Takanori Takebe: Oddychanie przez jelita może ratować życie

Maria Hawranek: Alternatywnymi metodami oddychania zainteresował się Pan ze względu na chorobę ojca?

Takanori Takebe: Zaczęło się od niewydolności nerek. W trakcie dializ ojciec zaraził się bakteriami, które spowodowały przewlekłe problemy w prawym płucu. Przeszedł inwazyjną operację – w tylnej części klatki piersiowej zrobiono mu otwór, który każdego dnia trzeba było opatrywać, by nie dopuścić do rozprzestrzenienia się infekcji i wystąpienia niewydolności oddechowej. 

Później, w czasie pandemii covidu, złapał zapalenie płuc, przez jakiś czas leczono go za pomocą mechanicznego respiratora. I wtedy zdałem sobie sprawę, że ma bardzo ograniczone możliwości pomocy – nie kwalifikował się do ECMO, czyli pozaustrojowego natleniania krwi, a wentylacja mechaniczna jest szkodliwa, bo tworzy dodatkowe ciśnienie w płucach. 

Specjalizuję się w medycynie regeneracyjnej – zmotywowało mnie to do poszukania odpowiedzi na pytanie, co mógłbym dla niego zrobić. Jeden z moich studentów pracował wówczas nad eksperymentami dotyczącymi regeneracji płuc przy pomocy komórek macierzystych, co w zastosowaniu praktycznym byłoby bardzo trudne. 

Powiedziałem mu, żeby rozważył inne podejście – poszukał innych organizmów, które mają alternatywne metody oddychania, i sprawdził, czy i jakie to może mieć przełożenie na ludzi.

Zaczęło się od rybki słodkowodnej – piskorza, który potrafi oddychać atmosferycznym tlenem przez jelita, jeśli znajdzie się w zbyt błotnistym środowisku. Później sprawdzaliście pod tym kątem myszy. Jak?

Początkowo bardzo prosto – umieściliśmy mysz pod mechanicznym respiratorem, wprowadziliśmy do niego mieszankę o niskiej zawartości tlenu, zaś przez odbyt podawaliśmy jej gaz o niskiej lub wysokiej zawartości i patrzyliśmy, o ile przedłuży jej to życie. Zauważyliśmy pewną poprawę przy mieszance z dużą zawartością tlenu, ale nie drastyczną. Dlatego zdecydowaliśmy się na przygotowanie myszy do tego eksperymentu. 

Usuwaliśmy błonę śluzowej przewodu pokarmowego – jego najbardziej powierzchniową warstwę. Zawiera ona dużo śluzu i nabłonka, dlatego tlen z trudem przez nią przenika. Okazało się wtedy, że pozbawiony tej bariery układ pokarmowy bardzo skutecznie może dostarczyć tlen do krwi.

Jest to jednak metoda niezwykle inwazyjna i szkodliwa, musieliśmy więc opracować inne podejście, które mogłoby być sposobem ratowania życia. Zna pani Evangelion?

Nie.

To w Japonii bardzo popularne anime science fiction. Ludzie kontrolują w nim wielkiego humanoidalnego robota, który pozostając zanurzony w wodzie, oddycha cieczą, czymś w rodzaju lawy. Jeden ze studentów dowiedział się, że ten pomysł powstał w oparciu o eksperymenty przeprowadzone przez doktora Ryana Clarke’a w latach 90. – tak się przypadkowo składa, że robił je w Szpitalu Dziecięcym w Cincinnati, gdzie ja teraz pracuję. 

Clarke był ojcem syntetycznej krwi – płynu, który może zastępować hemoglobinę, do której w krwi wiąże się tlen. Zaczęliśmy dojelitowo podawać ten płyn w eksperymentach z myszami – już bez żadnego wcześniejszego przygotowania ich układu pokarmowego. Wysokie ciśnienie cząsteczkowe tlenu zawartego w tym płynie sprawiło, że efektywnie przenikał (dyfundował) do układu krwionośnego. 

Również u świń?

Tak, one też w efekcie tej interwencji miały wyższy poziom natlenienia krwi. 

W ubiegłym roku Pana zespół opublikował raport z pierwszych testów metody EVA (Enteral Ventilation through Anus), wentylacji dojelitowej przez odbyt, z udziałem 27 japońskich ochotników. Co się w tych badaniach okazało?

Celem badania było sprawdzenie, czy ludzie będą w stanie tolerować ten natleniony płyn w jelitach – nigdy wcześniej nie podawano go człowiekowi. Chcieliśmy się upewnić, że nie wyrządzi żadnej krzywdy. 

