23.4.2021
Hur får man vävnaderna att acceptera implantat utan att stöta ifrån sig dem? Exakt vilka signaler gör att kärlvävnader byggs ut? Och kan man hitta sätt att styra dessa som en del av vården av patienter med hjärt- och blodkärlssjukdomar? Sådana frågor försöker professor Cecilia Sahlgren besvara genom att förstå på vilket sätt en signalräcka i kroppen som kallas Notch kommunicerar i frågor som gäller hjärt- och blodkärlssjukdomar.
Cecilia Sahlgren, professor i cellbiologi vid Åbo Akademi håller på med något som heter Notch som handlar om hur celler pratar med varandra, alltså en signalräcka som är ett kommunikationssystem för cellerna. Och nu får Cecilia Sahlgren direkt säga något mer om vad det här på riktigt handlar om:
– Det som vi är intresserade av är hur celler gör beslut, hur celler gör beslut när organ bildas, hur celler gör beslut när vi blir sjuka.
– Och celler gör beslut egentligen som människor gör beslut. Det vill säga genom att kommunicera med varandra. Men den cellulära kommunikationen är inte ord, utan det är kemi, kemiska ord.
Vad betyder kemiska ord? Är det en typ av substans?
– Protein är kemiska ord som pratar med varandra och i fallet med Notch så pratar de med varandra genom direkt kontakt, så de två proteiner som pratar med varandra tar faktiskt fast i varandra.
De tar alltså i varandra, men vad är då andra möjligheter ifall de inte skulle ta i varandra?
– Andra sätt som celler pratar med varandra är vad vi kallar morfogener, eller till exempel hormoner. Och när celler kommunicera via hormoner går det via celler som transporteras via blodsystemet till andra celler på andra ställen i din kropp. När vi talar om morfogener talar vi om celler och organ som är närmare varandra, men det är fortfarande fråga om att cellen utsöndrar något som är lösligt som sedan transporteras till den mottagande cellen – men i Notch krävs det att cellerna faktiskt är bredvid varandra för att kommunicera.
Innan vi går in på Notch så tänker jag att det här du säger om morfogener påminner om hur Covid tar sig igenom blod/hjärnbarriären – stämmer det här eller hittar jag bara på?
– Njae, om vi säger så att Covid använder sig av proteiner, molekylära signaler för att ta sig in i celler. Och det här viruset behöver ta sig in i celler för att sedan använda cellens maskineri för att fördubbla sig, så mekanismen är densamma. Det handlar om molekylär växelverkan där specifika kemiska molekyler opererar och samverkar för att få till stånd en biologisk process.
Om vi nu går till Notch så säger du att cellerna kommunicerar med varandra just för att de är grannar, eller är de grannar?
– Det unika med själva Notch-mekanismen är att den kräver att cellerna är grannar. Man talar om en kontaktberoende signalering och det är en viktig process när du ska skapa mönster i biologin. Du kan tänka dig att du har ett fält av celler där alla celler är likadana, det här sker till exempel vid utveckling av organ från stamceller. När stamceller ska utveckla specialiserade celler som utför olika funktioner. Och då får en cell signalen att differentiera till en typ, och då säger den cellen via Notch till sin granne att ”gör du något annat”.
Varifrån kommer den här ursprungssignalen som säger till cellerna att ”nu ska ni sätta igång”?
– Det kan till exempel var en morfogen. All kommunikation i din kropp sker via kemisk kommunikation. Kemiska signaler styr cellernas funktion och öde.
Om jag förstod rätt så låg det specifika fokuset i Notch-projektet på hjärt- och kärlsjukdomar. Hur hänger det här fokuset ihop med signalräckan Notch?
– Signalräckan Notch är inte viktig enbart i ärenden som handlar om hjärt- och kärlsjukdomar, och hjärt- och kärlvävnad. Men det är en unik molekyl i det avseendet att det inte är en morfogen, så det är inte frågan om en stor mängd molekyler eller substanser som utsöndras av en cell och kan kännas igen av andras celler. Utan det är faktiskt frågan om en direktkontakt mellan ett protein som tar tag i ett annat protein och det leder till en signal. Vilket betyder att det är väldigt dosberoende.
– Så Notch styr cellernas funktion, inte enbart genom att det signalerar, påslaget eller avslaget, utan också nivån på kommunikationen: hur mycket aktiv Notch det finns i en cell, hur många Notch-signaler som är aktiva påverkar också cellens funktion, hur den reagerar på den här signalen. Och dosberoendet gör att har du det minsta modifikationer eller mutationer i den här signalen som påverkar dosen så får du defekter.
