Jony wapnia zamiast cytostatyku

Elektroporacja wapniowa – metoda, w której krótkie impulsy elektryczne umożliwiają kontrolowany napływ jonów Ca²⁺ do komórek nowotworowych – jest jedną z najbardziej obiecujących, niefarmakologicznych strategii w onkologii guzów litych. Zespół Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu, we współpracy z lekarzami Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego, jako pierwszy w Polsce zastosował tę technikę w leczeniu miejscowo zaawansowanego raka trzustki.

Rak trzustki należy do najtrudniejszych w leczeniu nowotworów. W Polsce odpowiada za około 3 proc. wszystkich zachorowań i plasuje się na 6. (mężczyźni) oraz 7. (kobiety) miejscu pod względem umieralności. Jest oporny na większość schematów chemioterapii, a położenie anatomiczne narządu – w bezpośrednim sąsiedztwie dużych naczyń krwionośnych i przewodów żółciowych – wyklucza zastosowanie klasycznych technik ablacyjnych opartych na działaniu termicznym. U znacznej części chorych w chwili rozpoznania możliwe jest wyłącznie leczenie paliatywne.

W tym kontekście rozwój metod opartych na elektroporacji – w tym elektroporacji wapniowej (Calcium Electroporation, CaEP) – wpisuje się w istotną niezaspokojoną potrzebę kliniczną. Badania kliniczne i przedkliniczne prowadzone w UMW dostarczają danych istotnych zarówno dla rozwoju metody w Polsce, jak i dla dyskusji nad jej miejscem w międzynarodowych protokołach leczenia onkologicznego.

Mechanizm: elektropermeabilizacja i rozregulowanie homeostazy wapniowej

Elektroporacja polega na poddaniu komórek krótkim, dobranym ilościowo impulsom elektrycznym o wysokim natężeniu pola elektrycznego, które prowadzą do przejściowej (elektroporacja odwracalna) lub trwałej (nieodwracalna, IRE) elektropermeabilizacji błony plazmatycznej. W obszarach destabilizacji błony powstają struktury, rozszczelnienia, określane mianem nanoporów, przez które – zgodnie z gradientem elektrochemicznym – mogą przemieszczać się jony i drobne cząsteczki w normalnych warunkach nieprzepuszczalne dla błony.

W klasycznej elektrochemioterapii (ECT) zjawisko to wykorzystuje się do doprowadzenia do wnętrza komórki nowotworowej cytostatyku – najczęściej bleomycyny lub cisplatyny. W elektroporacji wapniowej rolę aktywnej substancji przejmują jony Ca²⁺ podawane doguzowo w postaci roztworu chlorku wapnia. Kluczowe znaczenie ma w tym przypadku gradient stężeń: różnica stężenia Ca²⁺ pomiędzy płynem zewnątrzkomórkowym (rząd milimolarny) a cytoplazmą (rząd nanomolarny w spoczynku) sięga około czterech rzędów wielkości. Po elektropermeabilizacji błony jony Ca²⁺ napływają do cytoplazmy w ilości, której komórka nie jest w stanie kompensacyjnie usunąć ani zbuforować.

– Jony wapnia są w warunkach fizjologicznych jednym z najściślej regulowanych wtórnych przekaźników. Ich gwałtowny napływ do cytoplazmy, jaki wymuszamy poprzez elektroporację, rozregulowuje homeostazę wapniową: dochodzi do przeładowania mitochondriów jonami Ca²⁺, depolaryzacji wewnętrznej błony mitochondrialnej i niespecyficznych kanałów białkowych (megakanałów mPTP) w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Konsekwencją jest spadek produkcji ATP, jednocześnie pochłanianego przez transportery próbujące przywrócić równowagę jonową. Komórka wyczerpuje swoje zasoby energetyczne i ginie – głównie na drodze nekrozy, choć obserwujemy także cechy innych typów śmierci komórkowej, w tym apoptozy czy pyroptozy – wyjaśnia prof. Julita Kulbacka z Katedry i Zakładu Biologii Molekularnej i Komórkowej Wydziału Farmaceutycznego UMW.

