Tverrfagleg tilnærming avdukar ny rolle for tuberkelbakteriens evne til å skade membranar i vertsceller

Slik ser arbeid inne på biosikkerheitsnivå 3-labben ut. Foto: Ragnhild Sætra/NTNU

Sjukdommen tuberkulose har i liten grad vore grunn for uro i Noreg heilt sida foreldra våre var barn; ein må med andre ord tilbake til 1950-talet. I tida etter andre verdskrig gjorde antibiotika sitt inntog i kampen mot tuberkelbakterien. Dødelegheita frå tuberkulose i Noreg sank til nær null på 1950-talet, og den har heldt seg stabilt låg sida. Allereie i denne tida såg ein framvekst av antibiotikaresistente stammar av Mycobacterium tuberculosis, men nye antibiotika vart oppdaga med slik hyppigheit at ein har vore i stand til å handtere resistente tuberkelbakteriar etter kvart som dei har presentert seg.

Dette biletet har endra seg dramatisk den siste tida. Eit viktig bidrag til denne endringa er at talet på nye godkjente antibiotikamedisinar var på sitt høgaste på 80-talet. Sida årtusenskiftet har talet på nye antibiotika falle til eit lågare nivå enn kva ein såg på 1930-talet, det fyrste tiåret med antibiotika. Dei siste ti åra har det kome rapportar frå fleire stader i verda om tuberkelbakteriar som er resistente mot alle kjente antibiotika.

Eit styrka immunforsvar mot tuberkelbakterien

Ny kunnskap vil vere avgjerande dersom me skal sigre i kampen mot vondsinna bakteriar når antibiotikaresistens aukar. Ei større forståing av interaksjonane mellom vertscella og tuberkelbakterien kan mogleggjere utvikling av nye metodar innan behandling, diagnose og vaksiner. Kan me utvikle medisinar som styrker immunforsvaret vårt, i motsetning til å berre svekkje bakterien slik antibiotika gjer?

Immuncellene våre fagosyterer – «spiser» – uvelkomne bakteriar for å drepe dei, men tuberkelbakterien kan øydelegge membranen den vert pakka inn i. Vertscellene prøver å motvirke dette ved å reparere skadde membranar. I tillegg forsøker cella å reisolere bakteriar som bryt seg ut ved hjelp av autofagi – «sjølvspising» – slik at bakterien kan destruerast i eit avgrensa og kontrollert miljø. Når immunceller vert infisert av tuberkelbakteriar og døyr kan bakteriane spreie seg og skape større skade på vev.

Ein artikkel om forskinga vår på samspelet mellom vertsceller og tuberkelbakterien vart nett publisert i tidsskriftet Nature Communications, Plasma membrane damage causes NLRP3 activation and pyroptosis during Mycobacterium tuberculosis infection.

I artikkelen presenterer me at tuberkelbakterien kan skade den ytre plasmamembranen til vertscella. Brot på cellas ytre barriere gjev ionefluksar, som fører til at eit inflammasom vert aktivert i cella. Då vil cella døy medan den slepp ut signalmolekyl som skapar inflammasjon. Samstundes vil bakteriane sleppe fri i eit kaotisk miljø der dei har god tilgang på næring og er klare til å infisere nye celler som kjem for å reparere skadane. Mekanismen me har funne liknar det me ser ved sterile skader på cellene, til dømes frå silikakrystaller. Det tyder på at den kan vere relevant for andre sjukdommar enn tuberkulose, til dømes silikose.

Denne tredimensjonale figuren viser ei immuncelle (i grått) som fagosyterer tuberkelbakteriar (i lilla). Illustrasjon: Marianne Beckwith/Sindre Ullmann

Samarbeid gjer betre forskning

Avansert immunologisk forsking er avhengig av gode samarbeid. Samarbeidet vårt med Harald Stenmark ved Senter for kreftcelle-reprogrammering i Oslo, eit senter for fremragande forsking, har vore særs verdifullt for dette prosjektet. Stenmark er leiande innanfor forsking på ESCRT-maskineriet, eit system som mellom anna er involvert i reparasjon av plasmamembranen i celler. Dette samarbeidet har gjort oss betre i stand til å studere kva for rolle ESCRT-maskineriet kan ha i å reparere skadar tuberkelbakterien påfører plasmamembranen.

