Bioniczna trzustka – science czy fiction ?

medycznej. Obecnie jedną z metod leczenia cukrzycy typu 1 jest przeszczepianie trzustki lub wysp trzustkowych. Wykonują to z powodzeniem transplantolodzy np. z warszawskiego Szpitala Klinicznego Dzieciątka Jezus.

Przeszczepienie trzustki daje pełną insulinoniezależność, natomiast w przypadku przeszczepów wysp od dawcy zawsze musiała być zastosowana insulina z zewnątrz. Należy tu jednak zaznaczyć, że z powodu potrzeby immunosupresji oraz faktu, że jest to metoda trudna do wykonania pod względem technicznym (według różnych badań od 5 do 10 proc. pacjentów umiera w okresie okołooperacyjnym ze względu na powikłania zakrzepowe), leczenie wyspami od dawcy nigdy nie było metodą leczenia z wyboru.

Procedura musi być odpowiednio zaplanowana, połączona z rygorystycznymi badaniami. Niewielu też pacjentów spełnia kryteria dopuszczające do przeszczepienia trzustki i wysp, zwłaszcza nie rekomenduje się tej metody pacjentom z cukrzycą typu 2. Wynika to przede wszystkim z faktu, że nie mamy możliwości ochrony przeszczepionych wysp przed czynnikami prozapalnymi, podwyższonym stężeniem glukozy, wysokim stężeniem wolnych kwasów tłuszczowych czy lipidów. Właśnie dlatego wyspy żyją w organizmie biorcy krótko, u niektórych chorych zaledwie 4-5 lat. Naszym celem jest stworzenie takiej technologii, która pozwoli na ich ochronę za wszelką cenę i poprawi ich funkcjonalność, by żyły tak długo jak ludzie.

W Instytucie Nenckiego od lat pracujemy nad różnymi aspektami cukrzycy typu 1 i 2. Prowadzimy badania naukowe, w których wyciszamy lub hamujemy ekspresję genów kodujących białka receptorowe oraz inne przekazujące sygnały w komórce, by zrozumieć funkcjonowanie szlaku insulinowego. Wyniki okazały się nadzwyczaj zachęcające: wykazaliśmy, że manipulacja w jednym lub kilku szlakach sygnałowych komórki pozwala ją zasadniczo zmienić. To dało nam nadzieję, że możemy zmienić terapię tej przewlekłej choroby.

Z dr. hab. Michałem Wszołą, pierwszym na świecie specjalistą, który przeprowadził zabieg endoskopowego przeszczepienia wysp trzustkowych pod śluzówkę żołądka, wpadliśmy na pomysł, by te badania wykorzystać do stworzenia bionicznej trzustki. Połączyliśmy nasze siły w konsorcjum, które zajmuje się wyłącznie tą sprawą.

DpD: Państwa konsorcjum otrzymało na ten cel grant 24 mln zł z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR). Jakich efektów mogą oczekiwać diabetolodzy?

A.D.: Celem konsorcjum jest stworzenie bionicznej trzustki, która będzie mogła być wykorzystana jako nowa metoda leczenia cukrzycy typu 1. Zależy nam na tym, by nie korzystać z wysp od dawcy, jak to robią dotychczas naukowcy za granicą, ponieważ pozwoli nam to na uniknięcie konieczności włączenia terapii immunosupresyjnej. Nasza bioniczna trzustka powstanie z komórek macierzystych pobranych od pacjentów, przekształconych w wyspy trzustkowe i „opakowanych” polimerem. Nie przewidujemy w niej udziału żadnej elektroniki. Będzie się składać wyłącznie z elementów naturalnych, biologicznych. W ramach projektu STRATEGMED jako pierwsi na świecie wydrukujemy bioniczną trzustkę na drukarce 3D biotuszem, którym są polimery, z wykorzystaniem żywych komórek wydzielających insulinę.

DpD: Kto odpowiada za realizację projektu?

