"Przełomowy rok dla bioinżynierii"

Rok 2015 był dla nauki czasem niesłychanie burzliwym i zajmującym. Szczególną uwagę warto zwrócić na bioinżynierię, zwłaszcza genetyczną i tkankową, które przeżywają złoty wiek rozwoju.

.Ogromny postęp zawdzięczamy przede wszystkim nowym, rewolucyjnym technologiom. Ich powstanie było możliwe dzięki współpracy pomiędzy zespołami reprezentującymi różne dziedziny nauki – przede wszystkim biologiczne, fizyczne, chemiczne, farmaceutyczne oraz nauki o zdrowiu. W dziedzinie biologii (bioinżynierii) medycznej w 2015 r. trzy pierwsze miejsca można przyznać następującym wydarzeniom naukowym:

Miejsce trzecie: badania na organoidach przypominających strukturę mózgu

.Inżynieria tkankowa, w tym najnowsze techniki biodruku 3D, to dziedzina, która w ostatnich latach rozwija się w postępie geometrycznym. W 2015 roku odbyły się liczne konferencje na całym świecie, m.in. w Nowym Jorku, gdzie zaprezentowano fenomenalne osiągnięcia w zakresie hodowania i tworzenia narządów w warunkach in vitro, m.in. prototyp nerki — dzieło zespołu naukowców z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine. Komercyjnie dostępne są fragmenty wątroby drukowane przez firmę Organovo, służące przede wszystkim jako alternatywa badań na zwierzętach w celu testowania nowych leków, poprzedzających badania kliniczne. Zainteresowanym pogłębieniem wiedzy o dokonaniach inżynierii tkankowej polecam artykuły: [LINK] oraz [LINK].

W 2015 r. za największy sukces uznano wyhodowanie organoidów przypominających miniaturowy mózg ludzki.

.Badania zostały zapoczątkowane przez zespół pod kierownictwem profesor Flory Vaccarino z Uniwersytetu w Yale. Do eksperymentu użyto komórek pobranych ze skóry pacjentów ze stwierdzonym autyzmem, które poddano przeprogramowaniu w komórki macierzyste, a następnie w warunkach in vitro procesowi specjalizacji w komórki nerwowe. Po wytworzeniu organoidów przeprowadzono wiele analiz. Badano między innymi ekspresję różnych genów sterujących rozwojem ośrodkowego układu nerwowego, które mogą być również odpowiedzialne za pojawienie się autyzmu. W celu porównania wyników badań utworzono grupę kontrolną, którą stanowiły organoidy z komórek pochodzących od rodziców dzieci autystycznych.

Rezultaty tego projektu badawczego pozwoliły na poznanie wielu mechanizmów istotnych dla prawidłowego rozwoju mózgu oraz rzuciły nowe światło na procesy sprzyjające powstawaniu wad ośrodkowego układu nerwowego. Odkryto geny, których nadekspresja może przyczyniać się do rozwoju autyzmu, a także stwierdzono wyraźne różnice w liczbie określonego typu neuronów pojawiających się w tej chorobie w porównaniu z osobami zdrowymi.

Inne zespoły badawcze prowadzą obecnie badania na organoidach wyhodowanych z komórek osób ze stwierdzoną schizofrenią oraz chorobami neurodegeneracyjnymi, np. chorobą Alzheimera. Pozwoli to na lepsze poznanie czynników predysponujących do rozwoju tego typu zaburzeń oraz otworzy nowe kierunki terapii w neurologii i psychiatrii.

Miejsce drugie: nowe metody diagnostyki i leczenia chorób nowotworowych

.Naukowcy pogodzili się już z faktem, że uniwersalne lekarstwo na choroby nowotworowe prawdopodobnie nigdy nie zostanie wynalezione. Jednak nie ustają w poszukiwaniu nowych metod szybkiego diagnozowania zmian nowotworowych oraz walki z nimi na wszystkich etapach kancerogenezy. Wyzwanie jest ogromne, ponieważ nowotwory to zróżnicowani, wyspecjalizowani, nieprzewidywalni i niezwykle skuteczni zabójcy.

W 2015 roku odkryto wiele nowych genów odpowiedzialnych za powstawanie różnych typów chorób nowotworowych oraz słabą odpowiedź niektórych odmian raka na leczenie, co może w przyszłości pomóc w doborze odpowiedniej terapii. Niestety, choroby te mogą mieć różne podłoże, nie tylko genetyczne, lecz również środowiskowe. Dodatkowo na początku 2015 r. pojawiły się kontrowersyjne doniesienia, że niektóre nowotwory krwi są prawdopodobnie powiązane z procesami starzenia organizmu, które wpływają na stabilność ważnych białek regulatorowych w tych komórkach.

.Powodzenie terapii antynowotworowej zależy zatem przede wszystkim od wczesnej i trafnej diagnozy. Jedną z nowych, obiecujących technik jest szybkie sekwencjonowanie genów za pomocą urządzeń nowej generacji. W 2015 r. rozpoczęto badania na Uniwersytecie w Hongkongu, obejmujące 20 tysięcy osób, oparte na sekwencjonowaniu DNA pozyskanego z niewielkiej ilości krwi pacjenta. Dr Dennis Lo, który jest kierownikiem zespołu badawczego stosującego technikę „liquid biopsy”, twierdzi, że profilaktyczne badanie genomu ludzkiego może przyczynić się do znacznej poprawy wykrywalności nowotworów. Środowisko naukowe jest jednak podzielone, onkolodzy podchodzą do tego przedsięwzięcia sceptycznie, przede wszystkim ze względu na duże koszty i konieczność wykonania dodatkowych badań w celu potwierdzenia pierwotnej diagnozy.