– Och ett av de första organen som utvecklas, och som är alldeles nödvändigt för vår levnad och vår utveckling, är hjärtat och vårt blodsystem och muterar du den här signalen så leder det ofta till embryonal letalitet därför att vävnaderna ifråga inte utvecklas. Och har du bara små mutationer, som bara påverkar dosen av signalen, så leder det till sjukdomar. Så det är det här dosberoendet som är så viktigt för hjärt- och kärlsjukdomar, bland annat. Men Notch är viktigt för utvecklingen av alla organ i din kropp.
Är Notch ett namn på ett sätt att kommunicera eller är det namnet på ett protein?
– Det är ett namn på en familj av proteiner, så det finns flera Notch-receptorer och flera Notch-ligander. Så det som är intressant med Notch och upptäckten med Notch är det att långt innan vi hade den teknik vi har idag som gör att vi kan sekvensera gener, mutera gener, förstå genernas funktion och definiera gener, så tittade man på bananflugor.
Varför just bananflugor?
– Bananflugor användes som en av de första genetiska modellerna när man studerade egenskaper, inte egentligen genetiken utan egenskaper hos organismer därför att de förökar sig så snabbt att man väldigt snabbt kan studera flera generationer. Du kan få en uppfattning om hur en egenskap, hur ett arvsanlag går i arv.
Bananflugor förökar sig så snabbt att man väldigt snabbt kan studera flera generationer. Du kan få en uppfattning om hur en egenskap, hur ett arvsanlag går i arv.
– Och Thomas Morgan, som faktiskt fick Nobelpris för sitt arbete om arvsanlag och om genetiken i början av 1900-talet, hittade en stam av bananflugor som hade hack i sina vingar. Och ett hack på engelska är ”notch”. Så namnet Notch kommer från upptäckten av ett arvsanlag, det vill säga ett hack i bananflugans vingar som senare upptäcktes vara mutationer i den här signalräckan ”Notch”.
Är Notch, alltså sättet att kommunicera något som finns i alla celler?
– Notch finns i alla multicellulära organismer. Det är en väldigt väl bevarad signaleringsmekanism – du hittar den i alla organismer som består av flera celler.
När du säger att dosen är avgörande, den här styrkan – vad betyder det? Vad betyder dos?
– Dos betyder egentligen signaleringsmängd, eller kraft, ska vi säga så, det som händer när Notch aktiveras är att den här ena proteinet på den ena cellen binder till receptorn, mottagaren på den andra cellen och det leder till en klyvning av den här receptorn, av den här mottagaren. Och den del som finns på inre sidan av cellen förflyttar sig till cellens kärna där den aktiverar gener.
– Så Notch kan ses som en transkriptionsfaktor. Alltså en faktor i cellen som aktiverar gener som är bundna till cellens membran. Och om man tittar på själva signalräckan så är det en ligand, alltså en signalsändare som binder till en receptor, en mottagare – som klyvs och leder till en transkriptionsfaktor som aktiverar en gen. Och Notch aktiverar väldigt många olika gener i cellen, så man kan ju tänka att den mängd kluven Notch du har i cellen bestämmer vad som händer med cellen. Och det är dosen.
– Och det andra som är ganska intressant är att när man studerar en funktion i biologin är det så att man muterar bort, du avlägsnar den genen i en modellorganism och så ser du vad som händer. Vad händer med utvecklingen av din lever? Vad händer med utvecklingen av ditt hjärta? Vad händer med utvecklingen av ditt blodsystem? Och då kan man säga att, okej, den här genen är viktig för utvecklingen av ditt blodsystem eller av ditt hjärta. Och alla gener förekommer i två kopior. En kopia som du har fått av din mamma och en kopia som du har fått av din pappa. Och ofta, för att få en effekt, måste du ta bort båda kopiorna, annars ser du ingen effekt, för de kompenserar varandra. Men i fallet med Notch räcker det ofta att du tar bort den ena. Och det här är också ett bevis på att den är väldigt känslig för dos.
Kan vi på något sätt manövrera till hur det här hänger ihop med hjärt- och kärlsjukdomar. Du pratade om hur embryot utvecklas, men jag har för mig att när vi pratar om ditt projekt så pratar vi om något som är i ett mycket senare skede, inte ett embryo utan om vuxna människor?
– Vi pratar om vuxna människor och ett av våra intresseområden är: hur påverkar miljön, den cellulära miljön Notch-dosen? Och när vi pratar om hjärt- och kärlsjukdomar så vet vi att en av de viktigaste stimulanserna för att få hjärt- och kärlsjukdomar är ditt blodtryck och förändringar i ditt blodflöde. Så ateroskleros till exempel, som är en sådan här plackbildning i ditt blodkärl är ofta associerat med förändringar i ditt blodflöde, specifika regioner i dina blodkärl. Och högt blodtryck är ju en riskfaktor som alla känner till.
När vi pratar om hjärt- och kärlsjukdomar så vet vi att en av de viktigaste stimulanserna för att få hjärt- och kärlsjukdomar är ditt blodtryck och förändringar i ditt blodflöde.
– Vi är intresserade av hur förändringar i blodflödet påverkar Notch-dosen. Så det vi upptäckt hittills är att det är en mekanosensitiv signaleringsräcka. Det vill säga mängden receptorer, mängden ligander i räckan regleras av förändringar i blodflödet. Och i och med att dosen är så viktig för att upprätthålla vävnaden. Så har du patologiska förändringar i blodflödet så reglerar det Notch-dosen och kan därmed leda till sjukdom. Så det är inte bara mutationer i själva räckan, som jag sade tidigare så leder ju mutationer ofta till att det inte blir ett foster för att det dör så tidigt, utan det är också förändringar i miljön – i vad vi kallar den hemodynamiska miljön, alltså blodflödets krafter som kan stimulera att du får en sjukdom genom att det påverkar dosen.
Så den där förändringen i signalen är inte önskvärd, och det är den man vill identifiera?
– Precis. Vad vi vill identifiera är hur påverkar förändringar i blodflödet Notch – alltså har du väldigt grava mutationer i signalräckan så blir det ingen vävnad och då har vi embryonal letalitet. Har vi en mildare mutation kan vi få en fosterutveckling, du kan leva till vuxen ålder – men sedan sker det ytterligare förändringar, åldrande, du får förändringar i ditt blodtryck. Dessa förändringar kan sedan förstärka den här defekten och leda till sjukdom.
Den här signalen som går genom den här signalräckan, exakt vad är det den gör – vad är det den åstadkommer?
– Vi kan ta ett konkret exempel, vi har rört oss på en ganska abstrakt nivå. Vi talar om vuxna människor och vi talar om artärer. Artärer är blodkärl som har en ganska tjock cellvägg. Och orsaken till att de har en ganska tjock cellvägg är att trycket i en artär är ganska högt. Och det finns något som kallas mekanisk vävnadshomeostas. Det vill säga vävnadsarkitekturen, blodkärlets vägg, tjockleken på blodkärlets vägg är anpassad till det tryck som finns i det kärlet.
– Det är som vilken trädgårdsslang som helst: har du högt tryck i din trädgårdsslang så behöver du en starkare slang med tjockare väggar. Och så fungerar också våra blodkärl. Och när de anpassar sig till förändringar så justerar de den här blodkärlsväggen. Och den här justeringen sker genom celler i väggen – det finns flera lager av celler, ju tjockare vägg desto flera lager av celler, och de talar med varandra via Notch. Och det är Notch som bestämmer den här väggens arkitektur och har du en förändring i blodflöde så måste den här väggens arkitektur anpassas för att behålla den här homeostasen så att det här blodkärlet som hela tiden är utsatt för mekanisk påfrestning är hållbart. Det här är ett väldigt konkret exempel där Notch opererar. Så Notch pratar med cellerna i den här väggen och säger: ”nu är vi tillräckligt många”, ”nu ska vi hållas så här många”, ”nehe – nu måste vi öka mängden cellager för vi måste få en tjockare vägg, vi måste dela på oss och bilda flera lager”. Den här cellfunktionen regleras av Notch.
Det är som vilken trädgårdsslang som helst: har du högt tryck i din trädgårdsslang så behöver du en starkare slang med tjockare väggar.
Och vad gäller hjärt- och kärlsjukdomar – är det ett problem att det blir för många lager?
– Du kan få en defekt i arkitekturen som kan täppa till själva kärlet, och ofta är de här sjukdomarna multifaktorella och när man har en allvarlig defekt på arkitekturen så leder det också till inflammation och dessutom ett inflöde av inflammationsceller och sedan får du en allvarlig förändring i själva vävnaden och dess funktion som kan täppa till blodflödet och det är den typen av tilltäppning som leder till hjärtinfarkt eller hjärninfarkt för infarkter är fråga om vävnader som inte har tillgång till syre på grund av att blodkärlen inte längre kan transportera blodet. Så den här vävnadsarkitekturen är absolut väsentlig för funktionen för blodkärlen.
Så den här forskningen ska leda till att man utvecklar läkemedel, eller?