A.D.: Innowacyjny projekt wsparło NCBiR, a za całość odpowiada kilka podmiotów: zespół biologów molekularnych z Instytutu Nenckiego, lekarze transplantolodzy z WUM, prof. Artur Kamiński oraz prof. Artur Kwiatkowski ze szpitala Klinicznego Dzieciątka Jezus w Warszawie. To osoby, które podejmą badania kliniczne, gdy bioniczna trzustka już powstanie. Do współpracy zaprosiliśmy również grupę inżynierów z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem prof. Wojciecha Święszkowskiego, którzy stworzyli biomateriały, wykorzystywane dotychczas w rekonstrukcji kości (endoprotez). Z podobnych materiałów i metodologii zamierzamy skorzystać w tworzeniu „rusztowania”, na które naniesiemy wyspy trzustkowe. Całość prac koordynuje dr hab. Michał Wszoła z Fundacji Badań i Rozwoju Nauki. Naszym partnerem biznesowym jest MediSpace.

DpD: Komórki macierzyste są delikatnym materiałem biologicznym. Czy wyspy przeżyją drukowanie?

A.D.: Rzeczywiście przypuszczaliśmy, że będzie to problem, ale już na etapie badań wstępnych okazało się, że nic im nie zagraża – komórki wcale nie są tak wrażliwe, jak sądziliśmy. Wyspy po przejściu przez drukarkę mają bardzo dobrą kondycję i, co najważniejsze, są w pełni funkcjonalne. Są umiejscowione w specjalnych pożywkach hodowlanych, z odpowiednim dozowaniem dwutlenku węgla i tlenu. Dzięki temu jesteśmy w stanie utrzymać je przy życiu przez 48 godzin, a sam proces drukowania nie jest czasochłonny. Zapewniam, że w organizmie człowieka ten komfort egzystencji komórek będzie jeszcze lepszy.

DpD: Co w takim razie stanowi największe wyzwanie?

A.D.: Doprowadzenie do unaczynienia i utlenienia bionicznej trzustki. To się jeszcze nikomu na świecie nie udało, mimo że nad zagadnieniem pracują najlepsi specjaliści z USA, Anglii czy Holandii. Mogę jedynie zdradzić, bo na tym etapie projektu obowiązuje nas tajemnica, że jesteśmy na tyle zaawansowani, że przekazaliśmy już na Politechnikę Warszawską endotelialne komórki progenitorowe (wyściełające ściany naczyń krwionośnych) do dalszych prac badawczych. Naszym celem jest, by wyspy faktycznie były funkcjonalne w organizmie pacjenta. Oznacza to, że gdy podamy do komórek hodowlanych glukozę w wysokim stężeniu, zaczynają one wydzielać insulinę. To efekt, jaki chcemy uzyskać już po przeszczepie.

DpD: Co to oznacza w praktyce?

A.D.: W niedalekiej przyszłości, gdy technologię opracujemy do tego stopnia, że będzie ona mogła funkcjonować klinicznie, pacjent przyjdzie do kliniki, pobierzemy od niego szpik kostny lub tkankę tłuszczową – jeszcze nad tymi rozwiązaniami pracujemy – z nich wyizolujemy komórki macierzyste, przekształcimy je do komórek wydzielających insulinę i glukagon, a następnie stworzymy wyspy trzustkowe. Po czym z wykorzystaniem polimerów wydrukujemy w pełni funkcjonalny organ – bioniczną trzustkę, którą następnie wszczepimy choremu. Pacjent zapomni, że kiedykolwiek miał cukrzycę.

DpD: Powodów, by komórki nie zadziałały, może być dużo, np. układ odpornościowy może je zniszczyć.

A.D.: Intensywnie pracujemy nad tym, co zrobić, by te nasze pseudowyspy, stworzone z komórek macierzystych, po wszczepieniu nie uległy destrukcji jak oryginalne wyspy trzustkowe. To obecnie nasze największe zadanie badawcze. Wydaje się, że jesteśmy na dobrej drodze do takiej modyfikacji wysp, by utrzymały one swoją tożsamość i były funkcjonalne. Wiemy już, w jaki sposób zmieniać szlaki sygnałowe i aktywność czynników w komórkach α i β, które następnie wykorzystujemy do tworzenia wysp. W zależności od tego, który szlak zmienimy w danej komórce, jesteśmy w stanie stworzyć wyspy np. z małą lub dużą ilością komórek β i α oraz kontrolować ich architekturę. Manipulując szlakami przekazywania sygnałów wewnątrzkomórkowych, jesteśmy w stanie zmienić ich morfologię.

DpD: Piękna wizja, ale dotyczyć będzie jedynie chorych na cukrzycę typu 1. Dlaczego?