Rok 2015 w leczeniu nowotworów to nacisk na stosowanie kombinacji różnych typów terapii, przede wszystkim wykorzystanie immunoterapii. Sporo mówi się również o szczepionkach na niektóre choroby nowotworowe. Ostatnio FDA zatwierdziła kombinację dwóch nowych sposobów leczenia, wykorzystujących układ odpornościowy do walki ze złośliwym czerniakiem: nivolumab i ipilimumab, które są obecnie w ostatniej fazie badań klinicznych. Wyniki są obiecujące i stanowią niewątpliwy przełom w leczeniu tego nowotworu, ponieważ przypadki zachorowań są coraz częstsze w wyniku zmian klimatycznych, a związana z nim śmiertelność jest nadal bardzo wysoka.

Warto również wspomnieć o nowej metodzie przekraczania bariery krew-mózg za pomocą ultradźwięków i „mikrobaniek” z lekiem, która może znaleźć zastosowanie w skuteczniejszym leczeniu nie tylko chorób neurodegeneracyjnych, ale również nowotworów mózgu. Obecnie naukowcy kanadyjscy pomyślnie zakończyli I fazę badań klinicznych. O tej technice również pisaliśmy na naszych stronach.

Miejsce pierwsze: edytowanie genomu metodą CRISPR-Cas9

.Za najbardziej doniosłe wydarzenie roku 2015 w naukach biomedycznych uznano dokonania wykorzystujące metodę edytowania genomu CRISPR-Cas9. Na pierwszym miejscu stawia tę technologię m.in. jedno z najlepszych czasopism na świecie – Science.

.Technika CRISPR została wynaleziona, a właściwie „zapożyczona” od bakterii, już w 2012 r., ale w 2015 r. po raz pierwszy opublikowano wyniki badań nt. manipulacji dokonanych na genomie ludzkim. Wzbudziło to ogromne poruszenie w całym środowisku naukowym i sprowokowało liczne debaty, w tym międzynarodową w Waszyngtonie, która odbyła się 1–3 grudnia 2015 r. Spotkanie to było obserwowane na żywo przez ludzi na całym świecie i budziło spore emocje nie tylko wśród naukowców.

Metoda CRISPR jest prosta, tania, błyskawiczna i bardzo precyzyjna. Ponadto jest cały czas ulepszana przez biologów syntetycznych, co czyni ją narzędziem niemal doskonałym. Wymiana, usunięcie bądź dodanie określonych genów staje się w tej chwili coraz prostszym zadaniem. Daje to nadzieję na wyleczenie wielu chorób, natomiast w przypadku zastosowania na bardzo wczesnym etapie rozwoju organizmu — możliwość naprawy błędów w DNA, aby wady nie miały żadnej szansy się rozwinąć. Wprowadzone zmiany mogą zostać odziedziczone, a co więcej — dzięki poziomemu transferowi genów są w stanie rozprzestrzenić się z niemal stuprocentową skutecznością.

Edytowanie genomu może pomóc w przypadku niemal każdej choroby, która ma znane podłoże genetyczne.

.Ponadto można użyć tej metody w leczeniu chorób nabytych, takich jak zakażenia wirusami, np. HIV. Odpowiednie zmiany w DNA mogą również działać jak „szczepionka” i zapobiegać możliwości rozwinięcia się infekcji poprzez uzyskanie oporności na określone wirusy czy metabolity wytwarzane przez bakterie. Możemy jej użyć przeciwko mikroorganizmom chorobotwórczym i pozbawić je zjadliwości i możliwości rozprzestrzeniania się, co jest niezmiernie ważne np. z powodu problemu rosnącej oporności na antybiotyki. Pod koniec 2015 r. naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego stworzyli komary, które dzięki zastosowaniu metody CRISPR-Cas9 są odporne na zakażenie zarodźcem wywołującym malarię, a dodatkowo mogą przekazać tę cechę całemu potomstwu. Mimo że badania są na etapie wstępnym, jest to ogromny przełom i szansa na wyeliminowanie w przyszłości chorób takich jak malaria czy denga, które są najczęstszą przyczyną zgonów na świecie w wyniku działania czynników biologicznych.

Więcej informacji na temat modyfikacji komarów w walce z malarią tutaj: [LINK].

.Modyfikacje genetyczne niektórych komórek naszego organizmu umożliwiłyby ich zmianę w nośniki leków, a bakterie mogłyby się stać naszymi sojusznikami w walce z infekcjami. Duże nadzieje budzi również zastosowanie CRISPR do genetycznego modyfikowania zwierząt w celu uzyskania organów do przeszczepu, czyli tzw. ksenotransplantacji, oraz roślin w celu uzyskania lepszych upraw.

To tylko niektóre z zastosowań. Przed nami wielka niewiadoma, ale jedno jest pewne — jeśli zaczniemy tę metodę stosować powszechnie – zegar ewolucji bardzo przyspieszy.

Sylwia Borska