Istotną właściwością metody jest zróżnicowana wrażliwość komórek nowotworowych i prawidłowych na impulsy elektryczne. Zjawisko to – opisane po raz pierwszy przez grupę prof. Julie Gehl z Danii (m.in. Cancer Research, 2012; PLOS ONE, 2015) i potwierdzone w kolejnych pracach, w tym wrocławskich – wynika z różnic w metabolizmie, zdolnościach antyoksydacyjnych oraz zdolnościach buforowania Ca²⁺ między komórkami transformowanymi a prawidłowymi. Mechanizm ten leży u podstaw potencjału terapeutycznego CaEP. W odróżnieniu od leków cytostatycznych jony Ca²⁺ nie wykazują działania mutagennego, a podanie doguzowe pozwala uniknąć toksyczności ogólnoustrojowej typowej dla chemioterapii (m.in. mielosupresji). W literaturze opisuje się także hipotetyczny efekt immunogenny – tzw. abscopal effect – polegający na regresji ognisk odległych od miejsca zabiegu w odpowiedzi na uwolnienie antygenów nowotworowych z komórek umierających na drodze nekrozy. Mechanizm ten pozostaje przedmiotem dalszych badań.

Pierwsze polskie zastosowanie kliniczne – rak trzustki

Zaplecze przedkliniczne dla wrocławskiego programu klinicznego stworzył projekt SONATA BIS 6 (NCN) pt. Udział ultra krótkich pulsów elektrycznych w indukcji stresu oksydacyjnego oraz ocena przeciwnowotworowego potencjału elektroporacji nanosekundowej (nsPEF) w nowotworach jelita grubego na modelu in vitro i in vivo, kierowany przez prof. Julitę Kulbacką. Projekt obejmował badania nad doguzowym podaniem chlorku wapnia w połączeniu z impulsami pola elektrycznego o różnym czasie trwania, w modelach komórkowych i zwierzęcych. Wyniki dotyczące mechanizmu działania impulsów sub-mikrosekundowych w obecności jonów Ca²⁺ – opublikowane m.in. w Scientific Reports (Novickij, Rembiałkowska, Kulbacka i wsp., 2020) – wskazują m.in. na zmianę ekspresji białek związanych z gospodarką wodno-jonową (Aquaporin-4, VDAC1) i potwierdzają zaangażowanie mitochondriów w mechanizm cytotoksyczny.

Wyniki przedkliniczne zostały następnie przeniesione na grunt kliniczny we współpracy z II Katedrą i Kliniką Chirurgii Ogólnej i Chirurgii Onkologicznej UMW, kierowaną przez prof. Wojciecha Kielana. Pierwsze polskie zastosowanie metody – opisane w publikacji w czasopiśmie Applied Sciences (Rudno-Rudzińska, Kielan, Guziński, Płochocki, Kulbacka, 2020) – miało charakter protokołu skojarzonego: u dwóch pacjentów z miejscowo zaawansowanym, nieoperacyjnym gruczolakorakiem trzustki zastosowano nieodwracalną elektroporację (IRE) w połączeniu z doguzowym podaniem jonów Ca²⁺ i chemioterapią systemową. W jednym z opisanych przypadków, w którym IRE+Ca²⁺ wykonano równolegle z chemioterapią, obserwowano przeżycie 21 miesięcy po zabiegu, ustąpienie dolegliwości bólowych i odzyskanie masy ciała przez chorego.

Kontynuacją tych badań jest niekomercyjne badanie kliniczne IREC (EudraCT 2021-004987-91 https://www.clinicaltrialsregister.eu/ctr-search/trial/2021-004987-91/PL ), finansowane przez Agencję Badań Medycznych. W badaniu, prowadzonym przez UMW na grupie 70 pacjentów, porównywane są trzy podejścia: nieodwracalna elektroporacja (IRE), nieodwracalna elektroporacja wapniowa (IRE-Ca) oraz nieodwracalna elektrochemioterapia (IRE-CT) z bleomycyną. Pierwszorzędowymi punktami końcowymi są jakość życia oraz przeżycie wolne od progresji (PFS). Według wstępnych danych, opublikowanych przez zespół w Advances in Clinical and Experimental Medicine (Rudno-Rudzińska, Kielan, Guziński, Kulbacka, 2021), w grupie chorych poddanych zabiegowi obserwowano poprawę wyników jakości życia oraz średnie całkowite przeżycie sięgające około 26 miesięcy od rozpoznania – co w populacji pacjentów z nieoperacyjnym rakiem trzustki stanowi rezultat istotnie odbiegający od standardowego rokowania.

– Pacjenci często trafiają do nas z innych ośrodków w Polsce, po wyczerpaniu standardowych linii leczenia. Obserwujemy redukcję dolegliwości bólowych, w tym tych o charakterze neuropatycznym, oraz stabilizację lub przyrost masy ciała. Z punktu widzenia chorego z nieoperacyjnym rakiem trzustki przekłada się to na realną poprawę jakości życia – mówi prof. Wojciech Kielan, kierownik II Katedry i Kliniki Chirurgii Ogólnej i Chirurgii Onkologicznej UMW.

Należy podkreślić, że elektroporacja wapniowa pozostaje obecnie metodą w trakcie oceny klinicznej i nie zastępuje uznanych schematów leczenia onkologicznego. Jest oferowana w ramach badań klinicznych chorym, u których standardowe linie terapii zostały wyczerpane lub nie mogą być zastosowane z powodu lokalnego zaawansowania choroby.

Interdyscyplinarność jako warunek translacji

Wrocławski program badawczy stanowi przykład translacji od koncepcji molekularnej do procedury klinicznej, możliwej dzięki współpracy trzech grup kompetencji. Naukowcy z dziedziny nauk farmaceutycznych prowadzą badania in vitro i in vivo w zakresie doboru parametrów impulsów, dawek CaCl₂, oceny stresu oksydacyjnego oraz oceny różnicowej cytotoksyczności w liniach komórkowych raka piersi, raka okrężnicy i czerniaka. Klinicyści – chirurdzy onkologiczni i radiolodzy – odpowiadają za kwalifikację pacjentów, wykonywanie zabiegów pod kontrolą obrazową (USG, CT) oraz monitorowanie odpowiedzi klinicznej. Z kolei inżynierowie biomedyczni i elektronicy projektują generatory impulsów, prowadzą modelowanie numeryczne rozkładu pola elektrycznego w tkankach (m.in. w środowisku COMSOL) oraz walidację parametrów pod kątem różnicowej selektywności wobec tkanki nowotworowej.

– Bez którejkolwiek z tych kompetencji nie udałoby się przejść drogi od mechanizmu molekularnego do urządzenia medycznego i protokołu klinicznego – podkreśla prof. Kulbacka. – Badania translacyjne w medycynie to nie kolejny punkt w strategii, to codzienna praca nad wspólnym językiem między dyscyplinami.

Pozycja międzynarodowa wrocławskiej grupy

Aktywność zespołu UMW jest dobrze widoczna w środowisku międzynarodowym. Prof. Julita Kulbacka została wybrana do zarządu International Society for Electroporation-Based Technologies and Treatments (ISEBTT) na kadencję 2024–2026 jako Officer for Biological Sciences. Pełniła funkcję członka komitetów naukowych Światowego Kongresu Elektroporacji w Kopenhadze (2022) i Rzymie (2024), współprowadząc sesję poświęconą elektroporacji wapniowej. W drugim wydaniu monografii Handbook of Electroporation (Springer Nature, 2025) odpowiada jako Section Editor za sekcję Preclinical Development for Biomedical Applications of Electroporation.

Nie tylko trzustka – guzy lite i model translacyjny

Choć rak trzustki był pierwszym wskazaniem klinicznym, mechanizm działania elektroporacji wapniowej nie jest specyficzny dla tego nowotworu. Skuteczność CaEP została potwierdzona w badaniach przedklinicznych m.in. dla mięsaków – kluczowa publikacja zespołu (Szewczyk, Gehl, Daczewska, Saczko, Frandsen, Kulbacka, Oncotarget, 2018, ponad 50 cytowań) wykazała w modelu zwierzęcym mięsaka S180, że CaEP indukuje szybką nekrozę komórek nowotworowych przy efektywności porównywalnej lub wyższej niż elektrochemioterapia z bleomycyną i przy istotnie niższej toksyczności systemowej. Wrocławski zespół jako pierwszy na świecie opisał także zastosowanie nano-elektrochemioterapii (nsPEF + bleomycyna) u pacjenta weterynaryjnego z czerniakiem jamy ustnej (Tunikowska, Atończyk, Rembiałkowska, Jóźwiak, Novickij, Kulbacka, Animals, 2020). Praca ta, choć dotyczy zwierzęcia, ma istotne znaczenie translacyjne: dostarcza danych o tolerancji, bezpieczeństwie i gojeniu po zabiegu z wykorzystaniem impulsów rzędu 15 ns i pola 15 kV/cm.

Dalszy rozwój metody będzie zależał od wyników badania IREC oraz od opracowania kolejnych generacji impulsów – w tym sekwencji nanosekundowych (nsPEF) i protokołów o ultra-wysokich częstotliwościach – nad którymi pracuje zespół UMW we współpracy z partnerami litewskimi. Otwartymi pytaniami pozostają: optymalizacja parametrów elektrycznych dla różnych lokalizacji guzów, dawkowanie jonów wapnia, znaczenie odpowiedzi immunologicznej w długoterminowej kontroli choroby oraz miejsce CaEP w sekwencji leczenia onkologicznego.

– Naszym celem nie jest zastąpienie istniejących metod, lecz poszerzenie możliwości dla chorych, dla których standardowe leczenie nie jest możliwe lub okazało się nieskuteczne – podsumowuje dr hab. Julia Rudno-Rudzińska. – Elektroporacja wapniowa jest jedną z dróg, jakimi onkologia idzie w kierunku terapii bardziej selektywnych, mniej toksycznych i dostępnych szerszej grupie pacjentów.

Pytania i odpowiedzi

Czym jest elektroporacja wapniowa?

To metoda terapeutyczna, w której krótkie impulsy pola elektrycznego prowadzą do przejściowej permeabilizacji błony plazmatycznej komórek nowotworowych (powstanie nanoporów), co umożliwia masowy napływ jonów Ca²⁺ z roztworu chlorku wapnia podawanego doguzowo. Skutkiem jest rozregulowanie homeostazy wapniowej, przeładowanie mitochondriów jonami Ca²⁺, deplecja ATP i śmierć komórki – głównie na drodze nekrozy.

Czym CaEP różni się od elektrochemioterapii (ECT)?

Mechanizm fizyczny (elektropermeabilizacja błony) jest taki sam. Różnica dotyczy substancji aktywnej: w ECT są to leki cytostatyczne (bleomycyna, cisplatyna), w CaEP – jony Ca²⁺. CaEP nie wymaga zatem stosowania chemioterapeutyku i nie wykazuje działania mutagennego, a przy podaniu doguzowym pozwala uniknąć toksyczności ogólnoustrojowej.

Czy metoda jest selektywna wobec komórek nowotworowych?

W literaturze opisuje się różnicową wrażliwość komórek nowotworowych i prawidłowych na elektroporację wapniową – komórki transformowane wykazują wyższą podatność na śmierć indukowaną nadmiarem Ca²⁺ w cytoplazmie. Zjawisko to przypisuje się m.in. różnicom w metabolizmie energetycznym, zdolnościach buforowania jonów wapnia i zdolnościach antyoksydacyjnych. Nie jest to jednak selektywność absolutna i parametry zabiegu muszą być dobierane indywidualnie.

Dla kogo przeznaczona jest ta terapia?

Obecnie – wyłącznie w ramach badań klinicznych – dla pacjentów z nieoperacyjnymi guzami litymi, u których wyczerpano standardowe linie leczenia lub u których standardowe metody ablacyjne nie mogą być zastosowane z powodu lokalizacji guza. We Wrocławiu rekrutowani są chorzy z miejscowo zaawansowanym rakiem trzustki w ramach badania IREC.

Czy elektroporacja wapniowa zastępuje chemioterapię lub operację?

Nie. Jest to wciąż metoda eksperymentalna, uzupełniająca aktualnie dostępne opcje leczenia. Może być stosowana samodzielnie lub w skojarzeniu z chemioterapią systemową – w pierwszym polskim opisanym przypadku zastosowano protokół skojarzony IRE + Ca²⁺ + chemioterapia.

Gdzie wykonuje się zabieg?

W Polsce – w II Katedrze i Klinice Chirurgii Ogólnej i Chirurgii Onkologicznej Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego we Wrocławiu, w ramach badań klinicznych prowadzonych przez Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu.

Fot. Krzysztof Ćwik