Elektrotehnika proti raku, koronavirusu, srčnim boleznim

Skupaj s kolegom profesorjem dr. Ferijem  Pernušem sta pred skoraj poldrugim desetletjem ustanovila novo katedro za biomedicinsko tehniko, ki bdi nad izvedbo študijskega magistrskega programa Biomedicinska tehnika. Danes 57-letni Miklavčič je bil njen dolgoletni predstojnik. Številna priznanja pa so mu prinesle raziskave elektroporacije, metode, pri kateri z visokonapetostnimi impulzi začasno in na kontroliran način povečajo prepustnost membrane celic živih organizmov.

Ta metoda je v minulih desetletjih postala široko uporabna na številnih področjih – med drugim tudi v medicini. Z njeno pomočjo namreč molekule, za katere je celična membrana sicer neprepustna, lahko prehajajo v celico. Tako lahko povečamo vnos in s tem tudi učinkovitost nekaterih zdravil. Metoda elektroporacije je lahko učinkovita tudi pri vnašanju cepiva DNK proti koronavirusu kot tudi nekaterih kemoterapevtikov pri zdravljenju raka. 

Elektroporacija ni edina medicinska tehnologija, ki jo razvijate na fakulteti?

Z razvojem elektronike, ki je omogočila merjenje bioloških električnih signalov, kot je EKG (elektrokardiogram) in kasneje razvoj prvih srčnih spodbujevalnikov v petdesetih in šestdesetih  letih prejšnjega stoletja, je postala elektrika zanimiva tudi za zdravnike. V sodelovanju med zdravniki in inženirji se je rodila nova disciplina – biomedicinska tehnika. Če smo pošteni, večino napredka medicini zagotavljajo druge stroke, poleg elektrotehnike seveda kemija, fizika, danes še posebej pomembna molekularna biologija, če naštejem samo nekatere – in tudi pri nas vzgajamo strokovnjake, ki lahko sodelujejo z zdravniki, pomagajo pri razvoju novih medicinskih aparatov in tehnologij. Študenti elektrotehnike se med študijem pri nas srečajo tudi z živim študijskim materialom; poleg elektrike jih poučujemo tudi osnove biologije in medicine, da lahko razumejo, kako deluje srčni spodbujevalnik ali EKG-preiskava. V »kleti« imamo laboratorij za fiziološka merjenja,  tri laboratorije za biologijo celice, pa laboratorij za mikrobiologijo ter laboratorij za lipidne dvosloje, prav zdaj pa opremljamo tudi laboratorij za molekularno biologijo. Širok nabor znanja je nujen, a v vrhunski znanosti je potrebna tudi specializacija. V naši raziskovalni skupini nas je približno 30 in v svetu smo najbolj prepoznavni prav  zaradi našega delovanja na področju elektroporacije, čeprav je to le en segment našega raziskovanja.

Kako financirate raziskave?

Za naše delo z elektroporacijo se zanimajo tako velika podjetja, kot sta npr. ameriški Medtronic in francoski L'Oreal, pa tudi manjša, čeprav ta pogosto nimajo potrebnega denarja za (naše) drage raziskave. Nekaj čez 30 odstotkov sredstev pridobimo na trgu, preostalo pa iz državnega proračuna, večino preko Agencije za raziskave Republike Slovenije.

Večino sredstev pridobite z razvojem metode elektroporacije in tehnologij, ki temeljijo na elektroporaciji; ali v to sodi tudi razvoj cepiva proti koronavirasu?

