Kroniske sår og sår som gror veldig langsomt er et økende og stort problem, sier forsker. Ved å kombinere eksperimenter og såkalt beregningsorientert biologi har forskere identifisert noen av de viktige kreftene som virker i cellene ved sårskade.
Molekylærbiolog Emma Lång peker på en dataskjerm koblet opp mot et mikroskop. Bildet viser synkroniserte celler som flyter jevnt og harmonisk mot senteret i en liten sirkel.
Her ser vi tydelig hvordan cellene starter å bevege seg synkront etter at vi har tilsatt en væske som skal simulere blod. Her oppfører cellene seg på samme måte som celler i huden vår når vi får et sår, forklarer hun.
Samarbeid med matematikere
I samarbeid med forskere ved Oslo universitetssykehus og Matematisk institutt på Universitetet i Oslo har hun programmert hudceller utenfor kroppen. Cellene er først programmert inn i en hvilefase. Deretter har forskerne tilsatt en blodvæske for å manipulere cellene til å tro at det har oppstått et sår.
Til vår store overraskelse så vi at cellene begynte å bevege seg på samme måte som ved en sårskade. Cellene beveget seg synkront som et flytende teppe, forteller Stig Ove Bøe, som leder forskningsgruppen Lång er en del av.
De har samarbeidet tett med matematikere for å forstå mer av kraften og de mekaniske egenskapene til bevegelsene av cellene når et sår oppstår.
Ved å kartlegge dynamikken og de fysiske kreftene i dette kunstige hudlaget fant vi ut at sårheling starter ved aktivering av økt spenning mellom hudcellene. Cellene har små innebygde krefter. Ved et sår blir disse sterkere og styrer forflyttingen til cellene.
En har beregnet kraften mellom cellene og underlaget de beveger seg på, og kraften mellom cellene.
Har regnet på kraften i cellene
For å få dette til har biologene samarbeidet tett med matematikkprofessor Andreas Carlson og hans forskningsgruppe.
Vi startet med å se på hva som var koblingen mellom de aktive prosessene skapt av cellene og de passive prosessene som er til stede i hudlaget. Dette gjorde vi for å finne ut mer om selve kraften i cellene. Vi bygde en matematisk modell som vi deretter løste i datasimuleringer. Dette er som en digital tvilling til eksperimentene som biologene hadde gjort i laboratoriet, sier Carlson.
Forskerne kunne dermed bruke denne digitale tvillingen til å gjøre beregningsorienterte eksperimenter ved å simulere effekten av endringer i cellenes egenskaper.
Den syntetiske modellen kunne deretter settes ut i livet i de virkelige eksperimentene med cellene.
Forskerne kunne blant annet undersøke om cellenes evne til å bevege seg synkront under sårhelingprosessen er koplet til aktiviteter som finnes i cellelaget allerede før såret har oppstått.
Beregninger fra den matematiske modellen kunne direkte integreres med eksperimentene.
Forskerne gjorde eksperimenter der de varierte tiden cellene oppholdt seg i hvilefase før de ble eksponert for blodvæske.
Målet var å finne ut om kreftene som gir stress under sårhelingsprosessen etableres under hvilefasen før sårskaden oppstår.
Ved å bruke datasimuleringer av den matematiske modellen kunne forskerne se at dette mest sannsynlig gjør at cellene dermed har bedre mulighet til å bevege seg når de først kommer i kontakt med blodet igjen.
Egen kraft i cellen
Det er Lång som har ledet den eksperimentelle delen av arbeidet som nylig resulterte i en vitenskapelig artikkel i tidsskriftet PNAS. Hun understreker at resultatene de har kommet frem til så langt, reiser mange nye spørsmål.
En visste fra før at blod eller blodvæske kan stimulere cellene til å starte migreringen, men vi visste ikke at hvilefasen før blodtilstrømning har en så tydelig og viktig rolle.
Det er mange som studerer cellemigrering, men ifølge Lång har forskningen stort sett dreid seg om å dyrke celler utenfor kroppen for deretter å skrape bort en del celler.
Da får man et åpent område og kan se hvordan cellene rører seg. Da er man gjerne veldig fokusert på cellene ved sårkanten, de såkalte ledercellene, og at det er de som drar de andre cellene videre.
Hun forteller at de ikke dette åpne området i deres forskning.
Vi studerte cellene i et heldekkende cellelag. Våre forsøk viste at det var nok å tilsette et blodserum for å få cellene til å bevege på seg. Kanskje er ikke lederceller så viktig som mange forskere har trodd.
Vil manipulere såret til å gro
Lång forteller at de nå ønsker å se videre på hva det er i blodet som stimulerer cellene til å bevege seg.
Nå har vi funnet ut at cellene har innebygde små krefter som blir sterkere og styrer deres migrering forteller Bøe.
Nå ønsker forskerne å finne ut hvilke av de tusenvis av ulike komponenter i blodet som setter i gang disse kreftene. Nye upubliserte forskningsresultater fra Lång og Bøe tyder på at de har klart å identifisere minst en av de sentrale komponentene i blod som bidrar til aktivering av sårheling.
Kroniske sår og sår som gror veldig langsomt er et økende og stort problem, sier Lång.
Målet til forskerne er å finne ut mer om mekanismene som gjør at et sår kan gro og at det på sikt kan gjøre at man i fremtiden kan manipulere leging av kroniske sår.
Sårbehandling er individuelt
Lång foreslår at en mulig løsning i fremtiden kan være at man finner spesifikke proteiner eller signalmolekyler som kan inkluderes i en salve.
Men man kan jo også se for seg mer avansert teknologi som nanoteknologi, der man legger inn spesialdesignede partikler i såret som kan gå inn i celler og justere sårhelingsprosessen. Men det er en lang vei dit, i følge Lång.
Hun understreker at sårheling kan være ekstra utfordrende fordi resultat av sårbehandling er veldig individuelt.
En behandling kan fungere bra på noen pasienter, men ikke på andre.
Andreas Carlson ser et stort fremtidig potensial i dette forskningsfeltet.
En interdisiplinær tilnærming til disse forskningsspørsmålene har vært helt essensielt for vårt gjennombrudd. Disse prosjektene er svært krevende, men kan gi meget gode frukter. At vi matematikere bidrar med vår kunnskap i samarbeid med andre forskningsfelt mener jeg er helt avgjørende.
Kilder:
Universitetet I Oslo
Emma Lång mfl.: Mechanical coupling of supracellular stress amplification and tissue fluidization during exit from quiescence. PNAS, 2022. Doi.org/10.1073/pnas.2201328119
