Återskapar medfödda sjukdomar på chip 

Under de senaste tio åren har Anna Herland arbetat med att utveckla små modeller av blodkärl och celler i hjärnan med hjälp av ledande polymerer. Som Wallenberg Academy Fellow använder hon nu dessa för att studera medfödda genetiska sjukdomar med stor påverkan på ämnesomsättningen. 

Anna Herland

Dr i tillämpad fysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
KTH

Forskningsområde:
Mikro- och nanosystem på datorchip för att studera cellinteraktion

Sedan mitten av 1960-talet tas ett blodprov på alla nyfödda barn i Sverige med syftet att hitta medfödda sjukdomar som är behandlingsbara. Vid starten handlade det enbart om sjukdomen som gett provet dess namn, fenylketonuri eller PKU. I dag görs en större screening för totalt 25 sjukdomar där samtliga dock är mycket ovanliga. Av de cirka 100 000 barn som föds varje år i Sverige är det cirka 60-70 som har någon av dem. 

Anna Herland ska ta fram nya chipbaserade metoder för att studera tre av dessa sjukdomar som alla ger problem med ämnesomsättningen. Gemensamt för sjukdomarna är att de leder till epilepsi och att de går att behandla med hjälp av en ketogen diet. Dieten går att likna vid en extrem form av lågkaloridieten LCHF men med ett så kraftigt överskott av fett att den ger biverkningar i form av grava hälsoproblem. 

Ett drömprojekt

Idén till forskningsprojektet föddes efter ett möte med Anna Wedell som är Anna Herlands mentor i mentorsprogrammet som ingår i anslaget Wallenberg Academy Fellow.   

– Vi fick snabbt en bra kontakt och insåg att vi kompletterar varandra, hon som kliniker och jag som bioingenjör. Så slog det mig hur väl systemet jag utvecklat passar för att undersöka de sjukdomar som hon arbetar med, säger Anna Herland. 

Som Wallenberg Clinical Scholar arbetar Anna Wedell med att utveckla nya diagnostikmetoder för ärftliga ämnesomsättningssjukdomar. 

– Resultatet blev ett verkligt drömprojekt som ligger i linje med den forskning som jag redan gjort som Wallenberg Academy Fellow, säger Anna Herland.  

Hon har utvecklat en modell av hjärnans blodkärl och nervceller som gör det möjligt att studera hjärnans funktion i labbmiljö. Modellen är i praktiken ett flödessystem i miniatyr i form av ett polymerchip. I chippet finns små kanaler som kan simulera hur ett blodflöde interagerar med celler längs med kanalerna. I polymeren integreras sensorer som gör det möjligt att mäta signalerna från cellerna. 

Området går under namnet organs-on-chip och Anna Herland har redan använt systemet för att studera läkemedel som passerar blod-hjärnbarriären, och även hur hormonstörande kemikalier kan påverka hjärnans blodkärl. 

Tre utvalda sjukdomar

Arbetet inleds med att vävnadsprover samlas in från barn med någon av tre utvalda medfödda sjukdomar. Vid en av sjukdomarna uppstår problem med att transportera glukos, en annan ger svårigheter i omvandlingen av energi i mitokondrierna och den tredje leder till fel i kommunikationen hos hjärnans hjälparceller, gliacellerna. 

Vävnadsproverna används för att ta fram stamceller som sedan kan bli både blodkärlsceller och nervceller i modellen. Samtliga tre sjukdomar behandlas i dag med en ketogen diet och genom att simulera samma diet i modellsystemet hoppas hon öka förståelsen av hur den påverkar cellerna. 

– Vi hoppas kunna se sjukdomarna med hjälp av de elektriska och elektrooptiska sensorerna i systemet. Kan vi spåra en knasig signalering så kan vi anta att cellerna utvecklar epileptiska anfall som vi sedan kan behandla, säger Anna Herland. 

Projektet rymmer även utveckling av nya mätmetoder för att kunna kartlägga energibalansen hos cellerna. 

”Wallenberg Academy Fellow är ett anslag som gör det möjligt till långsiktig fri forskning. Det ger även tillgång till ett nätverk som både kan förändra och fördjupa din forskning – det är ett fantastiskt anslag. ”

Även om dessa sjukdomar är mycket ovanliga kommer kartläggningen att ge kunskap som kommer väl till pass även inom närliggande sjukdomar. 

– När vi förstår dessa bättre kan vi ta steget till andra typer av epilepsier. Även om det finns läkemedel i dag som hjälper de flesta så finns det en grupp patienter som svarar sämre på behandlingen. 

Redan i dag pågår försök med att behandla även dessa patienter med hjälp av en form av kosttillskott som efterliknar ketogen diet men ännu finns inget etablerad behandling. 

Återskapa kroppens miljö

Anna Herland disputerade vid Linköpings universitet där hon deltog i utvecklingen av nya polymerer med förmåga att reagera på olika miljöfaktorer. Eftersom hon var utbildad bioingenjör tog hon fram metoder för att mäta biologiska system. Snart föddes idén om att återskapa en kroppslik miljö i form av ett polymerchip. 

– När jag insåg hur beroende särskilt nervceller är av interaktionen med omgivande blodkärl så förstod jag att vi måste inkludera även dem. Därför arbetade jag en period vid Wyss Institute i Boston för att lära mig mer om hur man bygger upp blodkärl. 

Där samarbetade hon med professor Donald Ingber som är en pionjär inom forskningsfältet organs-on-chip. I dag leder hon sin egen forskargrupp vid KTH och är även knuten till Karolinska Institutet. 

– Ännu är fältet rätt omoget men vi kommer att se hur olika former av att odla och använda cellmodeller kommer att bli allt viktigare i framtiden, inte minst inom läkemedelsutveckling. 

När hon var barn var drömmen att bli bonde, veterinär eller möjligen vargforskare. Hon bar på ett starkt intresse för naturen och såg framför sig olika sätt att studera djurens beteenden. 

– Nu blev det labbet som blev platsen där jag ägnar min tid till att förstå naturliga fenomen, säger Anna Herland.  

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Fredrik Persson