Dejansko cepiva razvijajo biokemiki, molekularni biologi in imunologi, naša naloga pa je omogočiti cepivu, da lažje prodre v celico. Cepiva, kot veste, funkcionirajo tako, da oslabljeni virus ali v zadnjem času samo del virusa vnesemo v telo in temu omogočimo, da razvije obrambo proti virusu. Ob izbruhu virusov sars-1 in ebole pred nekaj leti so v ZDA začeli financirati program P3 (pandemic Prevention program) za razvoj cepiva v samo 60 dneh po izbruhu epidemije, a tokratna je prišla malce prehitro. Pri izboru projektov je postalo jasno, da zahtevam po hitrem ukrepanju pravzaprav ustreza samo priprava nevtralizirajočih protiteles za specifični virus, ki naj bi jih proizvedle kar celice gostitelja, tj. človeka samega. Odločitev je torej bila – razvoj DNK cepiv, ki ga načeloma ni težko izdelati. Je pa molekulo DNK ali pa RNK – kot načrt za izdelavo teh protiteles –  treba vnesti naravnost v celico. In eden od načinov, kako to lahko naredimo, je prav z uporabo elektroporacije. S tem postopkom se namreč vnos DNK v celico poveča tudi do stokrat. Celica tako dobi načrt protitelesa, ki je specifičen za virus, na podlagi katerega ga lahko izdela in predstavlja prvo obrambo pred njim.

Torej razvijate tehnologijo, ki bi pomagala k učinkovitosti cepiva proti kovidu?

Da, cepivo razvijajo tudi slovenski raziskovalci: konzorcij Cobik pod vodstvom kolega Matjaža Peterke, na Kemijskem inštitutu pod vodstvom prof. Romana Jerale, in verjetno še kdo, kot tudi še marsikje po svetu; ta hip je v fazi za testiranje že več kot 100 cepiv in nekaj jih bo gotovo učinkovalo – vsaj do določene mere, kdaj in kako, tega pa ne vemo. Določena cepiva, eno takšnih je razvilo ameriško podjetje Inovio, so narejena za vnašanje z uporabo elektroporacije. Tudi Evropska komisija preko svoje raziskovalne agencije financira nekaj projektov, v katerih razvijajo cepiva za novi koronavirus. 

Slika: Prof. dr. Damijan Miklavčič je eden vodilnih raziskovalcev elektroporacije v svetu, ki ga citirajo najuglednejše svetovne znanstvene revije; bil je tudi predsednik Mednarodnega društva za tehnologije in terapije, ki temeljijo na elektroporaciji. Njegovi članki so bili do sedaj skupaj deležni več kot 10.000 čistih citatov. 

V enem od teh projektov (OpenCorona Virus) sodeluje tudi italijansko podjetje IGEA, s katerim smo skupaj razvijali klinični aparat za elektroporacijo Cliniporator, ki ga bodo uporabili pri končni aplikaciji. Z njimi smo tesno sodelovali  pri razvoju kliničnega elektroporatorja od leta 2000 do 2010,  uporabljajo pa tudi naše patente. Žal pri nas za razvoj in proizvodnjo takšne naprave takrat ni bilo interesa, čeprav sem iskal podjetja v Sloveniji. Naša podjetja nimajo toliko denarja in potrpljenja, da bi vlagala  več deset milijonov evrov samo za razvoj in potem čakala več kot deset let na povrnitev vloženih sredstev. Naj zaključim, na naši fakulteti torej razvijamo generično platformo za vnos kateregakoli cepiva, ki temelji na tehnologiji DNK ali RNK za katerikoli virus.

S to tehnologijo imate že bogate izkušnje pri vnašanju kemoterapevtikov v celice pri rakavih bolnikih?

Res je. Metodo elektroporacije v ta namen – imenujemo jo elektrokemoterapija – smo skupaj s kolegi z ljubljanskega Onkološkega inštituta pod vodstvom akademika dr. Gregorja Serše v zadnjih 25 letih uspešno razvili od laboratorijske faze do terapije pri pacientih. Na idejo, da lahko kemoterapevtsko sredstvo bleomicin učinkoviteje deluje pri pacientih, če jih izpostavimo hkratni elektroporaciji, so prvi prišli Francozi že pred desetletji, mi pa smo med drugim vpeljali v elektrokemoterapijo tudi cisplatin in pokazali, koliko je ta način kombiniranja z elektroporacijo učinkovitejši od same kemoterapije.

Koliko takšnih terapij je bilo doslej izpeljanih?