I arbeidet vårt med å studere desse mekanismane har me gjort nytte av eit breitt spekter av mikroskopimetodar som er tilgjengelege ved NTNU. Ved å bruke lysmikroskopi kan me sjå levande celler medan dei vert infisert av tuberkelbakteriar. Slik kan me følgje dei dynamiske prosessane og avdekke hendingsgangen når bakterien infiserer ei immuncelle. Dette gjer det mogleg for oss å sjå både kva som er konsekvensane av gitte hendingar, som til dømes aktivering av inflammasomet, men også kva som hende med cella før inflammasomet vart aktivert. Denne typen avbilding er nyttig når ein studerer heterogene cellekulturar, der augneblinksbilete og gjennomsnitt ikkje kan svare på alle spørsmål. Cellular & Molecular Imaging-kjernefasiliteten (CMIC) ved NTNU drifter mange instrumenter og i arbeidet vårt har me nytta heile fire ulike lysmikroskop drifta av CMIC.

Videre i artikkelen gjer me nytte av ein avansert teknikk kalla korrelativ lys-elektronmikroskopi for å studere den tredimensjonale ultrastrukturen til celler infisert med tuberkelbakteriar. Kjernen i denne teknikken er å avbilde den same cella med både lys- og elektronmikroskopi for slik å danne eit multidimensjonalt sett med data. Ved å anvende denne teknikken vart me dei fyrste til å vise korleis strukturen og omgivnadane til eit inflammasom ser ut inni ei celle. For å oppnå dette har me samarbeida med og brukt utstyr ved både NTNU Nanolab og CMIC.

Dette er ei 3D-rekonstruksjon som viser strukturen til eit inflammasom – for fyrste gong i ei primærcelle. Illustrasjon: Marianne Beckwith/Sindre Ullmann

Våre studiar på tuberkelbakterien held fram i trygge omgivnader

Tuberkelbakterien er klassifisert som ein biosikkerheitsnivå 3-organisme, og arbeid med den er difor nøydd til å gå føre seg på eit avgrensa laboratorium der strenge og omfattande prosedyrar må følgjast. Me er heldige som har eit eige lysmikroskop der inne, slik at me i trygge omgivnader kan studera tuberkelbakterien når den infiserer levande immunceller.

Trude Helen Flo er professor i cellebiologi, og leiar forskingsgruppa me er ein del av ved CEMIR. Trude sin bakgrunn er derimot frå sivilingeniørstudiet i bioteknologi ved NTNU. Hennar tverrfaglegheit kan ein sjå tydelege spor av i personane ho har rekruttert til prosjektet dei siste åra, ein strategi som har vore direkte bidragsytande til artikkelen me nå har publisert. Marianne og Kai Sandvold Beckwith, fyrsteforfattarane av studien, er også sivilingeniørar. Dei har nå fortsette karrierane sine i post doc-stillingar ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg, eit av flaggskipa for livsvitskap i Europa. Stipendiatane Sindre Ullmann og Ragnhild Sætra tek over stafettpinnen frå dei og har i likskap med Marianne og Kai bakgrunn frå det interdisiplinære sivilingeniørstudiet i nanoteknologi. Framover vil dei forske meir på interaksjonane mellom tuberkelbakterien og immunceller.

Ragnhld Sætra og Sindre Ullmann

Ragnhld Sætra og Sindre Ullmann

24. mars 1882 ble det kjent at Robert Koch hadde oppdaget bakterien som forårsaker tuberkulose, Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Derfor markerer vi verdens tuberkulosedag på denne datoen.

Selv om Covid-19 er lungeinfeksjonen det snakkes mest om for tiden, er det tuberkulose som på verdensbasis er ledende dødsårsak forårsaket av en enkelt infeksjon. Hvert år dør 1,5 millioner mennesker av tuberkulose, og verdens helseorganisasjon (WHO) anslår at en fjerdedel av verdens befolkning er bærere av bakterien.

Tuberkulose smitter mellom mennesker ved at syke personer hoster opp dråper som inneholder Mtb, og denne aerosolen pustes inn av friske personer. Dermed kommer bakteriene ned i lungene, hvor de spises av makrofager. Disse cellene forsøker å drepe tuberkulosebakteriene og rekrutterer andre immunceller. Etter hvert dannes et granulom, der Mtb og ulike immunceller er avgrenset av bindevev. Ved dette stadiet er sykdommen kontrollert og ikke smittsom – men i noen tilfeller vil cellene begynne å dø og innkapslingen kan sprekke. Da kan den infiserte personen hoste opp tuberkulosebakterier og smitte andre.

I vår forskningsgruppe ved Senter for Molekylær Inflammasjonsforskning (CEMIR) i Trondheim forsker vi på tuberkulose. Vi er spesielt interesserte i hvordan menneskets immunforsvar reagerer på infeksjonen, siden mer kunnskap på dette feltet kan legge grunnlaget for bedre behandling og forebygging av økt antibiotikaresistens.

