Z elektroporacijo povečajo prepustnost celične membrane, da v celico vnesejo ali iz nje ekstrahirajo želene učinkovine, ki celične membrane sicer ne prehajajo. Se pa lahko postopek s kratkimi visokonapetostnimi električnimi pulzi uporablja tudi za uničevanje celic, kar je mednarodna ekipa, v kateri so bili tudi slovenski znanstveniki, uporabila za novo, varnejše zdravljenje srčne aritmije.

Gre za postopek ablacije srčne mišice z elektroporacijo, pri katerem raziskovalci s Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani pod vodstvom profesorja Damijana Miklavčiča sodelujejo z ameriškim podjetjem Medtronic. »V prvi klinični študiji so se osredotočili predvsem na varnost terapije pri izolaciji pljučnih ven. Opravili so postopek znotraj srčne katetrske ablacije, ki se izvaja pri ljudeh z atrijsko fibrilacijo. To je motnja v bitju srca, ki poslabšuje kakovost življenja pacientov in ogroža njihovo zdravje, ker se zaradi nepopolnega delovanja srca lahko tvorijo krvni strdki, bolezen pa povezujejo tudi z demenco,« pojasnjuje prof. dr. Miklavčič. V študijo je bilo vključenih 383 pacientov, izvedli so jo v devetih državah na 41 lokacijah. Poseg pa je izvajalo 67 kardiologov elektrofiziologov. Poleg ugotavljanja varnosti so preverjali tudi učinkovitost posega po enem letu.

Atrijsko fibrilacijo imenujejo tudi epidemija 21. stoletja, saj njena pojavnost izjemno narašča. Gre za nepravilno krčenje preddvorov, ki se pokaže kot neredni srčni utrip s spreminjajočo se, ponavadi povišano frekvenco bitja srca. Nastane zaradi nenormalnega načina prevajanja električnega impulza v zgornji polovici srca, zaradi česar krčenje zgornje in spodnje polovice srca ni več usklajeno. Čeprav atrijska fibrilacija največkrat prizadene starejše, se vedno pogosteje pojavlja tudi pri mlajših. Višja ko je frekvenca srca, manj učinkovito je krčenje srca in več simptomov ima bolnik.

Nad celice z visokonapetostnimi električnimi pulzi

To vrsto aritmije zdravijo predvsem z radiofrekvenčno in krioablacijo. Zelo poenostavljeno je katetrska ablacija uničenje tkiva, ki povzroča ali vzdržuje vašo motnjo ritma. »Izolirajo pljučne vene, v njih so namreč odkrili sprožilce aritmij. Radiofrekvenčna ablacija, krioablacija, laserji so vsi postopki termične narave, po domače povedano, tkivo v tem primeru 'zažgejo' in tako uničijo. Vendar termični postopki niso brez tveganja, saj v bližini levega preddvora potekajo živci, blizu je požiralnik. Zapleti so redki, a je poškodba požiralnika lahko tudi usodna,« razlaga vodja raziskovalnega programa Laboratorija za biokibernetiko.

Pri novem postopku srčne ablacije se uporablja ireverzibilna elektroporacija, s katero kardiolog odstrani del tkiva, ki povzroča aritmijo. Uničenje celic je posledica elektroporacije celične membrane in v nasprotju z doslej uporabljenimi termičnimi metodami za uničenje tkiva ne zahteva prekomernega segrevanja (ali zmrzovanja) tkiva. »Pri prejšnjih metodah niso mogli natančno kontrolirati, koliko okoliškega tkiva se bo segrelo. Predstavljajte si, da segrevate žličko nad svečo, najprej je vroč le en del, nato pa se toplota razširi še na držalo,« pravi in dodaja: »Pri številnih postopkih elektroporacijo uporabljamo za vnos učinkovin v celice, ko s pulzi povečamo prepustnost membrane. Pri elektrokemoterapiji lahko vnesemo kemoterapevtike, v celice lahko vnesemo DNK. Vsi smo vedeli, da lahko celice uničimo, če bi jim dovedli preveč pulzov, če bi bili predolgi ali premočni. Temu smo se pri človeških celicah izogibali, enostavno nismo videli uporabne vrednosti uničenja celic. Nato pa je Boris Rubinsky z Berkeleyja pokazal, da je lahko elektroporacija uporabna tudi kot ablacijska metoda. Dognali so, da lahko ablacijo naredijo, ne da bi se bistveno dvignila temperatura tkiva. Skovali so novo ime za metodo, in sicer netermična ireverzibilna elektroporacija, kar je v delu 'netermična' sicer nekoliko zavajajoče. Dvig temperature v tkivu se zgodi, to je naravna posledica, ko skozenj steče tok, ni pa to primarni mehanizem uničenja tkiva. Posledično je manjši imunski odziv, tkivo se hitreje zaceli,« razlaga sogovornik.