Po zadnjih podatkih zdravijo v Evropi s to terapijo že v več kot 150 bolnišnicah, samo v Ljubljani pa se je po moji oceni z elektrokemoterapijo do zdaj zdravilo vsaj tisoč bolnikov.

Kako učinkovita je ta terapija s pomočjo elektroporacije?

Nobena terapija ne more rešiti vseh problemov, pomembno pa je, da imajo zdravniki pri roki različne možnosti; kombiniranje z elektroporacijo se je izkazalo za praktično pri lokalnih zapletih, ko tumorja ni mogoče odstraniti kirurško. Spominjam se enega od prvih pacientov, vključenega v študijo elektrokemoterapije globlje ležečih tumorjev; gospo so zdravili zaradi metastaze v jetrih, na mestu, kjer kirurški poseg ni bil mogoč. Profesor dr. Eldar Gadžijev se je takrat odločil za elektrokemoterapijo, in gospa je bila nato še vsaj osem let brez znakov bolezni. Nedavno so kolegi iz Irske v okviru klinične študije pokazali, da je zdravljenje bazalnoceličnega karcinoma z elektrokemoterapijo vsaj enako učinkovito kot kirurški poseg. Paciente so spremljali še vsaj pet let po opravljeni terapiji.

Verjetno ima kombinacija kemoterapije z elektroporacijo manj stranskih učinkov, še posebej, če jo lahko zdravnik uvaja lokalno?

Kolegi z Onkološkega inštituta in Univerzitetnega kliničnega centra so ugotovili, da lahko bleomicin dajejo v manjših dozah, a je še vedno učinkovit. Uvajanje elektrokemoterapije je kljub temu relativno počasno, saj je v medicini zaradi skrbi za paciente pot do novih zdravil ali metod zelo dolgotrajna, zdravniki pa so tudi naravnani k rabi metod, ki jih dobro poznajo. Navsezadnje je tu še zdravstvena zavarovalnica, ki nerada daje denar za nove terapije, razen če bolnišnice opustijo kakšen drug program, pri tem pa lahko hitro pride do kolizije različnih interesov. Z novo terapijo po navadi pridemo v bolnišnice skozi »zadnja vrata«: najprej pri pacientih, kjer so že izčrpali vse druge možnosti, potem pa počasi naprej.

Ste kot eden vodilnih pri razvoje te metode še vedno udeleženi v njeno vpeljevanje?

Naše delo še ni končano, ker inženirji v vsaki stvari iščemo uporabnost, koristnost – tako razumem tudi svoje poslanstvo. Kot rečeno, cena elektrod glede na število pacientov ni upravičena in jo je treba znižati. Zato so se lotili analize učinkovitosti stroškov, povezanih z elektrokemoterapijo. Pri nekaterih oblikah raka, kot je maligni melanom, elektrokemoterapija na primer pomaga pacientom s krvavečimi tumorji, da prenehajo krvaveti, in se torej že pri sedanji ceni elektrode terapija izplača. Tudi pri zdravljenju globlje ležečih tumorjev v telesu ali pri metastazah v jetrih naše delo še ni končano. 

Za zdravljenje z elektroporacijo je treba za vsakega pacienta in tumor posebej načrtovati, kako zabosti, kam vstaviti elektrodo in s kakšnimi pulzi porirati. Načrtovanje zdravljenja z elektroporacijo smo začeli razvijati že leta 2006. Trenutno s pripravo načrtov zdravljenja sodelujemo pri izvajanju kliničnih študij kolegov onkologov v UKC Ljubljana in Onkološkem inštitutu v Ljubljani. Pri retrogradni analizi kliničnih študij pa sodelujemo tudi z drugimi raziskovalci iz tujine – tudi s centrom za raziskave in zdravljenje raka Sloan Kettering v New Yorku, ZDA. Lahko torej rečem, da smo trenutno v fazi, ko analiziramo dosedanje terapije in hkrati že pomagamo načrtovati konkretno zdravljenje v onkologiji.

Dosedanje izkušnje vam pomagajo tudi pri načrtovanju novih metod v zdravstvu, kot je srčna ablacija?

