Orto Lab

Axoner (i grönt) som växer ut från ett dorsalrots-ganglion i vitro. Tillväxten stimuleras avsevärt genom en hydrogel av hyaluronsyra.
Axoner (i grönt) som växer ut från
ett dorsalrots-ganglion i vitro.
Tillväxten stimuleras avsevärt
genom en hydrogel av hyaluronsyra.

OrthoLab är vår plattform för experimentell, translationell forskning.

Vi har två huvudintressen:

1. Forskning på bensubstitut, avsedda att fylla bendefekter som uppstått efter frakturer eller i samband med svår proteslossning.

2. Neuroprotektion och stimulering av neuronal regeneration efter skada på ryggmärg eller perifer nerv.

Translationell forskning är alltid interdisciplinär. Experimenten genomförs därför i nära samarbete med grupperna kring Jöns Hilborn, Institutionen för kemi, Ångström-laboratoriet, Cecilia Persson, Institutionen för teknikvetenskaper, Ångström-laboratoriet, Anna Rostedt-Punga, Institutionen för neurovetenskaper, Josef Järhult, Institutionen för medicinsk biokemi och mikrobiologi, Mikrobiologi – Immunologi, alla vid Uppsala universitet, samt Marianne Jensen-Waern, Sveriges Lantbruksuniversitet. Ett internationellt samarbete består med gruppen kring Robert Nitsch, Institutionen för cell- och neurobiologi vid Gutenberg-universitetet i Mainz, Tyskland.

Vi försöker i möjligaste mån reducera användandet av försöksdjur, och har därför ersatt många experiment på levande djur med försök på cell- eller vävnadskulturer.

I gruppen ingår: Brittmarie Andersson, Andrej Bajic, Nils Hailer, Gry Hulsart-Billström, Sune Larsson, Alexander Ossinger, Nikos Schizas och Anders Westermark. 


Bensubstitut

Vårt mål är att utveckla nya bensubstitut för klinisk användning när det finns behov av att bygga nytt ben på grund av benförlust som förorsakats av skada eller sjukdom. Två klassiska exempel är bendefekter efter öppna frakturer, i synnerhet på underbenet, samt stora osteolyser som uppstått i samband med lossning av tidigare insatta ledproteser. En väsentlig del av vårt arbete utförs i samarbete med Institutionerna för kemi och teknikvetenskaper vid Ångström-laboratoriet, Uppsala universitet.

Under de senaste åren har vi forskat mycket på att utveckla, förfina och utvärdera olika hydrogeler avsedda för användning som bärare för olika benstimulerande substanser. Ett mycket framgångsrikt koncept har varit att integrera ”Bone morphogenetic protein” (BMP) i olika typer av hydrogeler. Med dessa bärare verkar frisättningen av BMP-molekylen vara mycket mera effektiv än med tidigare använda bärare baserade på bovint kollagen. Detta har inneburit att BMP-dosen har kunnat sänkas avsevärt, samtidigt som samma mängd ben bildas. Det har dock också blivit tydligt att BMP i sig visserligen kan stimulera läkning av bendefekter i gnagare, men att det förmodlingen behövs mer än bara BMP för att få liknande kritiska defekter att läka i människa. Dessutom saknar hydrogeler den mekaniska stabilitet som kan behövas i ett ämne avsett att vara ett bensubstitut.

Vi har därför fortsatt att etablera en forskningslinje där kalciumfosfatkristaller 3D-printas tillsammans med en resorberbar, lite fastare bärarsubstans. Dessa bensubstitut utvärderas med avseende på mekaniska egenskaper, förmågan att stimulera påväxt av osteoblaster och därmed bennybildning, samt slutligen förmågan att efterhand resorberas. Under de senaste åren har de första prekliniska studierna genomförts. Genom att använda en mikro-CT-utrustning kan bildandet av benvävnad och implantatets in vivo-beteende studeras även hos levande djur. Utrustningen tillåter inte bara en mer exakt bedömning av benvävnaden utan medför också en väsentlig minskning av antalet djur som behövs för dessa studier.