Učinkovitost nove ablacijske metode z elektroporacijo je enaka primerljivim kliničnim študijam z radiofrekvenčno ablacijo in krioablacijo, pri čemer je nova terapija bistveno hitrejša. Poleg tega kar 61 od skupno 67 elektrofiziologov kardiologov, ki so uspešno opravili postopek, ni imelo predhodnih izkušenj z uporabljenim katetrom, kar kaže na relativno enostavnost posega.

Sodelovanje s pacienti

Skupina Laboratorija za biokibernetiko ljubljanske fakultete za elektrotehniko je ena vodilnih skupin za področje elektroporacije. Z ameriškim podjetjem Medtronic so pri razvoju katetrske srčne ablacije začeli sodelovati leta 2015, pravi profesor Miklavčič. »Pomagali smo jim pri optimizaciji katetrov, obliki električnih pulzov. Mi imamo arzenal različnih poratorjev, s katerimi lahko naredimo kakršnekoli pulze, dolgi so lahko le nekaj nanosekund ali pa nekaj sto milisekud, pulzi so lahko monopolarni, bipolarni … delamo lahko na najrazličnejših nivojih biološke kompleksnosti, od lipidov, veziklov do celic in tkiv,« našteva.

»Prepričan sem, da je to tehnološka platforma, ki bo v medicini še odpirala vrata in med drugim omogočila gensko zdravljenje tudi redkih bolezni.« FOTO: Leon Vidic

Laboratorij bo letos praznoval 60. obletnico ustanovitve, njegov ustanovitelj je bil profesor dr. Lojze Vodovnik, ki velja za očeta funkcionalne električne stimulacije pri nas. Laboratorij se zdaj osredotoča predvsem na najširše možne vidike uporabe elektroporacije. »Dobro poznamo biološke procese, imamo vrhunsko opremo, poleg tega smo močni v modeliranju. Ko tako z modeli preizkušamo svoje znanje, preverjamo različne scenarije in rezultate nato preverimo tudi z dejanskim poskusom. Ta celoviti pogled na elektroporacijo nas uvršča med najboljše na svetu.« Ključne pa so tudi izkušnje. »Mi smo že sodelovali pri splavitvi ene terapije, to je elektrokemoterapije. Pri nas smo opravili osnovne temeljne raziskave, razvili ustrezne naprave, vse modele in izračune smo v sodelovanju z Onkološkim inštitutom preizkusili v kliničnih raziskavah. To pot, kakršno zdaj hodimo s podjetjem Medtronic pri srčni ablaciji, smo že prehodili, vemo, kako je treba sodelovati s podjetji. Naši pogledi se namreč razlikujejo, medtem ko si raziskovalci želimo predvsem znanja, razumevanja nekega fenomena in njegovih učinkov, sta za podjetja najpomembnejši varnost in zaščita intelektualne lastnine. Raziskovalci smo morda nekoliko naivni, ko si predstavljamo, kako bodo stvari tekle. Redko pridemo v stik s pacienti. V preteklosti smo sodelovali pri zdravljenju rakavih bolnikov z zelo slabo prognozo, pacienti s srčno aritmijo pa na kratek rok nimajo usodne bolezni.«

Od elektrokemoterapije do genske terapije

Elektroporacija je široko uporabna metoda na zelo različnih področjih. Uporabljajo jo v biologiji, biotehnologiji, živilski tehnologiji, farmaciji. Z njo odpirajo nove terapije v medicini, izboljšujejo našo hrano. Na primer: pri obdelavi hrane z elektroporacijo temperatura ne naraste pomembno, posledično se bolje ohranjajo kakovost, barva in vitaminsko-mineralna bogatost prehranskega produkta. Marsikateri postopek na omenjenih področjih bo učinkovitejši in hitrejši.