Da. Skupaj s podjetjem Medtronic že nekaj let razvijamo elektroporacijo za uporabo pri ablaciji srca. Medtronic, ki ima 84 tisoč zaposlenih in podjetja po vsem svetu, je poiskal nas, ker so bili prepričani, da jim lahko z našim znanjem pomagamo – za zdaj jim ni bilo žal. Srčne ablacije, to je brazgotinjenje tkiva, so doslej večinoma delali s segrevanjem tkiva z radiofrekvenčno metodo ali v zadnjem času z zmrzovanjem tkiva – krioablacijo. Ablacijske metode, ki temeljijo na termičnih metodah, pa so žal počasne in lahko vodijo v resne komplikacije, zato je njihova uporaba omejena.

V čem je postopek elektroporacije drugačen od takšnega uničevanja tkiv?

Pri elektroporaciji lahko, kot rečeno, začasno povečamo prepustnost celične membrane, nato se membrana povrne v prejšnje stanje, lahko pa jo tudi – nadzorovano – poškodujemo tako zelo, da celica odmre; to je ireverzibilna elektroporacija. Z amplitudo, dolžino pulza itd. lahko vplivamo na to, ali bo celica preživela ali ne. Ta proces znamo zdaj nadzorovati, a naše delo še ni končano. Za vsako tkivo posebej moramo ugotoviti, na kateri točki se zgodi reverzibilna ali ireverzibilna elektroporacija. Tudi znanje, ki smo si ga pridobili pri razvoju načrtovanja zdravljenja globlje ležečih tumorjev, nam pomaga načrtovati katetre in postopke za ablacijo srčne mišice z elektroporacijo.

Torej bi lahko z elektroporacijo tarčno uničevali tudi rakave celice?

Res je; v ZDA uporabljajo enak postopek kot pri ablaciji pri zdravljenju raka, a po mojem mnenju je lepota souporabe elektroporacije in kemoterapevtika prav v tem, da lahko hkrati, a različno učinkujemo s kemoterapevtskim sredstvom na zdravo in na rakavo celico; zdrava preživi, rakava pa umre. Uporabljeni kemoterapevtik v elektrokemoterapiji namreč tvori enojne in dvojne prelome vijačnice DNK. Ker se rakave celice nenehno delijo, jim te poškodbe delitev onemogočijo in tako odmrejo, medtem ko zdrave nimajo potrebe po deljenju in preživijo.

Srce je bilo prvi organ, pri katerem si je medicinska znanost pomagala z elektrotehniko, da je razvila srčni spodbujevalnik.

To je še danes najsvetlejši primer, ki je utemeljil področje biomedicinske tehnike, ko je v sodelovanju inženirjev in srčnih kirurgov prišlo do razvoja danes miniaturne naprave. Ta meri vsega dva centimetra v dolžino, a je v njej vsa elektronika skupaj z baterijo; vstavi se v srce, kjer avtonomno deluje do deset let. To je napredek elektronike in tehnologije, ki me fascinira, saj omogoča kakovostno življenje pacientom, da hodijo na sprehode ali po stopnicah in živijo normalno. Tega kemija ne zmore: z električnim impulzom sprožimo akcijski potencial in srčna mišica se skrči. Ker ta proces razumemo, je lahko iz tega nastala cela industrija.

Doslej so to počeli s segrevanjem tkiva, radiofrekvenčno ablacijo, do te mere, da so ga uničili. Tkivo, dokler je živo, deluje namreč tudi kot aktivni prevodnik signala in tako pride do fibrilacije v levem atriju. Problem pri tem postopku je, da včasih tkivo preveč pregrejejo in lahko pride do fistule – nastane povezava med srcem in požiralnikom – kar lahko povzroči smrt pacienta. Na januarskem simpoziju atrijske fibrilacije v ZDA sem videl, da jo zdravniki – srčni elektrofiziologi – že testirajo in da tako rekoč vsa večja podjetja razvijajo orodja za ablacijo z elektroporacijo.

Obširnejši članek je bil objavljen v reviji Gea (oktober 2020)

Več o reviji Gea >