– Nå vi jobbar väldigt mycket med vävnadsteknik. Så vårt stora mål är att bygga nya blodkärl. Och speciellt att kunna bygga nya blodkärl inne i kroppen, och det kan man göra på flera sätt. Du kan antingen sätta in en struktur som imiterar blodkärlet och som har biologisk information som stimulerar nybildning av blodkärl. Ett problem när man gör så är att återskapa den här arkitekturen. Den här typen av teknik finns redan tillgänglig, att man kan skapa blodkärl, du kan sätta in en struktur som imiterar blodkärlet. Det kan vara en struktur som för evigt blir en struktur och aldrig blir en levande vävnad men då har du ofta problem med avstötningsreaktioner och kloggningar (förträngningar/Red.) och inflammation. Det finns också teknologier där du gör en form av materialstruktur som du kan sätta in som lockar till sig kroppens egna celler och så småningom bildas det en ny vävnad.
– Problemet med de här teknologierna har varit att få den här arkitekturen: vi får en ny vävnad, den fungerar en stund, därför att den kan fungera som ett rör – det är vad ett blodkärl gör och blodet kan flöda igenom, men den har inte samma hållbarhet som ett vanligt blodkärl. Och det här hoppas vi genom att förstå hur blodflödet samverkar med signalräckan Notch kunna lösa. Så antingen genom att justera blodflödet, eller att vi justerar själv strukturen så att den har vissa mekaniska egenskaper som kan stimulera Notch-signaler, eller om vi är tvungna att ta till mera komplicerade åtgärder så kan vi funktionalisera den här strukturen med läkemedel som kontrollerar Notch-signalen.
Om vi stannar där – sade du mekaniska egenskaper som stimulerar Notch-signalen?
– Om vi förstår precis hur mekaniska egenskaper påverkar Notch så kan vi påverka signalen utan att påföra en biofunktion i den här strukturen. Så fort du har ett läkemedel, så fort du har en läkemedelsmolekyl så blir processen till den här kliniken en väldigt lång process. Men om vi kan förstå den här typen av mekanisk påverkan kan vi styra Notch-signalen som är viktig för den här arkitekturen.
Vad betyder det konkret? Vad betyder det att man ger den en struktur som den kan svara på?
– Om vi tänker på ett blodkärl igen så det som du egentligen gör med en sådan här materialstruktur är att du skapar ett rörmaterial. Och om du vet till exempel att ett väldigt styvt material ökar Notch-signalen och att ett väldigt mjukt material minskar Notch-signalen.
Vad skulle det här materialet kunna vara för något?
– Man använder olika former av polymerer som man kan forma i en sådan här struktur. Men det gör inte vi, det gör vi i samarbete med materialforskare som utvecklar. Det finns väldigt mycket olika material som skulle kunna användas.
Som kroppen inte stöter ifrån sig?
– Det är en bra fråga. Vad du än sätter in i kroppen för främmande material så har du en avstötningsreaktion eller en inflammatorisk reaktion. Inflammation behöver inte alltid med nödvändighet vara illa. Vi pratar antingen om en kronisk reaktion eller om en inflammation som kan vara regenerativ. Så genom att styra inflammationsprocessen så hoppas vi också kunna styra vad som händer med vävnaden. De celler som är viktiga för inflammationen kan också styras så att de istället för att förhindra läkningen av en vävnad så kan de användas för att stimulera läkningen, men de måste hållas i schack.
Vad du än sätter in i kroppen för främmande material så har du en avstötningsreaktion eller en inflammatorisk reaktion.
Nu tror jag att jag är ute och seglar, men jag har för mig att den där regenerativa inflammationen så det är samma information som inträffar efter att man har tränat till exempel. När man åsamkat sig själv viss typ av vävnadsskada så regenereras vävnaden efteråt.
– Konceptuellt är det precis samma sak. Du får till stånd en liten stimulans. Egentligen säger kroppen: nu är det fara å färde. Men den stimulansen gör att kroppen agerar mot den här faran och skapar en starkare bättre vävnad.
Så vi pratar lite om samma sak?
– Vi pratar om samma sak.
Är fördelen då med det här mekaniska systemet att man är och petar på ett ställe, det svarar direkt mot den där signalräckan, och introducerar du medicin så blir avståndet mellan introduktion och resultatet långt – det blir så många ställen det måste kommuniceras mellan innan du kommer till resultatet och du kan skapa många olika effekter på den resan – stämmer det så?