Čeprav je znano, kako postopek poteka, jim v njegovo najosnovnejše bistvo še ni uspelo pogledati, pravi prof. dr. Miklavčič. »Primarna tarča elektroporacije je membrana, debeline od pet do deset nanometrov. Ko vanjo pošljemo pulz, vse bliskovito steče. Ne obstaja mikroskop, ki bi nam omogočil spremljanje dogajanja na tako majhnih in kratkih skalah. V resnici tako le sklepamo, kaj se zgodi, zato potrebujemo modele in izračune. Pri ablaciji vemo, da smo celice na neki način uničili, ne vemo pa povsem natančno, zakaj oziroma kdaj natančno so poškodbe celične membrane in celice dovolj velike, da se uničijo. Vemo, da se je porušila celična homeostaza, vendar ne vemo, kako močno smo morali celico poškodovati, da je odmrla. Na elektroporacijo moramo vedno gledati tudi kot na poškodbo membrane in tako se bo celica tudi odzvala. Podobno kot se organizem odzove, če se urežete.«

Med sprejetimi metodami v kliniki, ki jo je pomagal razvijati sogovornik, je elektrokemoterapija, ki je s pomočjo elektroporacije usmerjena v vnos kemoterapevtikov v tumorje. Najbolj se je uveljavila pri zdravljenju kožnih in nekaterih globokoležečih tumorjev. Prof. dr. Damijan Miklavčič priznava, da je bil sprva tudi sam nekoliko skeptičen do elektroporacije. »Potem pa sem videl, kako malo je treba, kako hitro lahko vneseš kemoterapevtik, ki sicer ne more vstopati v celico. Takrat sem se prepričal in sem še danes prepričan, da je to tehnološka platforma, ki bo v medicini še odpirala vrata in med drugim omogočila gensko zdravljenje tudi redkih bolezni.«

Kot nadaljuje, se čas uvajanja novih metod krajša. »Ko smo začeli delati na področju elektrokemoterapije, smo imeli prvo napravo leta 1995, toda šele leta 2006 smo prvič zdravili s to metodo. Je pa res, da je rak izjemno zahteven in zelo raznolik, posamezne vrste so različno agresivne. Pri srčni ablaciji je šlo že hitreje, v nekaj letih, to je leta 2019, smo prišli do prve klinične študije na ljudeh. Že se je pokazalo, da bi lahko z enako metodo odstranjevali tudi druge dele tkiva v srcu,« pravi in dodaja, da trenutno sodelujejo še z enim podjetjem, s katerim prav tako razvijajo zanimive aplikacije, vendar o podrobnostih še ne more govoriti.

Sicer v laboratoriju raziskujejo tako ireverzibilno kot reverzibilno elektroporacijo. Kot pravi prof. Miklavčič, jih zanima tudi širše področje, kako se biološki sistemi odzivajo na elektromagnetna polja in električne tokove. Še naprej iščejo izboljšave za elektrokemoterapijo. »Postopek je za bolnika precej boleč, vseskozi nas zanima, kako to spremeniti. Spomnim se bolnika, ki je prosil za prekinitev postopka, ker je bil enostavno preboleč. Iskali smo pulze, ki bi bili manj ali sploh nič boleči. Kolegi iz tujine so predlagali kratke bipolarne pulze, da ni kontrakcije tkiva. Mi smo razvili porator in pokazalo se je, da je kontrakcija, zaradi katere občutimo bolečino, res zmanjšana, vendar je bila tudi učinkovitost slabša. Poleg tega se na bolečinski dražljaj ne odzove vsak bolnik enako.«