Ett nytt spår är utvecklingen av implantat som minskar risken för protesinfektion. Varje protesinfektion utvecklas genom att bakterier fäster på implantatet, förökar sig, och kapslar in sig i en kletig massa s.k. ”biofilm”, som gör dem oåtkomliga för antibiotika. Cementerade implantat skyddas i viss mån av antibiotika som blandas in i cementen, medan ocementerade implantat — vars användning har ökat kraftigt — är oskyddade. Vi har modifierat titanytor och bensubstituten som beskrivs ovan med nanometersmå silveröar, och utvecklar resorberbara hydrogeler som innehåller antibiotika och som kan penslas direkt på titanytor. Båda strategier ska förhindra växt av bakterier och bildande av biofilm på ocementerade implantat. Strategin kan användas både som en förebyggande åtgärd, men också som behandlingsmetod vid redan uppkomna infektioner. Vi odlar nu olika bakteriestammar från patienter som drabbats av protesinfektion på dessa modifierade ytor för att undersöka om bakteriernas tillväxt kan hämmas.

Neuroprotektion och -regeneration

Ryggmärgsskada (”spinal cord injury”—SCI) är ett obotligt tillstånd med förödande konsekvenser för de drabbade, mestadels unga patienterna. Patofysiologin vid ryggmärgsskada karakteriseras av två faser, med s.k. gliaceller som huvudaktörer: I den akuta fasen bidrar endogena makrofager (s.k. mikrogialceller) till sekundär neuronal skada: De frisätter neurotoxiska faktorer och utlöser neuronal apoptos, vilket förvärrar den ursprungliga skadan. I den kroniska fasen deltar mikrogialceller och astrocyter, en annan sorts gliaceller, i bildandet av en ärrvävnad som kan förhindra axonal regenerering. Ytterligare en celltyp som har en komplex roll är oliogodendrocyter som kan uttrycka faktorer som direkt hindrar utväxten av nya nervbanor. Men gliacellernas roll är komplicerad: I vissa skeden kan gliaceller faktiskt bidra till regeneration. Hur dessa komplexa processer regleras förstår vi bara delvis.
 

I den akuta fasen av SCI följer vi tre olika strategier för att förhindra sekundär skada på den skadade ryggmärgen:

1. Neuroprotektiva ämnen: Flera immunmodulerande ämnen har undersökts avseende förmågan att hämma mikrogliaaktivering och att förbättra neuronal överlevnad efter ryggmärgsskada. Vi har tidigare visat att en mycket lovande immunmodulerande substans, Interleukin-1-receptorantagonist (IL-1RA) förhindrar aktivering och proliferation av mikrogliaceller, och IL-1RA främjar både neuronal överlevnad och bevarande av myeliniserade nervbanor.

2. Biomaterial baserade på hyaluronsyra: Tillsammans med materialforskare vid Ångström utvecklas hydrogeler som bärare av immunmodulerande ämnen såsom IL-1RA eller tillväxtfaktorer som neurotrofin-3.

En hydrogel innehållande IL-1RA eller andra neuroprotektiva ämnen som appliceras lokalt vid kirurgi skulle kunna avsöndra höga koncentrationer av läkemedel under en given period. Inom ramen för ett internationellt samarbete genomförs experiment på ryggmärgsskadade möss där bärare av neuroprotektiva substanser testas in vivo.

3. Small interfering RNA (siRNA): Detta är en grupp dubbelsträngade RNA-molekyler som kan tysta specifika gener och därmed reglera proteinuttryck. Framtida strategier inkluderar RNA-interferens för att tysta gener som reglerar uttrycket av olika faktorer som är inblandande i sekundärskadeprocessen efter SCI, t ex proinflammatoriska cytokiner såsom IL-1.
 

I SCI: s kroniska fas försöker vi främja funktionell återhämtning, antingen genom att förhindra bildandet av glia-ärret eller genom att kringgå detta hinder.

1. Transplantation av neurala stamceller till den skadade ryggmärgen motverkar förlusten av neuroner, minskar andelen apoptotiska celler och hämmar aktivering av mikrogliaceller och astrocyter. Stamcellerna verkar utöva sina effekter genom frisättning av lösliga faktorer såsom Brain-derived neurotrophic factor (BDNF).