A.D.: Z cukrzycą typu 2 mamy większy problem. U tych pacjentów zwykle nie przeszczepia się ani wysp, ani trzustki ze względu na skomplikowaną patogenezę choroby. U takiego chorego obserwujemy we krwi dużo związków toksycznych, które powodują, że wyspy bardzo szybko przestają funkcjonować. Na dodatek, jeśli cukrzyca i otyłość związana jest z dysfunkcją metaboliczną, to tkanka tłuszczowa wydziela cytokiny prozapalne, adipokiny, wolne kwasy tłuszczowe, diacyloglicerole. Długotrwały stan zapalny oraz nadmierna akumulacja lipidów w trzustce powoduje, że komórki β przestają być funkcjonalne. Wiele prac na modelach zwierzęcych i na ludziach udowodniło, że u osób otyłych ta metoda by się nie sprawdziła.

W przypadku osób z cukrzycą typu 1 od początku podawana jest insulina. Nasz projekt z bioniczną trzustką skierowany jest właśnie do tych osób. Ich życie polega na ciągłym monitorowaniu glukozy, kontrolowaniu wysiłku w różnych okolicznościach dnia itd.

DpD: Dużym udogodnieniem są pompy insulinowe.

A.D.: Pompy insulinowe są wygodne, ale nie są one ani komfortowe, ani higieniczne. Nie mówiąc o zwykłych codziennych sytuacjach, w których chorego taka pompa stresuje, zwłaszcza dzieci, dla których może stanowić problem sama jej obsługa. Stąd pomysł stworzenia trzustki, która funkcjonowałaby jak naturalny organ. Byłaby zbudowana z komórek wydzielających insulinę i glukagon, w pełni unaczyniona i reagująca na stężenie glukozy we krwi. Narząd, który tworzymy, mamy zamiar wszczepić pod skórę, inaczej niż pompę insulinową, która funkcjonuje na zewnątrz ciała chorego.

DpD: Część diabetologów uważa, że lepiej podawać przez całe życie insulinę z zewnątrz i nie hamować układu odpornościowego jak po przeszczepach.

A.D.: To prawda. Dlatego w naszej bionicznej trzustce chcielibyśmy doprowadzić do sytuacji, w której wyspy będą utworzone z komórek pobranych wcześniej od tego samego pacjenta, do którego zostanie ona wszczepiona. Jeszcze raz powtórzę: wyspy nie będą pobierane od dawcy, ale stworzone z wyhodowanych komórek macierzystych wyizolowanych z tkanki tłuszczowej lub szpiku pacjenta i następnie przekształconych w komórki wydzielające insulinę i glukagon. Przy wykorzystaniu takiej technologii chory nie będzie wymagał leków immunosupresyjnych.

DpD: Mimo dużego entuzjazmu projekt STRATEGMED określany jest mianem wysokiego ryzyka. Czy jest bardziej fiction niż science?

A.D.: Jest to projekt wysokiego ryzyka, bo poruszamy się na granicy dzisiejszej wiedzy medycznej, po obszarze, którego nikt wcześniej nie badał, co do którego nie ma żadnych wcześniejszych wyników.

Jednak uważam, że przy ograniczonych nakładach na naukę powinny być finansowane jedynie nowatorskie projekty. Naszego kraju nie stać na to, by po raz setny badać np. metforminę, bo ona nie zrewolucjonizuje terapii tej przewlekłej choroby. Jeśli nasz projekt się powiedzie, a sądzę, że są na to duże szanse, będziemy mogli powiedzieć: mamy nowy sposób leczenia cukrzycy. Nie wiemy też, dokąd badania nas doprowadzą. Trudno sobie nawet wyobrazić, jakim – w przyszłości – chorobom mogą zaradzić. Dziś koncentrujemy się na pacjentach z cukrzycą, ale jeśli technologia biodruku tkanek miękkich zostanie dopracowana, to nie jest wykluczone, że w przyszłości drukować będzie można też wątrobę, nerki czy serce.

Cała nasza praca polega na zrozumieniu mechanizmów, które leżą u podstaw rozwoju cukrzycy. Próbujemy dowiedzieć się, jak rodzi się problem insulinooporności, a poza tym, dlaczego wyspy trzustkowe przestają wydzielać insulinę. Prowadzimy kilka różnych projektów, które obejmują eksperymenty z wykorzystaniem mięśni, trzustki oraz tkanki tłuszczowej. Część związana jest z badaniami innowacyjnymi, które niebawem przedłożymy lekarzom jako nowe metody diagnostyczne lub leczenia cukrzycy.

DpD: Na jakim etapie choroby należałoby wszczepiać bioniczną trzustkę i w które miejsce? Jaki będzie jej rozmiar?

A.D.: U pacjenta, wobec którego zapadła decyzja o insulinoterapii, będzie można rozważać przeszczepienie bionicznej trzustki. Myślę, że będzie to najlepszy moment. Jej wielkość zależy od tego, czy będzie to dziecko, czy osoba dorosła. Główne zadania stoją przed transplantologami. To oni muszą odpowiedzieć na wiele istotnych kwestii, nauczyć się nowych możliwości, ocenić aspekty techniczne zabiegu, ustalić, w którym miejscu powinna być wszczepiona, a właściwie podczepiona do układu krwionośnego, bioniczna trzustka. Mamy kilka pomysłów, ale za wcześnie o nich mówić.

Badania na zwierzętach zamierzamy rozpocząć najpóźniej za dwa lata. Oczekujemy od transplantologów przeanalizowania dostępnych już informacji praktycznych oraz przetestowania możliwości dokonania przeszczepu. To jest bardzo ważna część projektu, ponieważ nawet jeśli stworzymy piękne wyspy, z których powstanie bioniczna trzustka, a transplantolodzy orzekną, że zaprojektowanego kształtu nie da się wkomponować w układ krążenia, będziemy musieli wrócić do punktu wyjścia i wykonać projekt inaczej.

DpD: Ścieżek dochodzenia do sztucznej trzustki na świecie jest wiele. Czy nie obawia się pani, że wasz kierunek działań może być błędny?

A.D.: Każda pracownia ma własny protokół, który patentuje i publikuje. Z dostępnej dokumentacji widzimy, że badania najczęściej dotyczą przeprogramowania genomu komórki macierzystej poprzez wprowadzenie genów, które aktywują ekspresję czynników odpowiedzialnych za utrzymanie tożsamości komórek β. Takich genów jest bardzo dużo. To najczęstsze kierunki działań.

My idziemy inną ścieżką badawczą. Zmuszamy komórki macierzyste do zmiany fenotypu w kierunku komórek α i β poprzez zmiany w ścieżkach sygnałowych. Największym problemem nie jest przekształcenie komórek macierzystych w wydzielające insulinę, ale w wydzielające ją w odpowiedniej ilości, pozwalającej na utrzymanie prawidłowej glikemii. To bariera, która wiele ośrodków powstrzymuje w działaniu, dlatego idą na skróty – modyfikacja genetyczna się sprawdza, jest najprostszą i najszybszą drogą, bo pozwala osiągnąć szybki rezultat, ale, powtórzę, to nie jest nasza ścieżka realizowania tego projektu.

DpD: A co się stanie, jeśli u pacjenta z bioniczną trzustką nastąpi nawrót cukrzycy?

A.D.: To będzie oznaczało, że nasze wyspy przestały działać i należy wymienić je na nowe, co nie powinno stwarzać problemów. Jednak uważam, że jeśli wyspy będą funkcjonalne, cukrzyca typu 1 nie ma prawa powrócić.

DpD: Jak będą przebiegały dalsze prace? Kiedy projekt bionicznej trzustki znajdzie zastosowanie w praktyce klinicznej diabetologów?

A.D.: Mamy zakończoną część, którą określę jako in vitro. Wkrótce zaczniemy przeprowadzać przeszczepy u małych zwierząt, a za dwa lata powinniśmy zacząć przeszczepiać bioniczną trzustkę u świń. Gdy badania zakończą się pozytywnie – zwierzęta będą żyły, a bioniczna trzustka będzie funkcjonalna – wystąpimy o pozwolenie przeprowadzenia testów na ludziach. Myślę, że nastąpi to nie wcześniej niż za 4-5 lat. To dość optymistyczna perspektywa.

W Polsce realizowanych jest kilka projektów mających na celu przekształcenie komórek macierzystych w wydzielające insulinę oraz glukagon. Na świecie konkurencję mamy silną i praktycznie w każdym kraju. Dla pacjenta nie ma jednak znaczenia, kto osiągnie sukces.