Naslednje področje, na katero bo elektroporacija pomembno vplivala, je gensko zdravljenje in razvoj DNK-zdravil, je prepričan Damijan Miklavčič. »V devetdesetih so si zelo veliko obetali od raziskav človeškega genoma, vendar ga pravzaprav niso razvozlali, ampak le zapisali zaporedje. Zapis genoma bi lahko primerjal z zapisom v tujem jeziku, na primer madžarščini, črke bomo vsi poznali, ne bomo pa besed razumeli. Zdaj šele žanjemo rezultate, ko identificirajo posamezne gene, ki povzročajo bolezni.«

»Skupni jezik lahko razvijemo le s spoštovanjem in védenjem, da je moj pogled na problem le eden izmed mnogih. Nobeden izmed pogledov ni bolj pravilen.« FOTO: Leon Vidic

Pandemija covida je pospešila raziskave DNK-zdravil in cepiv. »Pri teh se je pokazalo, da lahko en majhen del populacije razvije nezaželen imunski odziv zaradi uporabe vektorja, torej virusa, pa naj bo to adeno- ali retrovirus, v katerega so vnesli DNK-sekvenco z zdravilno učinkovino, da vstopi v celico – tu sem prepričan, da bo elektroporacija odigrala ključno vlogo. Elektroporacija namreč omogoči zdravilu vstop v celico brez virusa, podobno kot se to dogaja pri RNK-cepivih, ko se v celice prenese informacija, katere proteine naj celica proizvaja. Vendar ima RNK to težavo, da mora biti močno ohlajen, da je stabilen. DNK je stabilen tudi pri sobni temperaturi, ker pa je večja molekula, težje pride v celico, potem pa mora priti še v njeno jedro.«

Pri vnosu velikih molekul, kot je DNK, je še ogromno ugank. »Približno vemo, kako skozi membrane vstopajo majhne molekule, kako pridejo velike, ne vemo. In potem naprej, kako te molekule prek citosola pridejo do jedra. Citosol ni voda, je kot gozd, ki skriva našo tarčo,« razlaga. V laboratoriju so bili uspešni na razpisu za veliko opremo in tako bodo v kratkem pridobili superresolucijski mikroskop, vreden 1,2 milijona evrov, s katerim bodo svoje raziskave lahko še izboljšali.

»Na koncu je pomembno, da imamo na voljo različna, specializirana orodja. Elektroporacija ne bo ničesar nadomestila, bo pa zagotovo na določenih področjih postala izbira številka ena.«

Skupni jezik različnih strokovnjakov

Posebnost in tudi velika prednost skupine Laboratorija za biokibernetiko je njena interdisciplinarnost. »Vsi govorimo o tem, da kompleksne probleme lahko rešimo le z interdisciplinarnim pristopom, a v resnici smo še zelo monodisciplinarni. Naš laboratorij je interdisciplinarnost zasledoval že od začetka. Profesor Vodovnik je bil izreden vizionar, sposoben sodelovanja z zdravniki, fizioterapevti, biologi. Zdaj nas je 35 in v naši ekipi so zdravnik, mikrobiolog, kemik, kemijski inženir, strojnik, elektrotehniki … Slovenija ponuja odlične možnosti za delo predvsem zato, ker je tako majhna in se med seboj skoraj vsi poznamo – z nekaj malega povpraševanja pridobiš kontakt strokovnjaka, ki ga potrebuješ,« poudarja profesor, ki pa dodaja, da mora interdisciplinarna skupina razviti skupni jezik in medsebojno spoštovanje.

»Isti problem bo filozof videl drugače kot fizik, drugače kot kemik. Vsak ga bo reševal s svojimi priučenimi postopki in orodji. Sprva se med seboj ne razumemo. Skupni jezik lahko razvijemo le s spoštovanjem in védenjem, da je moj pogled na problem le eden izmed mnogih. Nobeden izmed pogledov ni bolj pravilen. Tu mora vsak skozi proces spreminjanja načina razmišljanja, kar pa je za marsikoga lahko tudi boleče.«