Podawaliśmy doodbytniczo dawki tego płynu o objętości od 0,2 do 1,5 litra ludziom bez żadnych schorzeń. Okazało się, że przy 1,5 litra, chociaż nie ma żadnych problemów medycznych, pojawia się poczucie wzdęcia i dyskomfortu. Przy 0,5 litra nie występuje już żaden dyskomfort ani ból. 

Przyjęliśmy, że jeden litr będzie tolerowany przez większość dorosłych mężczyzn i na tej podstawie kontynuujemy inne projekty z udziałem pacjentów w stanie kontrolowanego niedotlenienia. Chcemy sprawdzić, jak dojelitowe wstrzyknięcie od 0,5 do 1 litra natlenionego płynu wpłynie na ich wydajność tlenową.

Jak litr takiego płynu wprowadzanego do jelit ma się do naszego zapotrzebowania na tlen i dostarczania go do organizmu przez płuca?

Podanie natlenionego płynu nie ma na celu zastąpienia wszystkich funkcji płuc, ale ich wsparcie przez kilka minut – od pięciu do dziesięciu – w krytycznym momencie, gdy są bardzo uszkodzone. Jedna dawka powoduje zwiększenie natlenienia od 30 minut do 60 minut. To jest nasz horyzont przy jednorazowej interwencji. 

Oczywiście – jest ograniczony, ale iniekcje po usunięciu pierwszej porcji płynu można powtarzać do momentu, aż płuca odzyskają częściową funkcjonalność. Nie ma ludzi, u których płuca nie działają tak zupełnie, jednak w przypadku osób w krytycznym stanie każde kilka procent większego natlenienia krwi się liczy i może ratować życie.

Podanie płynu przypomina lewatywę?

Tak, to niemal identyczny proces, więc jego usuwanie może dziać się naturalnie. W eksperymentach na świniach zakładaliśmy cewnik i po prostu zamykaliśmy zawór po podaniu, a potem go otwieraliśmy. Ten prosty mechanizm można wykorzystać również na oddziałach intensywnej terapii, u pacjentów znieczulanych i nieświadomych.

W jakich przypadkach zabieg może być pomocny?

W wielu różnych, ale naszym pierwszym celem są noworodki. Często mają kłopoty z oddychaniem ze względu na niedojrzałość płuc, w takich sytuacjach alternatywny system służący jako pomost do momentu, gdy ich płuca będą w stanie dostarczać odpowiednią ilość tlenu, byłby zbawienny. W takim zastosowaniu uzyskiwana przez nas skala poprawy mogłaby nawet uratować życie. Właśnie planujemy badania klinicznie z noworodkami.

A co z wcześniakami? Zdaje się, że płuca to ostatni organ, który osiąga dojrzałość.

Zaczynamy od noworodków z problemami oddechowymi, np. z wrodzoną przepukliną przeponową, ale mam nadzieję, że z czasem będziemy mogli w ten sposób pomagać również wcześniakom.

Macie jeszcze jakąś grupę na celowniku? 

Sądzę, że jak już udowodnimy skuteczność metody na ludziach, będziemy mogli ją rozszerzać na wiele sytuacji – np. wspomagać pacjentów na respiratorach albo pacjentów w drodze do punktu medycznego, gdzie mogliby uzyskać dostęp do mechanicznej wentylacji – bo nie w każdym kraju na świecie jest to takie proste. 

Wentylacja dojelitowa jest rozwiązaniem również przy chorobach jelit i wątroby. Np. przy chorobach zapalnych jelit pacjenci doświadczają niedotlenienia, a tlenoterapia w komorach hiperbarycznych jest skomplikowana i trudno dostępna w wielu częściach świata. Tymczasem wentylacja dojelitowa to stosunkowo prosta procedura, która może stać się alternatywą.

Co dzieje się z dwutlenkiem węgla w czasie wentylacji dojelitowej?

To kolejna zaleta tego systemu – w wentylacji mechanicznej często pojawia się kłopot z usunięciem CO₂. Tutaj płyn naturalnie go absorbuje i usuwa z jelit. 

Jest Pan pionierem wentylacji dojelitowej?

Podejmowano wcześniej empiryczne próby dostarczenia tlenu do jelit, ale aż do teraz nie zaakceptowano tego nigdzie jako procedury medycznej. Nie pokładano też w niej zbyt wiele nadziei – profesorzy pulmonologii i intensywnej terapii raczej nie wierzyli w potencjał tego rozwiązania, nie podejmuje się go też w żadnych podręcznikach medycznych, dlatego z początku nie było nam łatwo uzyskać finansowania. 

