Mänskliga organ på mikrochip revolutionerar medicinen

Den mänskliga kroppen på ett mikrochip kan vara framtiden för biomedicinen. Forskare världen över har redan börjat ta fram modeller i mikroformat av olika organ, som hjärta, lungor och lever. Målet är att ersätta djurförsök och samtidigt göra modellerna träffsäkrare än idag. En av forskarna är Maria Tenje, utnämnd till Wallenberg Academy Fellow, och nu i full färd med att utveckla en naturtrogen modell av blodhjärnbarriären.

Maria Tenje

Docent i teknisk fysik

Wallenberg Academy Fellow 2016

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Mikrosystemteknik

Mikrosystemteknikens äktenskap med livsvetenskaperna beskrivs som en revolution inom biomedicinen. Det är ett snabbt växande forskningsfält som möjliggör nya verktyg och precisare modeller i strävan att förstå kroppens olika organ. I framtiden kan det leda till nya och bättre behandlingar av en lång rad sjukdomar.

De nya testsystemen gör det också möjligt att minska antalet djurförsök, säger Maria Tenje, som är docent i teknisk fysik vid Uppsala universitet.

– Idag sker mycket av läkemedelsutvecklingen på djur, framför allt möss, och det går åt ett stort antal djur. Vi vet också att djurmodellerna framför allt säger något om hur medicinerna fungerar på djuren, vilket kan skilja sig mot hur de fungerar på människor.

Redan nu pågår försök att utveckla modeller av mänskliga organ i mikrosystemteknik vid olika lärosäten. Det internationellt vedertagna begreppet är Organs-on-a-chip. Maria Tenje har valt att specialisera sig på ett område där den tekniska utmaningen är extra raffinerad.

– Det handlar om biologiska barriärer, som till exempel huden, lungorna och blodhjärnbarriären, de delar av kroppen som skiljer utsida från insida. Här tror jag att vi som tekniker kan bidra med mest kunskap.

Fokus ligger på att ta fram en konstgjord modell av blodhjärnbarriären som skyddar hjärnan mot skadliga ämnen i blodet. Den är sammansatt av ett flertal celler som tillsammans skapar täta väggar i de tunna blodkärlen, kapillärerna, som genomtränger hjärnan. I barriären finns molekyler som binder till ämnen av olika strukturer. De kan liknas vid väktare som har till uppgift att kasta ut oönskade gäster tillbaka in i blodbanan. Bland annat kan det handla om ämnen i kosten, som inte får släppas igenom till hjärnan.

Nya möjligheter att behandla sjukdomar i hjärnan

Blodhjärnbarriären är livsnödvändig, men dess effektivitet är samtidigt ett hinder när man vill leverera läkemedel till hjärnan för behandling av sjukdomar som exempelvis Alzheimer och Parkinson. En naturtrognare och träffsäkrare modell av blodhjärnbarriären skulle därför bli ett nytt och bättre verktyg för att prova ut läkemedelskandidater och i framtiden kunna bli avgörande för bekämpandet av neurodegenerativa och psykiatriska sjukdomar i hjärnan.

– Vi vet att det blir ännu viktigare om vi ska kunna prova ut nästa generations stora proteinbaserade läkemedel som kräver en aktiv transport av cellerna.

Tack vare utnämningen till Wallenberg Academy Fellow har Maria Tenje kunnat bygga upp en forskargrupp med den bredd som krävs. Bland medarbetarna finns en elektroingenjör och specialister på mikrofluidik, bioteknologi och biomedicinsk teknik. Dessutom pågår ett nära samarbete med forskare inom biologi och medicin.

 

"Utnämningen till Wallenberg Academy Fellow betyder först och främst en möjlighet att realisera de visioner som jag har. Jag har kunnat rekrytera fyra forskare/doktorander med olika bakgrund och kompetens. Det är fantastiskt att kunna skapa ett team som gör det möjligt att nå framgång. Dessutom är utnämningen en extrem boost för självförtroendet."

Modellen liknar en tårta

Det aktiva arbetet sker i laboratoriets renrum där forskarna med hjälp av mikroteknik och hydrogeler, naturliga polymerer, bygger upp en tredimensionell stomme med ett mikrofluidalt system av olika kanaler som tillför näring till cellerna. Det finns sex–sju celltyper i blodhjärnbarriären och i 3D-modellen kan de odlas i lager på lager och röra sig med samma frihet som i den verkliga hjärnan. Maria Tenje jämför med en tårta.

– Det unika är att vi kan laminera ihop en struktur med de olika celler som reglerar barriären. Om vi tänker oss en botten med ett lager sylt av endotelceller, sedan lägger vi på ett lager av smörkräm som innehåller en annan celltyp och sedan tar vi nästa lager med pericyterna och så vidare.

Resultatet blir en mycket naturtrogen modell där även de tunna, biologiska materialen liknar de som finns i hjärnan. Ett väsentligt framsteg jämfört med de cellodlingsplattor som idag används som modellsystem och där man bara kan studera två olika celltyper åt gången på hårda membran, som dessutom saknar kontakt med varandra.

En vision att modellera hela kroppen

Utvecklingen är bara i sin linda. En vision är att de olika organen i mikroformat kan kopplas ihop för att ge en systemförståelse av kroppen. Forskningsfältet är växande och tillsammans med kollegor i Tyskland och Österrike startar Maria Tenje en europeisk konferensserie med ett första möte i Stuttgart 2018.

Att Maria Tenje skulle vara på den plats i livet hon är nu kommer som en överraskning för henne själv.

– Jag kommer egentligen från en oakademisk miljö, men problemlösning har alltid roat mig. Och de gånger jag haft vanliga jobb har de tråkat ut mig. Därför har jag så snabbt som möjligt återvänt till universitetsvärlden. Nu är det nyfikenheten som driver mig framåt, men också längtan att få se att forskningen kommer att kunna göra skillnad för människor – kanske inte redan inom fem år, men någon gång i framtiden. Och ibland går tekniksprången fortare än man hade kunnat tro.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström