I fjor fikk nesten 400 nordmenn transplantert nye organer fra avd?de personer. Brorparten av de transplanterte organene er nyrer. Den gjennomsnittlige ventetiden for ? f? ny nyre er mellom ett og halvannet ?r. Det samme gjelder for lunge og hjerte. Hvert ?r f?r vel hundre nordmenn ny lever. Her er ventetiden fire uker. I fjor d?de 24 pasienter mens de stod p? ventelisten.
Det er ikke bare stor mangel p? organer. Pasienter som f?r nye organer, m? g? p? sterke, immundempende medisiner resten av livet for ? redusere risikoen for avst?ting. Bivirkningene er mange. Samtidig ?ker risikoen for kreft.
N? er forskere ved UiO i gang med de f?rste spede fors?kene p? en helt ny teknologi som i fremtiden forh?pentligvis kan brukes til ? lage kunstige organer av stamceller.
– Fordelene med kunstige organer er store. Vi ser frem til at den medisinske utviklingen har kommet s? langt at pasienter ikke lenger d?r av organsvikt, h?per Aleksander Sekowski i stiftelsen Organdonasjon.
Fra stamceller
Primus motor for forskningen er professor Stefan Krauss, leder for Senter for biohybridteknologi (HTH-senteret) p? Det medisinske fakultet ved UiO.
Spesialet til forskningsgruppen hans er ? dyrke s?kalte organoider fra stamceller for ? gjenskape viktige organfunksjoner. En organoide er en levende kopi av et menneskeorgan. En av de mange mulighetene med organoidene deres er at de kan brukes til ? teste ut nye legemidler. Organoider kan ogs? brukes til ? tilpasse legemidler til pasienter. Dette ble omtalt i Apollon v?ren 2020 i et intervju med professor Steven Ray Wilson p? Kjemisk institutt og hans dav?rende stipendiat Fr?ydis Sved Skottvoll.
Noen organoider kan v?re ganske enkle i formen. Ett eksempel er betaceller. Betaceller danner insulin. M?let til seniorforsker Hanne Scholz, nestleder p? HTH-senteret, er ? transplantere slike organoider inn i diabetespasienter.
Postdoktor Aleksandra Aizenshtadt gjenskaper noen av de metabolske funksjonene til leveren for ? kunne teste ut legemidler. Det er viktig. Alle medisiner brytes ned i leveren. Denne nedbrytningen kalles metabolisme, eller stoffskifte p? godt norsk. Leveren er faktisk stappfull av enzymer og har s? mange som 500 funksjoner, hvor de viktigste nettopp er metabolisme.
Som om dette ikke er nok, forsker professor Espen Melum p? gallegangs-organoider, mens professor William Louch og postdoktor Kayoko Shoji ser p? hjertemuskel-organoider.
Selv om det er et stort behov for kunstige organer som nyrer og lever, er disse organene s? komplekse at de ikke kan lages med dagens stamcelleteknologi.
– Riktignok har utviklingen av organoider v?rt betydelig de siste ?rene, men ingen har klart ? lage den strukturen, kompleksiteten og st?rrelsen som trengs for ? danne slike organer, poengterer Stefan Krauss.
For ? l?se dette har forskerne tatt i bruk en helt ny teknologi som kalles for gastruloider. Mens organoider kan brukes til ? gjenskape funksjonene til ett enkelt organ, kan gastruloidene brukes til ? gjenskape sammensetningen av flere organer.
Gastruloider dyrkes av stamceller og danner forskjellige celletyper, slik at de kan utvikle de strukturene som trengs for ? danne nye organer.
Her er det viktig ? ha tungen rett i munnen. Postdoktorene H?kon H?gset, Igor Meszka og Sergei Ponomartcev forsker p? hvordan forskerne kan sikre seg at det ikke oppst?r u?nskete strukturer i gastruloidene.
– Dette er krevende. For ? kontrollere dannelsen av de strukturene vi ?nsker oss og samtidig som vi ikke skal danne de strukturene som vi ikke ?nsker oss, bruker vi maskinl?ring, forteller Stefan Krauss.
Lage liten lever
Han poengterer overfor Apollon at det hele er sv?rt tidlig forskning.
– Vi har forel?pig bare tatt det f?rste steget. Vi trener p? stamceller fra mus, men p? lang sikt er m?let v?rt ? konstruere menneskeorganer og koble dem til blod, oksygen og n?ringsstoffer.
I f?rste omgang skal de pr?ve ? lage en liten lever.
– Hvis vi klarer ? l?se de teknologiske problemene med lever, skal vi ogs? pr?ve ? danne andre organer som nyrer, men du m? ikke skape store forventninger. Her snakker vi om 20 til 30 ?r frem i tid. Vi er som sagt helt i startfasen og legger n? de aller f?rste brikkene for ? f? dette til.
Etisk godkjent
Dagens forskning p? utvikling av befruktede, menneskelige embryoer er godt forst?tt, men det er bare lov til ? forske p? dem i noen f? dager.
Begrensningene er ikke de samme n?r man forsker p? gastruloider.
Stefan Krauss er i tett kontakt med eksperter i medisinsk etikk for ? sikre seg at forskningen deres er etisk riktig.
For ? takle de mange utfordringene har Krauss ogs? inng?tt et tett 澳门葡京手机版app下载 med fysikere, simuleringseksperter, rytmeforskere og eksperter p? kunstig intelligens.
Kroppstemperatur
Postdoktor Joachim Mossige er hanket inn for ? beskrive hvordan gastruloider vokser og utvikler seg. Denne kunnskapen er n?dvendig for ? kunne styre utviklingen av gastruloider.
– Vi m? ta hensyn til biologien. Det er viktig at temperaturen og surhetsgraden er riktig og at gastruloiden f?r tilgang til nok n?ring, forteller Mossige, som tidligere har jobbet med ? dyrke alger.
– Alger er ikke s? kresne. Det er derimot stamceller.
Endrer form
Det kritiske steget i utviklingen av en gastruloide skjer allerede etter noen dager, mens den fortsatt er mindre enn én millimeter.
Da endrer den form fra ? v?re en rund klump til ? bli avlang. Dette kalles spontant symmetribrudd.
– Vi ?nsker ? forst? denne formendringen. Det er essensielt for videreutviklingen av gastruloider.
Forskere har tidligere unders?kt hvordan formen endres p? embryoer fra sebrafisk, p? forstadier til rumpetroll og p? kunstige muse-embryoer. Men bare f? forskere har sett p? utviklingen av gastruloider i tre dimensjoner.
Man skulle kanskje tro at formendringen skjer ved celledeling, men slik er det ikke.
– Her er det cellene som tar en kollektiv avgj?relse om ? bevege seg slik at gastruloiden endrer form. Denne mekanismen finner vi ogs? mange andre steder i naturen, forteller Joachim Mossige, som har sin faglige bakgrunn i fluidmekanikk. Fluidmekanikk er den delen av fysikken som studerer bevegelser til v?sker og gasser.
– Det viser seg at de ligningene som vi bruker til ? beskrive v?ske i bevegelse, ogs? kan brukes til ? beskrive hvordan cellene beveger seg. Det er kult!
– Handler dette om viskositet? (Red.: Viskositet dreier seg om en v?skes motstand mot bevegelse.)
– Ja, det er en mulighet. Viskositeten gj?r at n?r noen celler beveger seg, vil de dra med seg andre celler. Du kan sammenligne dette med ? stikke en kniv i en krukke med honning. N?r du drar kniven opp igjen, vil noe av honningen f?lge med.
Men noe som er langt viktigere: Forklaringen kan ogs? v?re at cellene i gastruloiden beveger seg mens de utvikler seg.
– Uten disse mikrobevegelsene er det ikke mulig ? endre form. Da ville cellene ha v?rt l?st i bevegelsene sine og oppf?rt seg som fast stoff, forklarer Mossige.
Spesialdesignet mikroskop
For ? studere hva som skjer under formendringen, har Mossige bygd et flunkende nytt og sinnrikt mikroskop. Dette mikroskopet gj?r det mulig ? studere overflaten av cellene inne i en tredimensjonal gastruloide. Slikt har ikke v?rt mulig tidligere. Med g?rsdagens teknologi var det bare mulig ? studere formendringen todimensjonalt.
Mikroskopet, som er plassert i kjelleren p? Fysisk institutt, kostet noen hundre tusen kroner.
– Det er billig til ? v?re optikk, forklarer Mossige.
Mikroskopet er sv?rt raskt.
– Tiden det tar ? gjennomf?re en m?ling, er mye kortere enn den tiden cellene bruker p? ? bevege seg og den tiden det tar for gastruloider ? skifte form. Da f?r vi fanget opp viktig informasjon om hva som skjer.
Takket v?re mikroskopet er det ogs? mulig ? se at cellene bytter plass innbyrdes.
Ettersom endringene skjer sakte, er det ikke mulig ? oppdage endringene ved ? stirre p? cellene. Mossige tar derfor opptak av alt som skjer over noen dager. S? kj?rer han videoen i hurtigtogsfart.
– Hva er den st?rste utfordringen din?
– Det er ? f? s? gode m?linger at jeg kan beskrive b?de hva som skjer og hvorfor det skjer.
Rytmesjekk
Selv om Joachim Mossige er fysiker, er han ansatt p? Ritmo, et senter for tverrfaglig forskning p? rytme, tid og bevegelser ved UiO. Forskerne p? Ritmo har studert menneskers mikrobevegelser i en ?rrekke.
– Tanken er ? bruke perspektiver fra denne rytmeforskningen til ? finne sammenhengen mellom mikrobevegelsene til cellene og formendringen til gastruloiden. Cellene endrer milj?et sitt n?r de ?vibrerer?, poengterer fluidmekanikeren.
Her jobber Mossige tett sammen med musikk-professor Alexander Refsum Jensenius. Han forsker p? hvordan rytmer p?virker b?de enkeltindivider og store ansamlinger av mennesker.
– Musikk p?virker oss alle. Den p?virker pulsen og pusten og alt i kroppen, forteller Alexander Refsum Jensenius.
I et nytt forskningsprosjekt har han og medarbeiderne hans unders?kt pusten og hjerterytmen til alle de 70 musikerne i Stavanger symfoniorkester mens de er p? scenen. De sjekker ogs? hvordan bevegelsen til hundrevis av publikummere endrer seg n?r de blir p?virket av musikken.
M?let deres er ? unders?ke om det er mulig ? bruke lignende analysemetoder til ? studere cellebevegelsene i gastruloider.
– Alle cellene har mikrobevegelser. Du kan sammenligne dette med mennesker som st?r tett sammen p? konsert. Ingen st?r helt i ro. Folk dytter p? hverandre.
Sp?rsm?let til Refsum Jensenius er hvordan de rytmiske vibrasjonene p?virker cellene slik at gastruloidene endrer form. Her tenker han p? hvordan lyd p?virker b?de enkeltceller og samlinger med celler.
– Cellene stimuleres av vibrasjon. Vibrasjon er bevegelser. Rytmisk lyd er vibrasjon og p?virker annerledes enn st?y.
Sp?rsm?let som leserne kanskje stiller seg, er hvorfor i alle dager det er viktig ? finne ut av dette.
I motsetning til sm? fostre som utvikler seg med de rytmiske lydene til mors pust og puls, skal gastruloidene utvikles i et laboratorium i ubehagelige omgivelser.
– Her er det st?y. Et eksempel er duren fra vifter. Dette er ganske fjernt fra den rytmisiteten som er i oss mennesker. S? rent teoretisk gir det mening at rytmestimulans p?virker cellene v?re. Vi skal derfor stimulere gastruloidene med lyd og se hvordan det p?virker dem.
M?let deres er ? bruke maskinl?ring for ? kunne tilpasse lyden og rytmen til cellenes beste.
– Vi lurer p? om lyder som minner om hjerterytmer og pusterytmer, kan ha noe ? si for utviklingen. Dette h?res kanskje ut som science fiction. Men dette er ikke fiction. Dette er science, ler Refsum Jensenius.
Molekyl?rt niv?
For ? studere gastruloidene p? molekyl?rt niv?, har Stefan Krauss ogs? med kjemikere.
Stipendiat Malgorzata Elzbieta Zawadzka utvikler et system som lager bilder av den kjemiske sammensetningen av gastruloidene. Sammen med f?rsteamanuensis Hanne R?berg-Larsen og professor Steven Ray Wilson l?ser hun dette ved ? ta bilder med massespektrometri. Her f?r hun bilder av hvilke molekyler som er i gastruloiden og hvordan molekylene er fordelt.
Grunnleggende fysikk
Som om dette ikke er nok, har Stefan Krauss ogs? f?tt med seg professor Dag Dysthe i gruppen ?Kondenserte fasers fysikk? p? Fysisk institutt. Dette er en spesiell gren i fysikken som ser p? hvordan stoffer er bygd opp. Han er spesielt opptatt av uordnete systemer.
Dysthe er med p? forskningsprosjektet for ? forst? kreftene mellom cellene i gastruloider.
– Alt handler om samhandling mellom krefter og prosesser i mikroskopisk skala og hvordan helheten er mer enn summen av delene. N?r du har noen sm? enheter, m? vi se p? fysikken om hvordan det molekyl?re henger sammen, men n?r du f?r mange av dem, konkurrerer de om en rekke ulike fysiske prosesser. Da blir bildet komplekst. Ut ifra prosessene i liten skala oppst?r det nye fenomener i st?rre skala. Selv om de grunnleggende kreftene mellom molekyler er kjent, kan dette likevel ikke forklare liv og alt det komplekse som oppst?r, forteller Dag Dysthe.
Uforklarlige krefter
De samme metodene som fysikerne bruker til ? studere kreftene i geologiens verden, kan ogs? brukes til ? studere kreftene i den biologiske verden.
– Det har f?rt til at en mengde fysikere fra hele verden har g?tt over til ? forske p? biologiske systemer.
Biologer har de siste tjue-tretti ?rene forsket mye p? morfogeneser, alts? hvordan former blir til.
– Det har v?rt en grunnleggende del av biologien. Biologene har ufattelig god oversikt over biokjemien og hvilke signaler som er viktige og hva de gj?r i de forskjellige cellene.
Men det som ikke er like godt forst?tt, er hvilke krefter som skal til for at cellene forflytter seg og hvorfor de kollektivt endrer form.
– Den biokjemiske forklaringen er ikke tilstrekkelig. Den forklarer verken kreftene eller bevegelsen til cellene. Vi vil forst? den fundamentale fysikken og hvor kreftene oppst?r. Vi leter etter den kraften som gj?r at cellene flytter p? seg.
Dag Dysthe ?nsker med andre ord ? lage matematiske beskrivelser for krefter og formendringer i gastruloider.
– Alle cellene har en viss organisering i forhold til hverandre. Den enkle forklaringen p? hvorfor celler kan bytte plass, er at den ene cellen kan dra den andre med seg. Men det kan ogs? tenkes at det er en kollektiv prosess. Da handler det om organiseringen av cellene i seg selv. Da nytter det ikke ? m?le hva som skjer mellom to celler. Vi m? modellere hele systemet. Det kan tenkes at det er en uorden i systemet som kan f? noe til ? skje, forklarer Dag Dysthe.
Simuleringer
Det er ikke nok med m?linger. Professor Luiza Angheluta-Bauer er ekspert p? modeller og simuleringer. Sammen med postdoktor Richard Ho bruker hun en matematisk modell for ? simulere formendringen av gastruloider og overgangen mellom de ulike stadiene av vevsformer.
– Hvis det blir samsvar mellom simuleringene og eksperimentene, er det en indikasjon p? at antakelsene v?re er riktige, forteller Joachim Mossige og legger til:
– Simuleringene gj?r det ogs? mulig ? se ting som vi ikke kan se i eksperimentene.
Det finnes en rekke matematiske modeller p? dette, men disse modellene er bare luftslott s? lenge de ikke kan sammenlignes med hva som skjer i virkeligheten.
– Eksperimentene i laboratoriet i kjelleren p? Fysisk institutt er derfor viktige.
Rollen til fysikerne er ? lage modeller som samsvarer med resultatene fra eksperimentene.
– Jeg h?per at modellene v?re kan bli viktige for biologene for ? forst? hva som skjer i et embryo. Vi kan derfor l?re mer om utviklingen av mennesker med gastruloider, slik at vi kan studere dem frem til de utvikler hjerte, nyre eller lever. Men du m? ikke glemme; selv om vi har en del ideer, er vi bare s? vidt kommet i gang.