Ved å blande sulfatert alginat med nanofibre av cellulose får vi et «blekk» for 3D-printing av stillasmaterialer sammen med celler.  (Foto: Michael Müller / ETH Zürich)
Ved å blande sulfatert alginat med nanofibre av cellulose får vi et «blekk» for 3D-printing av stillasmaterialer sammen med celler. (Foto: Michael Müller / ETH Zürich)

Lager nytt øre ved hjelp av alger

Forskere bruker alginat fra alger til å få celler til å danne nye kroppsdeler. Målet er å kunne skape nytt vev som hud, brusk og sener.

Publisert

Alginatforskning

Mye av forskningen som handler om celledyrkning har foregått i samarbeid med ETH i Zürich og forskningsgruppen Cartilage Engineering and Regeneration Laboratory.

Alginatforskningen er finansiert av prosjektet MARPOL som er en del av forskningsrådets BIOTEK2021-program. MARPOL-prosjektet ledes av professor Gudmund Skjåk-Bræk. 

Forestill deg at du har slitt ned mesteparten av brusken i knærne, noe som gjør det smertefullt å bevege seg. Friske bruskceller fra en annen del av kroppen, eller fra en annen person, kan lage ny brusk til knærne dine.

Disse cellene vil ha aller best vilkår for å reprodusere seg hvis de kan vokse i din egen kropp. Men det er ennå ikke mulig. En stor utfordring er derfor å greie å skape et vekstmiljø utenfor kroppen som ligner cellenes naturlige miljø nok til at de kan dele seg og danne funksjonelle vev.

Det kan alginat bidra til å skape. Ved NTNU og SINTEF jobber forskere med å forstå alginatenes egenskaper og struktur for å kunne bruke dem i blant annet regenerativ medisin, altså medisin som hjelper kroppen til å gjenoppbygge skadede og ødelagte vev.

– Det er også stor mangel på organdonorer, og i framtiden har man har et ønske om å dyrke celler og vev for å skape nye organer, sier Øystein Arlov. 

For å unngå at de nye organene ikke fungerer eller passer i kroppen, ønsker forskere primært å hente celler fra pasienten, og deretter dyrke fram det nye vevet utenfor kroppen

I sin doktorgrad innen bioteknologi ved NTNU har Arlov forsket på hvordan vi kan bruke alginat for å skape gode vekstmuligheter for celler.

I fremtiden kan alger bidra til å bygge nye kroppsdeler. (Foto: Y. Gladu, Creative Commons)
I fremtiden kan alger bidra til å bygge nye kroppsdeler. (Foto: Y. Gladu, Creative Commons)

Alginat har svært mange bruksområder

Alginat blir utvinnet av tang og tare og her i Norge bruker vi for det meste stortaren. Alginat er det som det finnes mest av i celleveggene hos taren.

Alginatene blir i dag brukt på over 600 forskjellige måter. De har evnen til å fortykke, stabilisere, danne geleer og kapsle inn. De blir derfor mye brukt i næringsmiddelindustrien som fortykningsmiddel og bindemiddel i for eksempel iskrem, syltetøy, desserter, dressinger og majones.

Alginater blir også mer og mer brukt i medisinindustrien. Alginatenes mange bruksområder, og muligheten for å stadig gi dem nye egenskaper gjør at det er stor interesse for forskning på alginatene.

Enzymer kan endre egenskapene

Alginat er en såkalt polymer sukkerforbindelse, kalt polysakkarid. Polymerer er lange molekyler, som består av mange gjentatte delenheter. Stivelse, glykogen og cellulose er eksempler på vanlige polysakkarider eller sukkerkjeder.

De mange ulike egenskapene til alginat bunner i strukturen til sukkerkjeden. Denne strukturen kan endres ved hjelp av en spesiell gruppe enzymer.

Ved å behandle alginat med enzym, kan alginatet omstruktureres og gis nye egenskaper. Med andre ord kan enzymene avgjøre hvilke egenskaper alginatet får.

– Vi jobber med å utvikle nye materialer og stillasstrukturer for å kunne dyrke celler og cellevev utenfor kroppen, sier Øystein Arlov ved SINTEF Bioteknologi. (Foto: Per Henning / NTNU)
– Vi jobber med å utvikle nye materialer og stillasstrukturer for å kunne dyrke celler og cellevev utenfor kroppen, sier Øystein Arlov ved SINTEF Bioteknologi. (Foto: Per Henning / NTNU)

Skaper stillas for å dyrke celler

Når nye celler og nytt vev skal dyrkes fram, trenger cellene et stillas å vokse i.

For å dyrke nye celler og nytt vev, vil forskerne primært hente celler fra kroppen til den som for eksempel trenger ny brusk, og dyrke det fram utenfor kroppen. Til dette trengs et tredimensjonalt reisverk å dyrke cellene i. Uten et slikt reisverk å vokse i, vil cellene dø.

– Vi jobber derfor med å utvikle nye materialer og stillasstrukturer for å kunne dyrke celler og cellevev utenfor kroppen, sier Øystein Arlov, som nå er ansatt ved SINTEF Bioteknologi.