Journalen Nature Communications aksepterte nettopp vår forskningsartikkel «Plasma membrane damage causes NLRP3 activation and pyroptosis during Mycobacterium tuberculosis infection» for publisering. Her viser vi at tuberkulosebakterien kan skade plasmamembranen til vertscella den befinner seg i, noe som fører til aktivering av et proinflammatorisk signaleringskompleks og celledød. Dette kan føre til at bakterien sprer seg og forårsaker mer skade på lungevevet. Vi tror at mekanismene vi har funnet kan være viktige i forståelsen av lungeskader forårsaket av overdreven inflammasjon, samt celle-til-celle-spredning av Mtb. Artikkelen vår blir publisert i journalen om noen uker, men for de som ikke kan vente er en tidlig versjon tilgjengelig i bioRxiv.

Dette er en tredimensjonal figur av ei immuncelle (i grått) som holder på å “spise opp” – fagosytere – en klump med tuberkelbakterier (i blått). Bildene som utgjør denne tredimensjonale fremstillingen er tatt med et elektronmikroskop. Det er den ytre overflaten til cella vi ser i grått og en kan tydelig se de karakteristiske rysjene som cella skaper når den skal fagosytere noe. Noen få minutter før prosessene mellom cella og bakteriene ble stoppet (cella ble fiksert) skadet bakteriene membranen til cella i et område under bakterieklumpen.

Dette er en tredimensjonal modell av to tuberkelbakterier (i blått) basert på en serie todimensjonale elektronmikroskopbilder. Bakgrunnen er ett av disse bildene. Disse to bakteriene ble først fagosytert av ei immuncelle og dermed fanget i en liten “membranboble” – fagosom – på innsiden av cellen, som en liten såpeboble inni en større såpeboble. Deretter skadet bakteriene membranen som fagosomet var laget av. I øyeblikket der denne cella ble fiksert forsøker den på ny å pakke bakteriene inn i membraner (i gull) for å gjenskape “bobla” der immuncella kan drepe bakterien.

Figurer: Sindre Ullmann og Marianne Sandvold Beckwith

Den 24. mars markerer vi verdas tuberkulosedag. Det var på denne dagen i 1882 at Dr. Robert Koch offentleggjorde at han hadde oppdaga bakterien som forårsaka sjukdomen tuberkulose, nemleg Mycobacterium tuberculosis. Tuberkulose er truleg årsaka til 1 milliard dødsfall dei to siste århundra og i dag døyr det årleg 1,5 millionar menneske av sjukdomen på verdsbasis.

Verdas helseorganisasjon (WHO) estimerer at ein tredjedel av verdas befolkning er bærare av bakterien, og av desse vil omlag 10% utvikle aktiv sjukdom i løpet av livet. Her i Noreg er likevel dei fleste av oss signa med veldig lite direkte kjennskap til sjukdomen. I 2017 vart det registrert 261 nye tilfelle av tuberkulose i Noreg, det lågaste talet sida 2002.

Krevjande behandling av sjukdomstilfella

Sjølv om sjukdomstilfella er få i Noreg, så er behandlinga den same dersom du får påvist smitte her som i resten av verda:
Det er antibiotika som framleis leiar i kampen mot tuberkulose, slik den også har vore sentral i prosessen med å nær utrydde sjukdomen her i Noreg etter 2. verdskrig. Men, tuberkelbakteriane er svært vanskelege å behandla med antibiotika. Dei har mellom anna ein tjukk cellevegg som er vanskeleg for medisinar å trenge igjennom, og dei gøymer seg inne i immuncellene våre, kor dei er nær utilgjengelege for antibiotika.

Behandlinga er derfor tung og langvarig. Dersom du får påvist tuberkulose til dømes etter eit utanlandsopphald, vil eit generelt behandlingsregime innehalde fire ulike antibiotika-medisinar. Typisk så startar denne kuren med full styrke dei første tre månadene, før ein går over på ein mindre intensiv vedlikehaldsbehandling dei neste tre månadane. Behandlingsregimet er særs omfattande, med piller fleire gonger for dagen i lang tid, og det heile vert ei monaleg belastning for pasienten både fysisk og psykisk.

Bilde frå eit sveipeelektronmikroskop, som visar ei immuncelle som strekker seg ut for å ta opp tuberkelbakteriar (lyseblå), i håp om å eliminere dei frå kroppen. Foto: Marianne Sandvold Beckwith.

Antibiotikaresistens – et aukande problem

Når ein bakterie ikkje døyr av å verte behandla med ein type antibiotika kallar vi den antibiotikaresistent.
Tuberkelbakteriar er i mange tilfelle multiresistente (MDR – multi drug resistant), og førekomstane av bakteriestammar som kan motstå dei fleste eller alle typar antibiotika aukar (XDR – extensively drug resistant og TDR – totally drug resistant). Antibiotikaresistens er altså ein eigenskap som bakterien tileignar seg, ikkje vi menneske.

Dette faktumet er offer for ei relativt velutbreidd misforståing blant pasientar og pårørande på verdsbasis, med alvorlege følgjer. Pasientar vel gjerne å avslutte behandlinga når dei ikkje lenger følar symptoma fordi dei vil hindre at deira eigen kropp vert antibiotikaresistent. Ved halvvegs behandling kan då dei bakteriane som har makta å overleva initial- behandlinga være resistente mot ein eller fleire av antibiotikamedisinane i kuren. Desse bakteriane får no moglegheit til å blomstre opp og smitte nye menneske.

Med tuberkulose spreies resistens også på grunn av den tunge behandlinga. Den er kostbar og vanskeleg å følgje opp i utsette område, og pasientar kan ynskje å avslutta på grunn av sideverknadane som etter kvart vert sterkare en sjukdomen sjølv. Difor er det i dag anbefalt at helsepersonell observerer alt inntak av medisinar direkte, så kalla direkte observert terapi, eller DOT. Behandlinga av antibiotikaresistent tuberkulose varar i 24 månader, og likevel er det berre om lag halvparten av pasientane som vert friske.

Sindre (nummer seks, fra venstre, andre rekke) og Marianne (nummer to fra venstre, første rekke) er del av denne forskningsgruppa ved senter for molekylær inflammasjonsforskning (CEMIR), der dei til dagleg jobbar mot å forstå sjukdomen tuberkulose betre. Foto: Håvard Takle Lindholm

Vår forsking – eit bidrag mot betre behandling

Ved Senter for Molekylær Inflammasjonsforskning (CEMIR) i Trondheim forskar vi på tuberkulose. Det er fordi vi er avhengige av å gjere nye oppdagingar for å betre den tilgjengelege behandlinga og for å stogge den varsla krisa med antibiotikaresistens.

Vi er særs interesserte i å forstå korleis kroppens immunforsvar reagerar på infeksjon. Sidan berre eit fåtal av dei som er smitta utviklar aktiv tuberkulose i løpet av livet, tydar det på at kroppens immunforsvar klarar å handtera tuberkuloseinfeksjon i mange tilfelle. Viss vi klarar å forstå nøyaktig kva respons som gjer kroppen i stand til å kontrollera bakteriane, kan vi kanskje forsterka denne responsen hos dei som vert alvorleg sjuke, samstundes som vi behandlar med antibiotika.

For å forstå kva som skjer i kroppen når den møter tuberkelbakteriar, infiserer vi immunceller med tuberkelbakteriar i laben, og observerer infeksjonen med avanserte mikroskopteknikkar. Med fluoresensmikroskopi kan vi sjå på kva protein som er i arbeid, og med elektronmikroskopi observerar vi bakteriar og organellar i immuncellene med nanometer presisjon.

Vi vonar at våre studiar skal lære oss noko nytt om korleis tuberkelbakteriane samhandlar med immunforsvaret i kroppen vår, og dermed bidra til målet om å få ein slutt på sjukdomen som framleis tek så mange liv.

Blogger: Marte Singsås Dragset
Forsker ved Senter for Molekylær Inflammasjonsforskning (CEMIR)

Den 24. mars markerte vi verdens tuberkulosedag. Her i Norge har de fleste hørt om tuberkulose gjennom media, skolen og vaksineprogrammer. Noen har foreldre, besteforeldre eller oldeforeldre som fikk denne smittsomme sykdommen.

Når vi skriver verdens tuberkulosedag i 2015 er tilfellene av tuberkulose i Norge heldigvis relativt få (350–400 rapporterte tilfeller i året). Vi kan behandle med antibiotika, og de fleste tilfellene i Norge er faktisk inaktiv, latent tuberkulose som ikke er smittsom.

Tuberkulose er likevel et enormt helseproblem på verdensbasis, det er nettopp derfor vi trenger verdens tuberkulosedag. Tuberkulose er faktisk den nest mest dødelige av verdens smittsomme sykdommer, kun slått av HIV/AIDS. Verdens helseorganisasjon rapporterer at 1,5 millioner mennesker døde av tuberkulose i 2013. Det tilsvarer nesten en tredjedel av Norges befolkning. Samtidig er økningen av antibiotikaresistente bakterier en stor trussel mot menneskers helse, og man ser en økning i tuberkulose som er resistent mot dagens medisiner. Det haster med å finne nye medisiner til behandling av tuberkulose.

Kartet viser multiresistent tuberkulose rundt om i verden.( Grafikk: WHO. All rights reserved.)

Det er en tidkrevende prosess å utvikle en ny, antibakteriell medisin. Prosessen starter ofte ved at en stor samling av kjemiske stoffer testes for å identifisere forbindelser som kan drepe det aktuelle patogenet. Dernest bør de forbindelsene som fungerer optimaliseres av hensyn til videre utvikling til en eventuell medisin. I denne prosessen er det svært viktig å identifisere hvordan forbindelsen faktisk dreper bakteriene. I studien vår, som nylig ble publisert i Antimicrobial Agents and Chemotherapy, fant vi den tilsynelatende mekanismen til en ny forbindelse (PZP) som dreper Mycobacterium tuberculosis, bakterien som forårsaker tuberkulose. Og denne virkningsmekanismen overrasket oss.

