Wszystkie choroby mają związek z układem immunologicznym. Nawet te, które, wydawałoby się, niewiele mają z nim wspólnego. Dzięki rozwojowi immunoterapii wspartej rozwiązaniami sztucznej inteligencji można je coraz skuteczniej leczyć.
- Więcej ciekawych historii przeczytasz na stronie głównej „Newsweeka”
NW34 cover
Foto: Newsweek
Gdyby nie układ odpornościowy, pokonałyby nas bakterie, pasożyty czy wirusy. Immunologia to nauka o armii, która chroni nasz organizm, zabijając intruzów. Przy takich strażnikach można czuć się bezpiecznie. Problem w tym, że niektóre komórki, np. nowotworowe, uciekają spod ich kontroli, sprytnie oszukując mechanizmy immunologiczne i stając się dla nich nierozpoznawalne. Czasem też, jak w chorobach autoimmunologicznych, układ odpornościowy wchodzi w rolę agresora – staje się nadmiernie pobudzony i zaczyna niszczyć własne zdrowe tkanki, traktując je jako potencjalnie niebezpieczne. Na szczęście immunologia, coraz mocniej wspierana sztuczną inteligencją, ma dziś odpowiedź na niedoskonałości tego systemu i potrafi uruchomić wyjście awaryjne. Powstają nowe terapie.
Po pierwsze szczepienia
Dzięki naukowcom precyzyjny i skomplikowany mechanizm działania układu odpornościowego można tak wykorzystać, aby w sytuacji, w której jest to nam potrzebne, chronił nas i leczył. Tę funkcję pełni immunoterapia, jedna z najważniejszych i najbardziej obiecujących dziedzin współczesnej medycyny. Jej zastosowanie stanowi przełom w podejściu terapeutycznym i otwiera nowe możliwości leczenia chorób, które do tej pory były trudne do opanowania.
– Pamiętajmy, że najstarszą częścią immunoterapii jest wakcynologia, nauka o szczepieniach ochronnych. To najbardziej udowodniona naukowo forma profilaktyki przeciw chorobom zakaźnym, a coraz częściej przeciw innym chorobom, w szczególności chorobom nowotworowym, autoimmunologicznym i alergicznym – mówi prof. dr hab. med. Piotr Trzonkowski, kierownik Katedry i Zakładu Immunologii Medycznej Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego.
Immunoterapia skupia różne metody terapeutyczne, które mają na celu wzmocnienie, pobudzenie lub modulację odpowiedzi immunologicznej organizmu. Choć układ odpornościowy potrafi rozpoznawać i eliminować zagrożenia, takie jak wirusy, bakterie czy zmienione nowotworowo komórki, to gdy sytuacja wymyka się spod kontroli, ten wzorowo działający system potrzebuje wsparcia.
Cząsteczki z laboratorium
Najnowsze formy immunoterapii opierają się na fragmentach układu odpornościowego, które potrafimy już dzisiaj produkować w laboratorium i wykorzystywać jako leki. – Pierwsze przeciwciała, cząsteczki
białkowe, wykorzystywane przez układ odpornościowy do zwalczania patogenów, zaczęto stosować w medycynie w latach 80. XX w. Współczesne przeciwciała monoklonalne są jak klucz idealnie pasujący do zamka. Powstają z jednego klonu limfocytów B (komórki układu odpornościowego) i łączą się tylko z jednym konkretnym fragmentem antygenu, czyli obcej substancji w organizmie, która powoduje powstawanie przeciwciał. Z kolei cytokiny, białka sygnałowe regulujące wzrost, różnicowanie i funkcje komórek układu odpornościowego, najpierw stosowano jako immunoterapię w leczeniu nowotworów, chorób zakaźnych i niektórych autoimmunologicznych, a później w leczeniu immunosupresyjnym, w przeszczepieniach narządów. Od około dziesięciu lat stosujemy komórki układu odpornościowego, głównie w leczeniu chorób nowotworowych i autoimmunologicznych – mówi prof. Trzonkowski.
Szlakiem do celu
Immunologia wykorzystuje szlaki metaboliczne lub sygnałowe – drogi, poprzez które działają komórki układu odpornościowego. Szlaki immunologiczne tworzą sekwencje reakcji biochemicznych, które pozwalają komórkom odpornościowym rozpoznawać, reagować i eliminować obce antygeny, a także regulować procesy zapalne. – Każda nasza komórka ma w sobie pewien mechanizm reakcji, trochę jak silnik w samochodzie. W przypadku komórek naciśnięcie konkretnego przycisku czy receptora powoduje konkretną reakcję układu odpornościowego, czyli aktywację konkretnego szlaku metabolicznego czy sygnałowego – tłumaczy prof. Trzonkowski.
Dzięki wiedzy o szlakach odpornościowych naukowcy mogą tworzyć leki, które zwiększają zasięg terapeutyczny i pomagają większej liczbie pacjentów. – Od 15-20 lat mamy leki zwane inhibitorami kinaz, które są niezwykle skuteczne. Na początku wydawało się, że dają efekt terapeutyczny tylko w onkologii, ale okazało się, że znakomicie modulują szlaki sygnałowe w komórkach odpornościowych, będąc skutecznymi lekami w chorobach autoimmunologicznych – kontynuuje prof. Trzonkowski.
Nowoczesna immunoterapia
Leki podawane w immunoterapii nie działają bezpośrednio na komórki nowotworowe, jak w przypadku chemioterapii, tylko modulują odpowiedź naturalnych sił obronnych organizmu. – Dobrym przykładem jest przeciwciało przeciw interleukinie 6, podawane pacjentom w ciężkim covidzie. Gdy było wiadomo, że poziom interleukiny 6 jest wysoki, podanie przeciwciała ratowało pacjentowi życie. Gdyby covid zdarzył się 20 lat temu, to pacjent otrzymywałby wysokie dawki sterydów, co zresztą stosowano także w covidzie. Efekt także by był, ale mniejszy i mniej spektakularny – mówi prof. Trzonkowski.
W 2018 r. prof. James P. Allison ze Stanów Zjednoczonych i Tasuku Honjo z Japonii otrzymali Nagrodę Nobla za wkład w rozwój immunoterapii. Pierwszy lek immunokompetentny do leczenia zaawansowanego czerniaka, opracowany na podstawie badań noblistów, zarejestrowano w 2011 r. Natomiast pierwsza cząsteczka immunokompetentna, czyli taka, która rozpoznaje dany antygen i bierze udział w odpowiedzi immunologicznej, została objęta refundacją w Polsce w 2014 r. Dziś pacjenci otrzymują refundowaną immunoterapię w wybranych chorobach, zwłaszcza w nowotworach.
– Dziesięć lat temu mówiło się o nowotworach, że są ciche immunologicznie [czyli układ odporności jest nieaktywny, choć teoretycznie powinien być gotowy do działania – red.]. Ale gdy pojawiły się leki – inhibitory punktu kontrolnego (przeciwciała), które odblokowują działanie układu odpornościowego, okazało się, że te nowotwory możemy wyleczyć immunoterapią. Różne nowotwory mają różny stopień zależności od układu odpornościowego, ale wydaje się, że w każdym z nich można znaleźć jakąś komponentę układu odpornościowego i w leczeniu każdego immunoterapia staje się bardzo ważnym narzędziem – przekonuje prof. Trzonkowski.
Współczesna nauka to ciągła interakcja między laboratorium a pacjentem. Naukowcy pracują nad innowacyjnymi terapiami, a potem przy łóżku pacjenta oceniają ich zastosowanie. Następnie wracają do laboratorium, aby ulepszyć swoją terapię, a w końcu przychodzą do pacjenta z konkretnym lekiem. – Te leki działają coraz bardziej wybiórczo, są coraz bardziej skuteczne, a jednocześnie dają coraz mniej efektów ubocznych – mówi prof. Trzonkowski.
Terapie łączone
Układ odpornościowy stanowi świetną armię. Jeśli jakaś jednostka jest mało skuteczna, inna jest w stanie ją zastąpić. Tych alternatyw jest niezwykle dużo, a wszystko to po to, aby ochronić nas przed zakażeniem. – Terapie łączone są bardziej skuteczne niż pojedyncze dzięki stosowaniu kilku różnych leków działających na kilka różnych mechanizmów. Najlepiej widać to w terapii u pacjentów po przeszczepieniach narządowych, gdzie przeszczepiany narząd jest z natury odrzucany i pacjent musi otrzymać leczenie immunosupresyjne. Gdyby otrzymywał tylko jeden lek, który hamuje jeden mechanizm, to układ odpornościowy, mający wiele różnych mechanizmów, odrzuciłby przeszczepiony narząd. Jeśli jednak zastosujemy standardowo trzy różne leki, które blokują trzy różne mechanizmy, to możemy ten narząd utrzymać przy życiu, mimo że narząd jest niezgodny antygenowo – tłumaczy prof. Trzonkowski.
Najlepiej byłoby oczywiście stworzyć terapię do stosowania przez krótki czas, wzbudzającą tzw. tolerancję immunologiczną na przeszczepiony narząd. – Są takie próby kliniczne, ale nadal są one na etapie eksperymentu. W zeszłym roku po raz pierwszy próbowano wszczepić nerkę, która oszukuje układ odpornościowy dzięki terapii genowej. Nie udało się – dodaje prof. Trzonkowski.
