Napromieniowanie: egzosomy nadzieją na skuteczne leczenie

W 2005 r. w szpitalu w Épinal we Francji 24 osoby leczone na raka prostaty doznały poważnych stanów zapalnych odbytnicy i pęcherza moczowego. Odkryto, że podczas leczenia zostały narażone na nadmierną dawkę promieniowania jonizującego. Dokładne śledztwo wykazało, że podobne przypadki zdarzyły się w ciągu 20 lat poprzedzających rok 2005. W sumie ponad 5 tys. pacjentów poddawanych radioterapii ucierpiało z powodu różnych awarii technicznych i błędów ludzkich. Dla najbardziej dotkniętych konwencjonalne metody leczenia okazały się niewystarczające. Sprawa była na tyle poważna, że francuski minister zdrowia zwrócił się do Instytutu Ochrony Radiologicznej i Bezpieczeństwa Jądrowego (IRSN od fr. Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) o wsparcie w pomocy poszkodowanym. Naukowcy z IRSN szybko zaproponowali nową strategię terapeutyczną opartą na wykorzystaniu komórek macierzystych. Już w 2006 r. czterech pacjentów szpitala w Épinal poddano leczeniu komórkami macierzystymi pobranymi od dawcy. Terapia przyniosła spektakularne rezultaty, dając nadzieję innym poszkodowanym. I nie tylko... W tym samym roku dwie ofiary wypadków przemysłowych z ciężkimi uszkodzeniami skóry również zostały poddane terapii komórkowej. Efekty były imponujące, a pacjenci nie tylko uniknęli amputacji, ale również odzyskali sprawność uszkodzonych kończyn. Od tego czasu dziesiątki ofiar silnego napromieniowania po wypadkach przemysłowych zostały wyleczone dzięki takiej terapii. Obecnie inne zespoły na świecie, jak w Korei, Argentynie czy Chile, próbują podążać tą ścieżką, lecz doświadczenie IRSN jest niepowtarzalne.

Komórki kameleony

Szybka reakcja naukowców z IRSN była możliwa dzięki ich wcześniejszym badaniom nad komórkami macierzystymi. Już na początku XXI w. potwierdzili ich skuteczność w licznych eksperymentach przedklinicznych na szczurach i myszach, a w 2013 r. także na świniach. Celem naukowców było opracowanie metod, które mogłyby być powszechnie stosowane w szpitalach do leczenia jak największej liczby pacjentów, w tym tych, którzy doświadczyli napromieniowania całego ciała. Nasilenie syndromów zależy bowiem od rodzaju promieniowania jonizującego, czasu ekspozycji, otrzymanej dawki oraz dotkniętych organów. Szpik kostny ulega uszkodzeniu już przy dawce 1 greja (Gy), co prowadzi do problemów z produkcją krwinek. Układ trawienny jest dotknięty przy dawkach od 6 do 8 Gy – pojawiają się zaburzenia jego pracy, zniszczenie bariery jelitowej, a nawet sepsa. Centralny układ nerwowy jest zagrożony przy dawkach ok. 30 Gy, co może prowadzić do zaburzeń nerwowo-naczyniowych. Na szczęście w większości ofiary doznają lokalnego napromieniowania w czasie radioterapii lub wypadków przemysłowych (np. uszkodzenia skóry spowodowanego nieprawidłowym obchodzeniem się z sondami emitującymi promieniowanie gamma, używanymi do kontroli jakości spawów i stanu metalowych części w przemyśle; nieprawidłowe użytkowanie takich sond może powodować martwicę tkanki skórnej, mięśniowej i kostnej). Przed zastosowaniem terapii komórkowych jedynymi rozwiązaniami były przeszczep skóry lub chirurgiczne usunięcie dotkniętych tkanek.

Terapia komórkowa polega na wykorzystaniu komórek macierzystych, bo mają one zdolność do różnicowania się w różne typy komórek potrzebnych do naprawy i regeneracji tkanek oraz przywracania funkcji uszkodzonych organów. Komórki te są pobierane od dawcy, hodowane, a następnie podawane pacjentowi. Komórki macierzyste pozyskuje się z różnych źródeł w ludzkim organizmie. Embrionalne pochodzą z blastocyst, które są wczesnymi etapami rozwoju zarodków. Charakteryzują się one zdolnością do przekształcania się w dowolny typ komórki w organizmie, co czyni je niezwykle wszechstronnymi, ale ich użycie wiąże się z szeregiem kwestii etycznych i prawnych. Z kolei komórki macierzyste somatyczne są pobierane z już rozwiniętych tkanek, najczęściej ze szpiku kostnego, który zawiera komórki macierzyste zdolne do generowania różnych typów krwinek i jest wykorzystywany w leczeniu chorób krwi takich jak białaczka. Inne źródło stanowi tkanka tłuszczowa bogata w komórki używane do regeneracji i naprawy chrząstek, ścięgien, więzadeł, mięśni czy skóry. Ciekawym rozwiązaniem są niewątpliwie tzw. indukowane pluripotencjalnie komórki macierzyste, otrzymywane poprzez reprogramowanie dorosłych komórek somatycznych, takich jak komórki skóry, w celu przywrócenia im stanu pluripotencjalności. Mogą różnicować się we wszystkie typy komórek organizmu, podobnie jak komórki macierzyste embrionalne.

