in modelov.

Elektroporacijo preučujejo na več ravneh biološke kompleksnosti, od membrane in celic do tkiv. Poleg tega pa kot inženirji znajo razvijati tudi svoje aparate, ki jim rečejo elektroporatorji. "Naredimo takega, kot hočemo, ne takega, kot ga lahko kupimo, saj imajo ti številne omejitve, zaradi česar imamo veliko prednost pred drugimi skupinami v svetu," je povedal Miklavčič.

Tretje področje, s katerim se ukvarjajo kot inženirji, pa je matematično modeliranje procesov, ki se dogajajo na ravni membrane, ter na ta način preverjanje, ali ti modeli zares opisujejo procese dovolj dobro. "Ko enkrat poznamo procese in imamo matematični zapis, pa pride tisto, kar je za biotehnološka podjetja sedaj najbolj interesantno - optimizacija procesa, razvoj elektrod in njihova postavitev."

Podjetja, ki so zainteresirana za njihovo delo, pretežno prihajajo iz ZDA, "ker tam veliko vlagajo in cenijo znanje," je prepričan Miklavčič. "Nekoliko manj ga cenijo v Evropi, še najmanj pa slovensko znanje cenijo slovenska podjetja, ki pričakujejo, da naše znanje dobijo bodisi zastonj ali pa da država na nek način sofinancira njihov razvoj."

Med njihovimi partnerji so (ali so bila) med drugim L'Oreal, RenBio, PulseBiosciences, IGEA, Medtronic, Jafral, pa tudi slovensko podjetje Iskramedical.