Sztuczna inteligencja
Zgodnie z danymi Deloitte w 2025 r. inwestowanie w cyfrową infrastrukturę ma być istotne dla 72 proc. organizacji medycznych, a dziewięć na dziesięć badanych podmiotów spodziewa się częstszego wykorzystania narzędzi bazujących na nowoczesnych technologiach. Rozwój AI w obszarze immunologii ma coraz większe znaczenie, bo przyspiesza rozwój innowacyjnych terapii, które będą służyć pacjentom oraz pomogą lekarzom w podejmowaniu decyzji klinicznych.
– Immunologia w znacznym stopniu pracuje na dużych zbiorach danych. Kiedyś to się nazywało algorytmami big data, dziś – sztuczną inteligencją. Nasz układ zgodności tkankowej HLA (Human Leukocyte Antigen), odpowiadający za tolerancję własnych komórek i tkanek, jest bardzo zróżnicowany. Jeżeli układ HLA rozpozna obce komórki, to uruchamia odpowiedź odpornościową przeciwko nim. Z kolei rozpoznanie komórek jako swoich chroni przed atakiem własnych limfocytów. Ekstremalnie zróżnicowane są również receptory, którymi limfocyty rozpoznają patogeny, komórki nowotworowe czy przeciwciała. Aby ten całokształt zobaczyć, potrzebujemy narzędzi informatycznych – tłumaczy prof. Trzonkowski.
W jakim stopniu AI przydaje się immunologom? – Pozwala skrócić proces dochodzenia do konkluzji, ale nadal nie jest to ścieżka doskonała. Sztuczna inteligencja jest najbardziej zaawansowana w dziedzinach, w których liczy się diagnostyka obrazowa, np. w radiologii. Natomiast zawsze na końcu tego łańcucha stoi człowiek i to on stawia kropkę nad i – dodaje prof. Trzonkowski.
Osobowy kontra pendolino
Jeszcze dziesięć lat temu rozwój leków opartych na przeciwciałach bazował na kosztownych, wielomiesięcznych eksperymentach laboratoryjnych przeprowadzanych metodą prób i błędów, czasochłonnych i obarczonych wysokim ryzykiem niepowodzenia. Dziś wyniki eksperymentów z wykorzystaniem sztucznej inteligencji otrzymuje się w kilka sekund. Polska ma w tej dziedzinie powód do dumy. Firma NaturalAntibody dostarcza czołowym firmom farmaceutycznym i biotechnologicznym rozwiązania bazujące na sztucznej inteligencji. Założyli ją cztery lata temu dwaj bracia – Michał Krawczyk, ekonomista, i Konrad Krawczyk, absolwent informatyki na Uniwersytecie Oksfordzkim, z doktoratem w dziedzinie komputerowej inżynierii przeciwciał.
– Jako pierwsi na świecie stworzyliśmy zaawansowaną platformę analityczną do wspomagania rozwoju leków opartych na przeciwciałach. Zaufało nam dotychczas 25 firm, w tym 11 z grona 50 największych koncernów farmaceutycznych na świecie. Nasze algorytmy, rozwiązania technologiczne oraz odkrycia naukowe, jakie udało się dzięki nim osiągnąć, publikujemy w czołowych czasopismach naukowych takich jak „Nature Communications Biology” wraz z liderami branży farmaceutycznej oraz z dużymi ośrodkami akademickimi, m.in. Uniwersytetem Oksfordzkim, Uniwersytetem Cambridge, UCL czy uniwersytetem w Oslo – wymienia Michał Krawczyk.
Co daje firmom biotechnologicznym i farmaceutycznym rozwiązanie oparte na AI? – Znacznie szybszą identyfikację oraz udoskonalanie przeciwciał o potencjale terapeutycznym, co przyspiesza rozwój leków biologicznych i skraca czas od projektu do badań klinicznych nawet o kilkadziesiąt procent. Modele AI potrafią wskazać lepsze warianty przeciwciał niż te uzyskane tradycyjnymi metodami, dzięki temu, że przeszukują znacznie szerszą przestrzeń molekularną. AI pomaga minimalizować liczbę cząsteczek, które po wstępnych badaniach okazują się nieskuteczne lub niewłaściwe, np. z powodu niestabilności chemicznej lub trudnych warunków przechowywania. To zmniejsza ryzyko kosztownych błędów, takich jak inwestowanie czasu i środków w rozwój cząsteczki, która nie spełnia wymagań klinicznych, nie działa tak, jak zakładano, lub ma niepożądane właściwości – wyjaśnia Michał Krawczyk.
Nowe terapie immunologiczne i rozwiązania AI sięgają głęboko do mechanizmów odpornościowych człowieka. To od nich zależy, czy nieuleczalne dziś choroby pokonają nas, czy to my je pokonamy.