… det ble etter hvert tydelig at teorien vår ikke stemte, men vi fant noe annet!

En relativt ny metode for å identifisere hvilken biologisk prosess i bakterien som angripes av et potensielt nytt legemiddel, er å sekvensere hele genomet til bakterier som viser resistens mot den aktuelle forbindelsen. Tuberkulosebakterier som viser resistens mot den nye forbindelsen som vi er interessert i, PZP, ble derfor genomsekvenserte. Mutasjonene som ble oppdaget pekte på et gen som er viktig for at bakterien skal kunne ta opp jern fra omgivelsene. Akkurat som oss mennesker trenger M. tuberculosis jern for å leve. Kan det være at PZP hindrer M. tuberculosis i å ta opp det jernet bakterien trenger for å overleve?  Vi bestemte oss for å bekrefte denne hypotesen, men det ble etter hvert tydelig at teorien vår ikke stemte. PZP hadde ingen innvirkning på bakteriens jernopptak. I overraskelsen over dette funnet oppdaget våre dyktige kjemikere imidlertid noe mer; PZP er faktisk et sterkt jernbindende stoff! Det ser altså ut til at PZP, i stedet for å hindre bakterien i å ta opp jern, går inn i bakteriecellene og binder jernet som bakterien allerede har tatt opp, slik at bakteriene ikke kan bruke dette jernet. PZP ser ut til å sulte tuberkulosebakterien for jern fra innsiden!

Sammen med samarbeidspartnere ved forskningsinstitusjoner i Boston, Roma, Texas, Seattle og New York, lærte vi noe viktig gjennom denne studien, noe som også har betydning for andre forskere innen legemiddelutvikling. Ting er ikke alltid som de ser ut til å være. Genet som leder til resistens mot et antimikrobielt stoff er ikke nødvendigvis det samme som faktisk angripes av forbindelsen. Men, selv om det ikke direkte er målskiven, kan det å identifisere disse resistensgenene gi oss viktig informasjon om de virkelige mekanismene til nye, potensielle legemidler. Slik var det altså i vårt tilfelle; vi ble pekt i retning av bakteriens jernmetabolisme.

Forsker grand prix er stedet der ni forskere får fire minutter hver til å presentere forskningen sin på en scene på en slik måte at alle forstår det. Dette skjer på Byscenen i Trondheim 25. september kl. 19. Ni håndplukkede doktorgradskandidater fra NTNU deltar. Tre av deltakerne er fra Det medisinske fakultet, og her er én av dem.

Blogger: Marianne Sandvold Beckwith,
stipendiat hos Senter for Molekylær Inflammasjonsforskning

Gruppa jeg jobber i er en del av CEMIR (Senter for Molekylær Inflammasjonsforskning), og fokuserer på å finne ut mer om alle aspekter ved mykobakterieinfeksjoner. Mykobakterier finnes av forskjellige slag, og den mest kjente er sannsynligvis Mycobacterium tuberculosis, som er årsak til sykdommen tuberkulose.

Jeg bruker avanserte mikroskopteknikker for å se på hva som skjer når bakteriene som er årsak til sykdommen møter celler fra immunforsvaret vårt. De klarer nemlig å overleve inni cellene som egentlig skal drepe dem.

Jeg bruker spesielt et elektronmikroskop som kun er tilgjengelig på NTNU Nanolab i Norge, og som gir ekstremt høyoppløselige bilder av de infiserte cellene i 3D. Teknikken er relativt ny, og vi vet enda ikke omfanget av hva nytt den kan lære oss – det blir en spennende vei videre de neste to årene av doktorgraden.

Jeg ønsker å delta i Forsker grand prix fordi jeg synes det er gøy og utfordrende å presentere forskningen min på stadig nye arenaer. Jeg opplever at folk vet lite om hvilken helsefare tuberkulose er i verden i dag, og jeg synes derfor dette er viktig å få ut. I tillegg er jeg så heldig at jeg jobber med spennende teknikker som gir fine bilder og illustrasjoner, som er enkelt for alle å bli fascinert av. Teknikkene jeg bruker kan være nyttige innen helt andre forskningsfelt, og det vil være verdifullt å vise for både studenter, forskere og andre i Trondheim hva vi faktisk har mulighet til å gjøre her i byen.

• Her kan du lese om de andre deltakerne i Forsker grand prix 2014
  

I dag er det verdens tuberkulosedag. Hvert år, 24 mars, setter vi fokus på denne sykdommen som fremdeles er et globalt helseproblem. Hvert år tar bakterien som forårsaker tuberkulose, Mycobacterium tuberculosis, livet av 1,4 millioner mennesker.

Det angår oss også, vi har et globalt ansvar, og verden er etter hvert veldig liten.

Ikke nok med det, omtrent en tredjedel av verdens befolkning er smittet av tuberkulosebakterien og er i fare for at sykdommen kan blusse opp dersom immunforsvaret blir tilstrekkelig svekket.

Vi hører ikke så mye om tuberkulose lenger i Norge. Sykdommen var et stort folkehelseproblem fram til tiden etter 2. verdenskrig, men økt velstand, effektive smitteverntiltak, og effektive medisiner har bidratt til at tuberkulose ikke lenger er et stort problem i Norge.

I dag er de fleste av de rundt 400 årlige tilfellene av tuberkulose som registreres i Norge innvandrere som er smittet når de kommer til landet. Og de behandles til de er friske.

Så – hvorfor fokuserer vi da likevel på tuberkulose? Det angår oss også, vi har et globalt ansvar, og verden er etter hvert veldig liten.

Inntil for noen få år siden var BCG vaksinen en del av barnevaksinasjonsprogrammet i Norge, men ikke lenger. Vaksinen består av levende, svekkede slektninger av tuberkulosebakterien, M. bovis Bacille Calmette Guérin. Vaksinen er vist å gi god beskyttelse mot tuberkulose hos barn, men veldig varierende beskyttelse mot lungetuberkulose hos voksne.

Multiresistent tuberkulose er tema for Verdens tuberkulosedag i 2014, og viser til det faktum at vi trenger ny behandling og nye vaksiner for behandling av tuberkulose. Dette er også hovedmålet for vår forskningsgruppe ved SFF CEMIR.

Selv om det finnes behandling av tuberkulose er denne krevende. Det trengs en kombinasjon av antibiotika som må tas i flere måneder, og framveksten av antibiotika-resistente bakterier er høy. Resistent tuberkulose må behandles i opp til et par år, det er få antibiotika som ennå virker, og bare en av tre pasienter med multiresistent tuberkulose blir friske.

Om ikke det var nok så er det nå også påvist isolat av M. tuberculosis som er fullstendig resistent mot all behandling som finnes i dag. Multiresistent tuberkulose (MDR tuberkulose) er tema for Verdens tuberkulosedag i 2014, og viser til det faktum at vi trenger ny behandling og nye vaksiner for behandling av tuberkulose. Dette er også hovedmålet for vår forskningsgruppe ved SFF CEMIR.

Gjennom bevilgninger fra Forskningsrådet sine ordninger SFF og FriPro har vi på CEMIR fått muligheten til å bidra til den globale helseforskningen på tuberkulose.

Kartet viser multiresistent tuberkulose rundt om i verden. Grafikk: WHO. All rights reserved

Tuberkulose smittes ved dråpesmitte. En syk person hoster opp mykobakterier som inhaleres av en annen person, og bakteriene kommer ned i lungene. Der blir bakteriene spist av immunceller kalt makrofager og dendrittiske celler. Disse cellene har som oppgave å sette i gang en effektiv immunrespons med det formål å destruere bakteriene og gjøre oss immune.

Ved å studere samspillet mellom mykobakterien og vertens immunforsvar kan vi bidra til å avdekke nye mulige behandlingsstrategier for bekjempelse av tuberkulose, og til kunnskap som kan bidra i utvikling av nye vaksiner.

Hadde dette systemet vært perfekt ville vi ikke blitt syke, og dessverre er det slik at patogene bakterier slik som M. tuberculosis har utviklet en rekke metoder for å manipulere vårt immunsystem til sin egen fordel for å fremme overlevelse. Patogene mykobakterier tar bolig i våre makrofager og manipulerer de for ikke å bli destruert. Der har de tilgang på det de trenger av næring og de unnslipper andre deler av immunforsvaret. Ved å studere samspillet mellom mykobakterien og vertens immunforsvar kan vi bidra til å avdekke nye mulige behandlingsstrategier for bekjempelse av tuberkulose, og til kunnskap som kan bidra i utvikling av nye vaksiner.

Vår forskningsgruppe har ulike strategier for å nå målene. Vi studerer hvilke mekanismer immuncellene bruker for å gjenkjenne og ta livet av mykobakteriene. Vi studerer også hvordan mykobakteriene overlever inni immuncellene og hvilke verktøy de har for å manipulere vårt immunforsvar. Dersom vi kan finne nye og bedre måter for å styrke verten, svekke bakterien eller kombinere disse strategiene kan vi forhåpentligvis komme nærmere WHOs mål om utryddelse av tuberkulose.