– Det stämmer delvis. Att överhuvudtaget introducera någonting i läkemedel och i klinisk användning är ju en väldigt lång process. Men om du inte har en biologisk aktivitet så är det lättare. Har du en biologisk aktivitet i form av ett läkemedel så är processen längre och förstås är det väldigt mycket som du måste kontrollera. Du måste kontrollera att du inte får sidoeffekter, du måste kontrollera att den här biologiska funktionen som du har introducerat inte påverkar andra organ.
– Du kan ju tänka dig, om vi tar Notch som ett exempel för det är aktivt i din kropp, så börjar du justera Notch i organ som inte är skadade så kan du åsamka skada. Så att kunna hålla effekten väldigt lokal, och dessutom inte introducera en biologisk funktion – eller det är ju egentligen en biologisk funktion för det är en biomekanisk funktion – men en biologisk substans så skulle underlätta. För att göra det måste vi förstå hur den här signalen växelverkar, hur vi genom att förändra mekaniken i din omgivning, i ditt blodflöde, i mekaniken i den här strukturen kan påverka Notch. Så allt det här måste vi förstå, och det är saker som vi inte förstår för tillfället.
Är det en mycket svåröverskådlig mängd signaler som finns där? Så att det inte bara är A, B, C och D utan det är ganska mycket som händer som det är svårt att få tag på – så det är inte bara en signal det hänger på, utan det är ganska många olika saker, gissar jag?
– Jo, du har alldeles rätt och det är komplexiteten i biologin – det är växelverkan mellan så många olika processer. Vi har redan introducerat hormoner, vi har introducerat morfogener, vi har introducerat Notch som är en cellkontaktberoende signal och alla dessa växelverkar med varandra. Och det som är ännu mera komplicerat som är ganska svårt att förstå är att när man tittar på den verktygsback av signaler som vi har, som kroppen använder för att skapa en kropp, en människokropp – så den är ändå rätt begränsad. Det finns ett visst antal signalräckor, men det är kombinationen, det är hur de samverkar på olika sätt med olika organ som gör att organen är olika. Det skulle vara lättare om det var så att vi hade en hjärtsignal, en muskelsignal och en leversignal. Men det är samma signaler som opererar i samverkan med varandra på olika sätt. Så det är väldigt komplext, det är väldigt svårt.
Det skulle vara lättare om det var så att vi hade en hjärtsignal, en muskelsignal och en leversignal. Men det är samma signaler som opererar i samverkan med varandra på olika sätt. Så det är väldigt komplext, det är väldigt svårt.
– Därför kan man delvis förstå varför det tar så väldigt lång tid att komma på någonting som sedan direkt kan användas i kliniken. Och ofta, om man tittar på det som finns idag i kliniken, så det mesta tar faktiskt itu med symptom och inte med orsaken, inte med den molekylära uppkomsten till sjukdomen. Och det är just därför att det är så fruktansvärt svårt att förstå den molekylära bakgrunden till uppkomsten av sjukdomar.
Det som fascinerar mig, som ändå har hållit på en stund som vetenskapsjournalist, är hur pass mycket jobb det krävs för att över huvud taget se något alls när man till exempel tittar i ett mikroskop på någonting, säg en cell – att man överhuvudtaget förstår något alls av det man ser. För det ser ju inte ut så som det ser ut i en lärobok, det är infografik som finns i en lärobok, alltså väldigt förfinade illustrationer och det ser inte alls ut så när man tittar på riktigt. Det som slår mig är alltså den enorma urskiljningsförmåga man måste ha för att kunna göra några som helst klassificeringar.
– Det är roligt att du säger det. För det första måste jag nästan tacka för uppskattningen. Då man tänker på när man handleder studenter, och speciellt sådana som gör experimentellt arbete, och så säger man till dem att 98 procent av dina experiment misslyckas. Det andra som är väldigt svårt att kommunicera till sådana som inte jobbar inom fältet är hur många observationer du måste göra innan du vågar dra några som helst slutsatser.
– Och när vi drar slutsatser så kommer vi ju inte med sanningar, utan vi kommer med hypoteser för hur det skulle kunna vara. Så slutresultatet för våra undersökningar, om vi tar exemplet Notch och blodkärl, är att vi nu tror – alltså vårt experimentella data tyder på – att det finns en samverkan mellan blodflöde och Notch-dosen. Och vi tror att när vi har en högre stress så leder det till en nedreglering av Notch-signaleringen, vilket leder till att cellerna ändrar sin funktion och börjar bilda flera cellager. Det här är vår hypotes på basis av de experiment som vi har gjort.
Vill du veta mera? Hör en intervju med Cecilia Sahlgren i podcasten Forskaren.