Gdyby nie pandemia covid-19, nie moglibyśmy kontynuować tych badań – ona sprawiła, że badania dotyczące oddychania zyskały większe zainteresowanie, a przed nami otworzyło się okno możliwości. 

W Japonii zwykle trudno uzyskać finansowanie badań ze zbiórki publicznej, nam udało się zebrać 100 tys. dolarów. To doprowadziło nas do kolejnego kroku – zdobycia IG Nobla, po którym świadomość tego, czym się zajmujemy, i zainteresowanie naszą pracą jeszcze wzrosły – w efekcie umożliwiając nam dalsze finansowanie eksperymentów.

Nagrodę Ig Nobla przyznaje magazyn „Annals of Improbable Research” – na ogół osobliwym lub humorystycznym badaniom naukowym. Jak Pan na nią zareagował?

Jako naukowiec z 15-letnim stażem nie ceniłem jej specjalnie. Zastanawiałem się nawet, czy ją przyjąć. Ku mojemu zaskoczeniu, moi współpracownicy z wydziału i przyjaciele mieli do niej jednak pozytywne podejście. Zdałem sobie sprawę, że w Japonii jest dobrze odbierana. Moja ojczyzna naprawdę chciałaby dokonać jakichś niekonwencjonalnych odkryć, szczególnie w dziedzinie medycyny. 

Po nagrodzie poproszono mnie o wywiady i wypowiedzi w rozmaitych mediach na całym świecie. „New York Times” wybrał nasz projekt jako jedną ze stu wartościowych innowacji. Szerzenie świadomości to jedna z najważniejszych rzeczy, bo wciąż wiele osób pozostaje sceptycznych wobec tej procedury. A dzięki takim wyróżnieniom pewna firma poważnie zastanawia się nad komercjalizacją naszego produktu.

Wykształcił się Pan najpierw na transplantologa wątroby. Jak to się stało, że stał się Pan badaczem?

Wyobrażałem sobie, że będę ratować życia dzieci – cóż bardziej wartościowego? – tymczasem w czasie cotygodniowych debat z zespołem nad tym, kto powinien być kolejny na liście do przeszczepu, decydowaliśmy też i o tym, kto zostanie z niej usunięty, bo jest już nie do odratowania i nie zregeneruje się po zabiegu. To było dla mnie przytłaczające. Mogliśmy pomóc zaledwie ułamkowi potrzebujących. 

Pomyślałem wtedy, że jeśli uda mi się opracować nowe podejście, które sprawi, że będziemy mogli pomóc wszystkim pacjentom, niezależnie od ich priorytetu na liście, będzie to o wiele bardziej pożyteczne, a dla mnie – bardziej satysfakcjonujące. 

To, co Pan robi, to połączenie medycyny z inżynierią. Musiał Pan zdobyć jakieś dodatkowe umiejętności?

Na medycynie wszyscy się tego uczymy, szybko więc wróciłem do wątków podjętych na studiach. Najpierw próbowałem badać komórki macierzyste, tak by wyhodować z nich komórki wątroby. Jeden z naszych programów adresowanych do dzieci zostanie w kolejnym roku przetestowany klinicznie.

Dopowiedzmy: jako pierwsi skutecznie wyhodowaliście tkanki wątroby z komórek macierzystych, co odbiło się w świecie szerokim echem. Jak to się udało?

Oczywiście już wcześniej eksperymentowano z tkankami różnych organów, jednak skupiano się na konkretnym typie komórek, w przypadku wątroby – na hepatocytach. Udawało się je wyhodować, ale nie sprawdzały się w próbach klinicznych przy transplantologii. My postanowiliśmy porzucić to redukcjonistyczne podejście i przeprowadzać eksperymenty z różnymi rodzajami tkanek obecnymi w wątrobie – komórkami naczyń krwionośnych, komórkami mezenchymalnymi czy komórkami podścieliska. 

Dekadę temu to było nowatorskie podejście, dziś stało się bardziej powszechne. W 2013 r. opublikowaliśmy w „Nature” artykuł dowodzący, że możliwe jest wyhodowanie naczyń krwionośnych wątroby. Nie potrafiliśmy wtedy jednak tworzyć specyficznego rodzaju naczynia włosowatego występującego w wątrobie – tzw. zatoki wątrobowej. To udało nam się rok temu.

Jakie schorzenia będziecie dzięki temu w stanie leczyć?

