Elektryzujące odkrycie może pomóc lekarzom w dostarczaniu skuteczniejszych terapii genowych

Eksperymentalne grupy obejmujące hepatocyty wystawione na różne dawki AAV, AAV* (AAV poddane wstępnie EP), lub plazmidów, z lub bez wystawienia na impuls pola elektrycznego (EP) (ilustracje bez skali). Źródło: PLOS ONE (2024)

Aby usprawnić przeprowadzanie kosztownych zabiegów medycznych, zespół badaczy elektrotechniki na Uniwersytecie Wisconsin–Madison opracował metodę stymulującą, która może sprawić, że organizm ludzki będzie bardziej podatny na niektóre terapie genowe. Naukowcy wystawili komórki wątroby na krótkie impulsy elektryczne, które spowodowały, że te przyjęły ponad 40 razy więcej materiału do terapii genowej w porównaniu z komórkami, które nie były wystawione na działanie pól elektrycznych. Metoda ta może pomóc zmniejszyć dawkę potrzebną do tych zabiegów, czyniąc je znacznie bezpieczniejszymi i bardziej przystępnymi cenowo. Badanie opublikowano w czasopiśmie „Plos One”.

Terapia genowa to obiecująca technologia w medycynie. Zastępując, zmieniając lub wprowadzając nowy materiał genetyczny do komórek pacjenta, lekarze mogą być w stanie wyleczyć lub kompensować za różne choroby genetyczne, w tym mukowiscydozę, niedokrwistość sierpowatokrwinkową, hemofilię i cukrzycę. Jedną z trudności w terapii genowej jest jednak dostarczenie odpowiedniej dawki materiału genetycznego do docelowych komórek. Badania UW-Madison sugerują, że zastosowanie umiarkowanego pola elektrycznego, które nie uszkadzało trwale komórek wystawionych na jego działanie, mogłoby pomóc w stworzeniu skuteczniejszych terapii. Projekt rozpoczął się prawie dekadę temu od Hansa Sollingera, chirurga transplantologa na UW-Madison. 
Opracował on terapię genową cukrzycy typu 1, choroby autoimmunologicznej atakującej trzustkę, narząd produkujący insulinę. 

Strategia leczenia Sollingera polega na dostarczeniu kodu genetycznego do produkcji insuliny komórkom wątroby przy użyciu wirusów związanych z adenowirusami (AAV), które pomagają w transporowaniu genów przez błonę komórkową. Dostarczone DNA może następnie zadomowić się w komórkach wątroby i wytwarzać insulinę bez ataku ze strony układu odpornościowego w trzustce. Chociaż Sollinger miał dowód na to, że terapia zadziałała, twierdził, że przyszłość leczenia zależy od procesu dostarczenia. Zwrócił się do Susan Hagness i Johna Booske, profesorów elektrotechniki i inżynierii komputerowej z UW-Madison, którzy mają doświadczenie w stymulowaniu ludzkich komórek impulsami elektrycznymi. „Zaczęliśmy rozmawiać o lokalnym, ukierunkowanym podaniu i o tym, czy istnieje sposób na dostarczenie DNA do wątroby bez przepuszczania go przez całe ciało i prowokowania układu odpornościowego”, mówi Hagness. „I czy moglibyśmy użyć impulsów elektrycznych, aby zwiększyć wydajność procesu oraz zmniejszyć konieczną dawkę”.

Naukowcy wcześniej odkryli, że wystawianie komórek na działanie pól elektrycznych może dać cząsteczkom większą zdolność przemieszczania się przez błonę komórkową do wnętrza komórki. Tak więc w tym najnowszym badaniu doktorantka Yizhou Yao starała się ustalić, czy ta technika zwiększy przenikanie cząstek wirusa do komórek wątroby. Yao poddała ludzkie komórki nowotworu wątrobowo-komórkowego, modelowy system badania wątroby, różnym stężeniom cząstek wirusa do terapii genowej zawierającym fluorescencyjne zielone białko. Użyła pary elektrod, aby dostarczyć 80-milisekundowy impuls elektryczny do niektórych próbek, a potem inkubowała wszystkie komórki przez 12 godzin. Kiedy zbadała wyniki 48 godzin później pod mikroskopem fluorescencyjnym, Yao odkryła, że tylko niewielki odsetek komórek, które nie otrzymały impulsów elektrycznych, świecił na zielono. W przeciwieństwie do nich, komórki, które otrzymały impuls, zgromadziły około 40 razy więcej zielonego fluorescencyjnego białka dostarczonego przez wirusy.

Chociaż wyniki dostarczyły przekonujących dowodów na to, że impulsy ułatwiły przenikanie wirusa do komórki, Booske twierdzi, że zespół nie odkrył jeszcze dokładnie, jak działa ten proces na poziomie molekularnym. „Jest wystarczająco dużo informacji na temat impulsów elektrycznych, abyśmy mogli z przekonaniem stwierdzić, że otwierają one nanopory w błonie komórkowej”, oznajmia. „Ale potem Yao uzyskała ten niezwykły wynik i dotarło do nas, że cząstki wirusa są ogólnie większe i bardziej złożone niż nagie cząstki molekularne i mają już swój własny sposób na dostanie się do wnętrza komórek. Zatem tak naprawdę nie wiemy, czy otwieranie porów ma z tym jakikolwiek bezpośredni czy pośredni związek”. Sollinger zmarł w maju 2023 roku, ale zespół twierdzi, że jego dziedzictwo będzie żyć dzięki trwającym badaniom nad tym projektem i pracy innych grup. 

Naukowcy zajmujący się elektrotechniką podejmują kolejne kroki i są przekonani, że ostatecznie technika ta przejdzie do badań klinicznych. Yao, która ukończy studia w 2024 roku, mówi, że wiedziała, że badanie będzie transdyscyplinarne, ale nie zdawała sobie sprawy, jak daleko to zajdzie. „Z wykształcenia jestem inżynierem elektrykiem i nie mam wykształcenia w zakresie biologii”, mówi. „Wcześniej ostatni raz używałam mikroskopu w liceum. Musiałam szybko nauczyć się hodować komórki i wykonywać biologiczne protokoły. Ale naprawdę podobał mi się ten projekt i jego cel, którem jest uczynienie świata lepszym miejscem.” Inni autorzy to między innymi Robert W. Holdcraft z Cincinnati Children's Hospital Medical Center.