Nye Multiresistent tuberkulose tilfeller. WHO 2013. All rights reserved

Se lenke til WHO – ppt-presentasjon med kart over MDR Tb

http://www.who.int/tb/challenges/mdr/en/

Norges forskningsråd har nylig delt ut midler til fri prosjektstøtte til medisin, helse og biologi (FRIMEDBIO). Dette er midler som det er stor konkurranse om nasjonalt, og det er derfor kun de aller beste nasjonale prosjektene som får støtte. Det medisinske fakultet, NTNU fikk støtte til hele tre unge forskertalenter, tre forskerprosjekter og to post doc stipend. Du vil få lese om alle disse prosjektene på bloggen fremover. Trude Helen Flo og hennes kolleger ved CEMIR fikk støtte til forskerprosjektet: New Principles of mycobacterial killing in host macrophages (MycoHosPath). Les mer om dette prosjektet (på engelsk). 

I CEMIR skal vi jobbe med betennelse, eller inflammasjon. Hvorfor? Fordi inflammasjon er viktig for helse, også global helse, og vi tror at en bedre forståelse av hvordan inflammasjonsprosessene initieres og reguleres vil bidra til utvikling av nye medikamenter og vaksiner.

Inflammasjon er kroppens reaksjon på fare. Celler fra immunforsvaret vårt har reseptorer som kjenner igjen strukturer fra mikrober, vevsskade eller skadelige endringer av kroppens egne molekyler. Binding til reseptorene aktiverer immuncellene og en akutt inflammasjon oppstår. Cellene skiller ut signalmolekyler for rekruttering av nye immunceller og antimikrobielle program aktiveres, alt med det formål å fjerne angriperen, reparere skaden og lege sår. Prinsippene er de samme, men reseptorene som aktiveres er spesifikke for ulike molekyler og dermed kan immunforsvaret tilpasse responsen til hvilken type angrep kroppen er utsatt for.

Klarer ikke kroppen å rydde opp kan inflammasjonen bli kronisk, som sett ved leddgikt, inflammatorisk tarmsykdom, noen typer kreft og i hjerte-kar sykdom. Og her ligger nøkkelen: Om vi kjenner de molekylære detaljene i hvilke mekanismer immuncellene mobiliserer ved ulike angrep så kan vi identifisere nye og spesifikke terapeutiske mål for en rekke sykdommer der inflammasjon er sentralt.

Om vi kjenner de molekylære detaljene i hvilke mekanismer immuncellene mobiliserer ved ulike angrep så kan vi identifisere nye og spesifikke terapeutiske mål for en rekke sykdommer der inflammasjon er sentralt.

Hva så med inflammasjon i et globalt helseperspektiv? Nyere tall viser at selv om infeksjonssykdommer fremdeles er en betydelig dødsårsak i lavinntektsland så er det et skifte mot at befolkningen blir eldre og dør av kardiovaskulær sykdom, lungesykdom, diabetes, demens og kreft – kroniske sykdommer med et betydelig inflammasjonsbidrag (Lozano et al, The Lancet, 2012 380:9859: 2095 – en studie der 488 forskere fra 50 land bidro i å kartlegge ”global burden of disease” anno 2010). Noen av de mest dødelige infeksjonssykdommene er også kroniske, som HIV/AIDS, tuberkulose og malaria.

Min forskningsgruppe er spesielt interessert i tuberkulose som forårsakes av bakterien Mycobacterium tuberculosis. Det dør fremdeles 1,5 millioner mennesker av tuberkulose hvert år, og en estimerer at en tredjedel av verdens befolkning er infisert med tuberkelbasillen. Behandlingen er komplisert og langvarig, det er økende forekomst av resistens mot de medikamentene vi har i dag, og den eneste tilgjengelige vaksinen, BCG-vaksinen, er ikke effektiv mot voksen lungetuberkulose. Det er derfor et stort behov både for ny vaksine og mer effektive medikamenter mot tuberkulose.

Det dør fremdeles 1,5 millioner mennesker av tuberkulose hvert år, og en estimerer at en tredjedel av verdens befolkning er infisert med tuberkelbasillen.

Vi tror vi kan bidra til dette ved å studere samspillet mellom mykobakterien og vertens immunforsvar, og vi fokuserer spesielt på hvordan mykobakterien klarer å overleve inne i sin verste fiende, makrofagen. En rekke prosesser settes i gang i makrofagen i det mykobakterien binder til reseptorer på overflaten (se figur 1): lektin reseptorer bidrar til at bakterien tas opp i cella ved at cellemembranen invagineres og danner en lukket vesikkel som omslutter bakterien. Denne prosessen kalles fagocytose og vesikkelen et fagosom. Samtidig aktiveres inflammasjonsveiene i makrofagen gjennom Toll-lignende reseptorer, signalmolekyler skilles ut og antibakterielle program initieres. Så skjer det som gjør mykobakterien spesiell: Normalt ville fagosomet bli gradvis forsuret, bakterien ødelagt og biter av den presentert for mer profesjonelle immunceller, T-cellene. Patogene mykobakterier klarer å hindre denne prosessen og leve et langt liv i verten uten å bli drept. Dette kalles immune evasion og kan forklare hvorfor så mange mennesker går rundt med latent tuberkulose.