Naszym celem jest całkowite zastąpienie funkcji wątroby przez krótki okres, na podobnej zasadzie jak przy wentylacji dojelitowej.

Jesteśmy w trakcie opracowywania urządzenia pozacielesnego, w którym umieszczamy w dużych ilościach organoidy wątroby, czyli wyhodowane z komórek macierzystych jej miniaturowe modele. Urządzenie będzie działać podobnie jak aparat do dializ – krew pacjenta będzie mogła przez nie przepłynąć, organoidy wątroby ją oczyszczą, a potem wróci do ciała pacjenta. 

Rok temu wykazaliśmy, że u bardzo chorych pacjentów z ostrą niewydolnością wątroby wyniki poprawiają się po 2-3 godzinach zewnętrznego krążenia krwi. W pierwszej kolejności chcemy leczyć ostrą niewydolność wątroby u dzieci. 

Która do tej pory – i u dzieci, i u dorosłych – jest nieuleczalna. Można jedynie wykonać przeszczep. 

W tej chwili nie ma żadnej innej możliwości ratowania dzieci ani dorosłych, tylko opieka paliatywna. Stan pacjentów z ostrą niewydolnością wątroby może się poprawić, dlatego transplantacja zawsze jest długo rozważana. 

W tej sytuacji zewnętrzna cyrkulacja krwi przy pomocy organoidów wątroby jawi się jako pomost dla pacjentów – może ich wspierać do momentu, aż sami odzyskają zdrowie lub do chwili, gdy doczekają się transplantacji. W przyszłym roku zaczynamy testy klinicznie.

Czyli możliwe, że będziemy mieli przełom w leczeniu tej ciężkiej choroby. Z czasem pewnie również u dorosłych? 

Tak, choć na razie nasza zdolność produkcji organoidów jest ograniczona. Dzieci potrzebują ich oczywiście mniej – aby leczyć dorosłych, będziemy musieli znacznie zwiększyć naszą skalę produkcji.

Dla każdego pacjenta komórki organów muszą zostać wyhodowane oddzielnie, z odpowiednich komórek macierzystych? 

Z komercyjnego punktu widzenia terapia na bazie komórek macierzystych przygotowywana indywidualnie dla każdego pacjenta jest szalenie droga, a tym samym nie może być powszechnie dostępna. Dlatego w naszym urządzeniu do zewnętrznego filtrowania krwi za pomocą organoidów wątroby użyliśmy komórek macierzystych zmodyfikowanych genetycznie w laboratorium naszego współpracownika, doktora Shinya Yamanaka. 

Ryzyko ich odrzucenia przez system odpornościowy  jest minimalne, dlatego nasze urządzenie prawdopodobnie będzie dostępne dla wszystkich pacjentów. Choć jak w każdej procedurze medycznej, mogą zdarzyć się nietolerancje.

Myśli Pan, że dotrzemy do momentu, w którym będziemy w stanie zrekonstruować dowolny organ i go zastąpić? Czy to raczej science fiction?

Wciąż jeszcze raczej science fiction, ale jesteśmy już w stanie pobierać komórki macierzyste na wczesnym etapie ciąży, w jej ósmym tygodniu, i tworzyć z nich spersonalizowane komórki naszych organów. A z eksperymentów na myszach wiemy, że tkanki wątroby lub innych narządów utworzone z takich komórek macierzystych można przeszczepić dorosłym myszom o kompatybilnym układzie odpornościowym. 

Mogą one utworzyć na tej podstawie kompletny organ. Wyobrażam sobie, że taki cel jest realistyczny: pobieramy komórki w życiu płodowym, hodujemy z nich komórki odpowiednich organów, zaszczepiamy je potrzebującym pacjentom w odpowiednim momencie, a ich organizmy hodują je dalej, jak inkubatory. W ten sposób prowadzimy do stopniowej odbudowy organów w ich ciele.

Kieruje Pan sześcioma laboratoriami w Japonii i USA. W każdym przyświeca Panu podobny cel?

Tak, próbuję rozwiązywać problemy, na które aktualna praktyka medyczna nie ma rozwiązania, szczególnie w obszarze transplantologii – czyli próbuję pomóc pacjentom, którzy czekają na przeszczep organu. 

Nie ma dla mnie znaczenia, czy zrobimy to za pomocą zewnętrznego urządzenia z organoidami, czy wentylacji dojelitowej, czy nowych możliwości transplantologicznych przy pomocy tkanek wyhodowanych z komórek macierzystych. Chcemy w każdy możliwy sposób przyczynić się do zmiany i zapewnić metody dostosowane do potrzeb konkretnych pacjentów.