Komórki (prawie) idealne

W przypadku leczenia skutków nadmiarowego napromieniowania postawiono na komórki mezynchymalne (MSC), które są rodzajem komórek somatycznych. Są one obiektem tysięcy badań klinicznych na świecie (leczy się nimi choroby hematologiczne, choroby Crohna czy owrzodzenia kończyn dolnych u diabetyków). W kontekście leczenia skutków promieniowania komórki MSC mogą przekształcać się w różne typy komórek, co pozwala na regenerację uszkodzonych tkanek (np. kostnej, chrzęstnej czy mięśniowej). MSC mają właściwości immunomodulacyjne. Zmniejszają stan zapalny i wspierają odbudowę układu odpornościowego, będących skutkiem działania na organizm promieniowania jonizującego. Dodatkowo wydzielają różne czynniki wzrostu i cytokiny, które wspierają regenerację tkanek i naprawę uszkodzeń spowodowanych przez promieniowanie.

MSC mogą również chronić komórki przed apoptozą (programowaną śmiercią komórki), wywołaną przez promieniowanie, oraz zmniejszać uszkodzenia DNA, co jest kluczowe w ograniczeniu długoterminowych skutków narażenia na promieniowanie, a także wspierać regenerację szpiku kostnego i przywracać prawidłową hematopoezę (produkcję komórek krwi). To dlatego terapia MSC okazała się ważnym narzędziem w leczeniu uszkodzeń wywołanych przez promieniowanie zarówno w kontekście medycznym, jak i w przypadkach awarii nuklearnych. Tymczasem naukowcy z IRSN podkreślają, że terapia komórkowa ma również pewne ograniczenia, zwłaszcza w przypadku dużych katastrof z wieloma ciężko napromieniowanymi ofiarami, np. w wyniku ataku terrorystycznego. MSC nie mogą być produkowane masowo, potrzebny jest blisko spokrewniony dawca, a pozyskanie ich i hodowla zajmują ponad 10 dni. Dodatkowo jakość komórek zależy od wieku i stanu zdrowia dawcy. Dlatego należy znaleźć inne rozwiązania, aby leczyć większą liczbę pacjentów jednocześnie.

Niepozorne pęcherzyki

W 2010 r. badacze z IRSN rozpoczęli współpracę z zespołem z Institute of Medical Biology w Singapurze. Naukowcy z Azji badali egzosomy (są to pęcherzyki wydzielane przez większość komórek eukariotycznych), pochodzące od komórek mezynchymalnych, pod kątem ich zastosowania w leczeniu oparzeń skórnych. Francuscy specjaliści dostrzegli bowiem możliwość ich wykorzystania w leczeniu oparzeń radiologicznych. Tym bardziej że, jak się okazało, efekt terapeutyczny komórek MSC jest związany właśnie z wydzielaniem przez nie egzosomów. Twory te są odporne na zamrażanie, ich transport jest niekłopotliwy i mogą być długo przechowywane, a to korzystne cechy w sytuacjach, gdy poszkodowanych zostało wiele osób jednocześnie. Ponadto w przeciwieństwie do MSC egzosomy jednego dawcy można podawać wielu pacjentom ze względu na ich wysoką kompatybilność.

Naukowcy z IRSN są bardzo blisko opracowania odpowiedniej terapii. Dogłębnie zbadali już wpływ egzosomów na myszy poddane całkowitemu napromieniowaniu ciała z dawkami śmiertelnymi 10 Gy. Twory te wydłużają życie zwierząt dzięki redukcji uszkodzenia błony śluzowej jelit i stymulowaniu regeneracji nabłonka jelita cienkiego i jego unaczynienia. Pozostaje przeprowadzenie przedklinicznych analiz bezpieczeństwa oraz określenie ich skuteczności terapeutycznej na świniach. Istnieje również wyzwanie standaryzacji procesu hodowli MSC i egzosomów, aby zapewnić masową produkcję o jakości klinicznej. Obecnie jedynie zespół z Singapuru może wytwarzać je w dużych ilościach, lecz nie w warunkach zgodnych z europejskimi regulacjami. Czy francuskim badaczom uda się osiągnąć cel i rozkręcić krajową produkcję egzosomów? Tylko czas pokaże, czy Francja zdoła przełamać bariery technologiczne i regulacyjne, by na nowo zdefiniować przyszłość medycyny regeneracyjnej.