Figur 1

Vi har som mål å forstå de molekylære mekanismene som gjør dette mulig, både hos mykobakterien og i makrofagen. Dersom vi kan styrke makrofagen eller svekke mykobakterien slik at T-cellene blir aktivert på en hensiktsmessig måte så kan vi forhåpentligvis få en bedre immunrespons som gir effektivt drap og immunitet. Det er bare gjennom en detaljert forståelse av hva som skjer mellom mykobakterien og verten at vi kan finne nye terapeutiske mål og utvikle nye vaksiner.

Mykobakterier trenger jern for å vokse. Vi har vist at kroppen har et antibakterielt protein, lipokalin 2, som nettopp sulter bakterier for jern (Flo et al, Nature 2004). Dessverre har vi også funnet at lipokalin 2 ikke er så effektivt i forsvar mot mykobakterier fordi de gjemmer seg inni makrofagene i fagosomer der lipokalin 2 ikke har adgang (Halaas et al, Journal of infectious diseases 2010, se figur 2).

Dersom vi finner andre måter å sulte mykobakteriene for jern på kan de svekkes tilstrekkelig til at makrofagene klarer å ta hånd om dem. Bedre kjennskap til mykobakterienes jernmetabolisme kan avdekke nye angrepspunkt.

Figur 2: Mykobakterier tar bolig i kroppens makrofager og gjemmer seg for forsvarsproteiner som lipokalin 2. Bildene viser en makrofag som er infisert med fluorescerende mykobakterier (grønt) og deretter merket med forsvarsproteinet lipocalin 2 (rødt) og lysosomer (blått). Vi ser at lipokalin 2 blir transportert i lysosomer hvor det blir nedbrutt (overlapp rødt og blått blir lilla), mens mykobakteriene trafikkerer til andre deler av makrofagen hvor den verken blir nedbrutt eller møter lipokalin 2. Dette kalles ”immune evasion”, og mykobakterier er eksperter på dette. Kilde: Halaas et al, Journal of Infectious Diseases 2010. Bilder: Øyvind Halaas

Nyere forskning har vist at makrofagene kan ta hånd om mykobakteriene ved å bruke et indre renovasjonssystem, autofagi. Autofagi ligner på fagocytose, men skjer inni cellene ved at ødelagte organeller, aggregerte proteiner, bakterier og virus omsluttes av en indre membran (Figur 1). Vesikkelen som dannes kalles et autofagosom, og innholdet brytes ned ved fusjon med lysosomer på samme måte som ved normal fagocytose.

Autofagi reguleres av inflammasjonsproteiner og inflammasjon er påvirket av autofagi. Vi tror at en bedre forståelse av sammenhengene kan gjøre det mulig å påvirke disse prosessene i en retning som gir økt drap av mykobakteriene, bedre aktivering av T-cellene, og forhåpentligvis løse infeksjonen. Autofagi er også viktig i hjertesvikt, kreft og nervesykdommer: defekter i autofagi kan gi økt aggregering av proteiner som sett ved Alzheimers.

CEMIR håper å avdekke likheter og forskjeller i molekylære inflammasjonsmekanismer som på sikt kan gi oss nye medikamenter, nye vaksiner, og nye diagnostiske verktøy.

Så er inflammasjon relevant for global helse? Definitivt. Inflammasjonsmekanismene er felles for infeksjoner og kroniske inflammatoriske sykdommer som er forårsaket av skadelige endringer i kroppens egne molekyler. Men de brukes forskjellig, og gjennom CEMIR håper vi å avdekke likheter og forskjeller i molekylære inflammasjonsmekanismer som på sikt kan gi oss nye medikamenter, nye vaksiner, og nye diagnostiske verktøy.

Den offisielle åpningen av NTNUs fire nye sentre for fremragende forskning SFF var mandag 10. Juni. CEMIR  er ett av disse sentrene. I vårt senter skal vi forske på nye mekanismer som setter i gang inflammasjonsresponser. Vi håper med dette å få kunnskap som kan peke på nye metoder for behandling og diagnostikk av sykdommer der inflammasjon spiller en avgjørende rolle. Du kan lese mer om CEMIR på http://www.ntnu.edu/cemir

I løpet av juni vil du få lese flere blogginnlegg fra CEMIR sitt forskningsmiljø.