Konstant cellefornying

Inne i kroppen driver cellene med konstant produksjon av nye celler. Og inne i kroppen danner cellene selv sine egne stillas som skaper gode vekstvilkår. Stillasene består i hovedsak av strukturelle proteiner, slik som kollagen, og glykosaminoglykaner (GAGs) som har komplekse biologiske funksjoner.

GAGs er lange sukkerkjeder som finnes i alle vev i kroppen.

Disse GAG-kjedene spiller en stor rolle i vekst og vedlikehold av cellevev. Kjedene er viktige bestanddeler for utviklingen av alle typer vev, blant annet hornhinner, brusk, sener, hud og bindevev.

Forskerne jobber med å lage tilsvarende stillas utenfor kroppen, ved bruk av alginat. Problemet med alginat er det ikke har særlig interaksjon med cellene. Cellene overlever, men stillas av alginat fremmer ikke vekst på samme måte på GAG-stillasene gjør.

Det beste fra begge verdener

Hvis forskerne kan skape et oppvekstmiljø tilsvarende GAGs utenfor kroppen, hadde det vært ideelt for cellene å vokse i. Men GAGs er en del av et større nettverk og er avhengig av forskjellige bestanddeler som kollagen og glykoproteiner inne i kroppen for å danne reisverk.

Alginat derimot, har den fordelen at det kan lage gel og reisverk på egenhånd, utenfor kroppen og under svært milde betingelser.

– Vi ville beholde de gunstige egenskapene fra alginat parallelt med at vi ville introdusere egenskapene til GAGs for å skape bedre vilkår for cellevekst. Vi ville hente ut det beste fra begge verdener. GAGs har en variabel og komplisert struktur, men tilbyr godt gromiljø. Alginat har en forutsigbar og justerbar struktur, men gir ikke et så godt gromiljø, sier Øystein Arlov.

Det har han gjort ved å introdusere spesielle strukturegenskaper fra GAGs til alginat.

Kjemisk sulfatert alginat stimulerer innkapslede chondrocytter (bruskceller) til å dele seg og danne ny brusk, i motsetning til umodifisert alginat. (Foto: (Illustrasjon: Ece Öztürk, ETH Zürich))
Kjemisk sulfatert alginat stimulerer innkapslede chondrocytter (bruskceller) til å dele seg og danne ny brusk, i motsetning til umodifisert alginat. (Foto: (Illustrasjon: Ece Öztürk, ETH Zürich))

Nødvendige reseptorer

Noe som er karakteristisk for molekylstrukturen til GAGs, er at de har et høyt antall sulfatgrupper. Det skaper negativ ladning i molekylet som gjør at det kan binde til seg proteiner med en positiv overflate. GAGs kan altså fungere som mottakere av kjemiske signaler fra omgivelsene, signaler som videreformidles til cellene.

Hvis denne forbindelsen mangler, vil de fleste celletyper slutte å vokse.

Alginat har ikke sulfatgrupper bundet til seg. Derfor har de heller ikke den nødvendige reseptorevnen som finnes i GAGs.

– Jeg har derfor gjort en kjemisk modifisering i alginatet, og jeg har introdusert sulfatgrupper som gir en mer negativ ladning til alginatet. Det gjør vi for å få en struktur som ligner mer på GAGs, sier Arlov og spesifiserer:

– Sulfatert alginat kan ses på som en parallell til heparin og heparansulfat, som er beslektede GAGs. Heparin er det mest negativt ladde sukkermolekylet vi har kroppen og vil binde sterkt til proteiner som har en positiv overflate, noe som mange proteiner har.

Dermed bidrar det til å skape slike viktige reseptorer som finnes i GAGs.

– Vi ønsker at cellene skal dele seg og spre seg, men vi vil også at de skal beholde sin identitet. Hvis du tar ut noen celler fra kroppen og lar dem vokse utenfor kroppen, kan de utvikle seg annerledes enn de gjorde da de var i omgivelsene inne i kroppen. Men med det modifiserte alginatet vi har jobbet med, beholder cellene sin identitet, sier Arlov.

Hjelper kroppen ved transplantasjon

– I likhet med GAGs har våre sulfaterte alginater også innvirkning på immunsystemet. Det kan blant annet dempe immunresponsen, noe som kan være nyttig ved for eksempel transplantasjon av celler innkapslet i alginat, sier Arlov.

– Nå har vi gjort grunnarbeidet med å utvikle en modell for å bygge et godt stillas for cellene å vokse i.

I motsetning til mange kommersielt tilgjengelige materialer kan strukturen til det sulfaterte alginatet finjusteres og tilpasses ulike celletyper ut fra hva man ønsker å dyrke fram; hud, brusk, et øre eller kanskje en ny nyre på lengre sikt. 

– Nå er vi klare til å teste ut materialet i ulike sammenhenger, sier Øystein Arlov.

Referanse:

Øystein Arlov m.fl: Sulfated alginate microspheres associate with factor H and dampen the inflammatory cytokine response (sammendrag). Acta Biomaterialia, september 2016. DOI:10.1016/j.actbio.2016.06.015