Hjärnan efterliknas på ett mikrochip

Med elektroniska chipsystem som efterliknar processer i kroppens organ hoppas forskarna kunna utveckla läkemedel på ett effektivare sätt. Anna Herland tar bland annat fram modeller för hur celler i blodhjärnbarriären interagerar med vävnaden i hjärnan.

Anna Herland

Dr i tillämpad fysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
KTH

Forskningsområde:
”Organ-på-chip”, skapar en modell där blodhjärnbarriären interagerar med omgivande nervceller.

Anna Herland har länge haft ett stort intresse för hjärnan. Under doktorandtiden vid Linköpings universitet jobbade hon, som är teknisk biolog, med biomarkörer för Alzheimers. Numera kombinerar hon sin kunskap om materialbiologi, stamceller och hjärnceller för att bygga chipbaserade modeller av blodkärl och omgivande celler i hjärnan. En ”hjärna-på-chip” med andra ord.

– Ibland frågar folk mig varför jag fokuserar på hjärnan som är så komplicerad, hur ska jag kunna göra en modell av den. Det kommer aldrig gå säger de, ta nåt lättare. Men det är framförallt hjärnan jag är intresserad av.

Ett så kallat organ-på-chip är egentligen ett flödessystem i miniatyr på ett polymerchip. I systemets mikrokanaler simuleras kroppens blodkärl och deras interaktion med vävnaden runt omkring. Med hjälp av elektroder i chippet kan forskarna avläsa signaler från cellerna och studera vad som sker.

– Vi försöker först bygga upp basfunktionerna i organet, i det här fallet hjärnans blodhjärnbarriär. När vi vet att de fungerar vill vi bland annat se om vi kan tillsätta ett läkemedel och undersöka om modellen beter sig som människan gör. Jag vill kunna förstå och mäta det här i realtid.

Minska djurförsök

Organ-på-chip är ett hett forskningsområde. Behovet av modeller för mänsklig vävnad och olika sjukdomar är stort. Idag används ofta djurförsök, men det finns betydande skillnader mellan djur och människor. De läkemedel som testats och fungerar på djur visar sig ofta inte fungera på människor i kliniska försök, vilket gör dagens utvecklingsprocess ineffektiv och mycket kostsam.

Tekniken med organmodeller på ett chip förväntas därför kunna ge en effektivare utveckling av läkemedel. De kan också minska behovet av en del djurförsök, förklarar Anna Herland.

– Läkemedelsbolagen tittar själva på den här typen av system och hur de kan användas. Vi inom akademin funderar på hur vi kan ta nästa steg och förbättra modellerna. Som Wallenberg Academy Fellow arbetar jag mycket med hur vi kan förbättra avläsningen i systemen vi bygger.

”Det som är fantastiskt med det här anslaget är dels att det löper över så lång tid, dels att det är så pass fritt. Jag har fått en möjlighet att fokusera på projektet och sätta upp långsiktiga mål. Det är det som krävs när det är många olika aspekter som ska pusslas ihop.”

Samarbete med KI och Harvard

Anna Herlands forskargrupp finns på KTH i Stockholm, avdelningen för mikro- och nanosystem. I labbet mittemot hennes kontor utvecklas chippen och den elektroniska avläsningen. De celler som används i modellerna odlas i ett labb på kemiinstitutionen. Anna Herland är också knuten till Karolinska Institutets enhet för fysiologi och farmakologi.

– Det är kul att ha den här dynamiken mellan teknikutveckling och medicin. Vi har till exempel en gemensam industridoktorand i ett samarbetsprojekt med AstraZeneca.

Under tre år som gästforskare hos professor Donald Ingber på Harvard University i USA fick Anna Herland lära sig bygga modeller av blodkärl av de främsta på området.

­–Det var en väldigt rolig och en kreativ miljö att jobba i. Donald Ingber var en av dem som fick igång forskningsfältet ”Organ-on-a-chip”. Jag har sedan fortsatt samarbeta med Wyss Institute vid Harvard, bland annat i arbetet med blodhjärnbarriären. Jag leder också den vetenskapliga delen av ett stort internationellt projekt där vi försöker skapa en ”Body-on-a-chip”.

Förenkla det komplexa

Den stora utmaningen är att översätta människans komplexa organsystem till så enkla modeller som möjligt och samtidigt få tillräcklig funktion.

– Vi måste kunna kontrollera det som sker. Det blir också olika typ av komplexitet beroende på vilken frågeställning vi har. Det enklaste exemplet i de studier vi gör nu är att vi skapar ett blodkärlslager, med aktiva celler som är så lika blodkärlsceller som möjligt. Frågan vi vill ha svar på är om ett läkemedel kommer in i vårt lilla blodkärl, går det då över till hjärnan och på vilket sätt går det över?

Att studera hjärnan innebär också en speciell utmaning, förklarar Anna Herland. Det är väldigt svårt att få tag på nervceller att göra experiment med. Hjärnan är ett av de organ som förstörs snabbast efter döden, och man tar normalt sett inte vävnadsprover på en frisk hjärna.

– Därför använder vi oss mycket av stamceller som vi odlar fram och skapar nervceller och hjärnans blodceller av. De tas fram på KI och kan ta lite tid att mogna. Längst tid tar nervcellerna, neuronerna. Att få dem att bli till de nätverk av neuroner som man har i hjärnan, med en mogen elektrisk aktivitet mellan sig som vi försöker mäta med elektroder på olika sätt, tar några månader.

Hittills har forskare inom fältet främst tittat på den normala kroppen och nu börjar det bli dags att titta på olika sjukdomsscenarier, menar Ann Herland.

– Vi vill till exempel undersöka om vi kan göra en modell av Alzheimer. Vi är också intresserade av strokemodeller. Jag tror att dessa avancerade in vitro-system, där levande celler studeras utanför kroppen, tillsammans med stamcellsvetenskap kommer att skapa helt nya sätt att utveckla läkemedel och kanske även individanpassade behandlingar i framtiden.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström