Kan man se diabetes? Nina Fransén Pettersson doktorand, immunologi, Institutionen för klinisk mikrobiologi Filmer och färgbilder till detta föredrag kan ses på www.medfak.umu.se/forskning/forskningens-dag/-forskningens-dag-2012/ Jag tillhör en forskargrupp vid Umeå universitets avdelning för immunologi och vi försöker besvara just frågan om man kan se diabetes. Först vill jag bara poängtera, som andra redan har sagt idag, att diabetes är flera olika sjukdomar. Idag talar vi framför allt om typ 1-diabetes och typ 2-diabetes, men det finns ett antal andra varianter. Gemensamt för dem alla är att de i slutändan leder till stigande blodsocker, men orsakerna är olika. Typ 1-diabetes, som jag kommer att fokusera på, är alltså en autoimmun sjukdom, vilket betyder att immunförsvaret börjar attackera de kroppsegna cellerna. Vid typ 1-diabetes angrips de insulinproducerande cellerna i bukspottkörteln, se Figur 1. I bukspottkörteln finns kluster, klungor, av celler som vi brukar kalla langerhanska öar. Dessa öar är uppbyggda av flera olika celltyper och de som producerar insulin kallas betaceller. Figur 2 visar lite schematiskt hur typ 1-diabetes uppstår. Från början finns, som Kristina Lejon berättade, en genetisk benägenhet och sedan är det något i omgivningen som triggar immunförsvaret att börja attackera de insulinproducerande cellerna. Notera att det är först när betacellerna är nästan helt borta som vi får diagnosen diabetes, först då kan man mäta ett ökat blodsocker. Det är därför som sjukdomen i allmänhet upptäckts väldigt sent, när den gått alldeles för långt. Som ni ser i Figur 1 är bukspottkörteln inklämd mel- 35
Figur 1. Vid typ 1-diabetes angrips de insulinproducerande cellerna i bukspottkörteln av kroppens immunförsvar. Figur 2. Schema över förloppet vid typ 1-diabetes. De insulinproducerande cellerna i bukspottkörteln, betacellerna, förstörs efterhand av kroppens immunförsvar och minskar i mängd. I ett inledande skede, pre-diabetes, är blodsockernivån normal, men när betacellerna börjar bli helt utslagna ökar den kraftigt. 36
lan magsäcken, levern och tarmarna. Den ligger med andra ord dåligt till om man vill kunna se och följa exakt vad som händer i den. Det finns ingen bot mot typ 1-diabetes idag och för att kunna hitta en sådan måste vi ha detaljerad kunskap om hur hela den autoimmuna processen ser ut. Det är just det som vår forskargrupp riktar in sig på och genom olika tekniker är det faktiskt möjligt att visualisera den autoimmuna processen. Vi arbetar med den musmodell som Kristina Lejon nämnde: NOD-mössen, som spontant utvecklar en sjukdom som mycket liknar typ 1-diabetes hos människa. Det traditionella, vanligt använda sättet att försöka ta reda på vad som pågår i bukspottkörteln hos musen är att skära ett antal tunna skivor från organet, snitt som vi kallar dem, och titta på dem i mikroskop. Genom att färga in snitten på rätt sätt kan vi se insulinproducerande cellöar för att kunna räkna dem. Det här är emellertid ingen exakt metod. Den säger oss inte hur stora cellöarna är, hur de ser ut eller hur många det egentligen finns i hela körteln. Förlopp i tre dimensioner För att få en bättre bild använder vi en metod som kallas optisk projektionstomografi (OPT). Den bygger på vanligt, synligt ljus och Figur 3 visar hur utrustningen ser ut. Vi tar ut hela bukspottkörteln och sätter in den i maskinen. Där finns en ljuskälla som belyser organet och en kamera som tar bilder. Finessen är att organet roteras under fotograferingen och att alla bilder som tas från olika håll läggs samman av datorn till en mycket tydlig Figur 3. Utrustningen för optisk projektionstomografi (OPT). 37
tredimensionell bild av hur organet faktiskt ser ut. Det är givet att en sådan bild säger mycket mera om hur många cellöar det egentligen finns. Med den traditionella metoden tar man ett snitt här och ett där för att utifrån dem försöka lista ut hur hela organet ser ut. Här får vi det verkliga svaret direkt. Figur 4. Antalet insulinproducerande betaceller och deras placering i bukspottkörteln hos NOD-möss kan fångas med OPT-teknik. Stillbilder ut film 1 på www.medfak.umu.se/forskning/forskningens-dag/-forskningens-dag-2012/ Vi har använt OPT-tekniken för att följa det som händer vid typ 1-diabetes. Figur 4 är bilder ur en film som visar de langerhanska öarna i bukspottkörteln hos en NOD-mus. Figur 5, också bilder från en film, visar förloppet när de insulinproducerande betacellerna bryts ner av immunförsvaret. Vid tre veckors ålder finns det mycket insulin och ett stort antal cellöar i olika storlekar, men vi ser ändå lite av den gröna färgen som innebär att mössen redan då har angripande immunceller i bukspottkörteln. Ju äldre mössen blir desto färre insulinproducerande celler finns kvar, och vid 16 veckors ålder återstår knappt några röda, insulinproducerande celler alls och musen har diabetes. Med den tredimensionella informationen kan vi dels räkna hur många cellöar det finns, dels få en detaljerad bild av hur inflammationen fortskrider. Vi ser då att immuncellerna placerar sig precis över de insulinproducerande cellöarna. Det är en väldigt specifik inflammation: Immunförsvaret angriper inte vad som helst i bukspottkörtlarna utan just och endast de insulinproducerande betacellerna. Samma utveckling framgår på ett annat 38
Figur 5. Sjukdomsförloppet i bukspottkörtlar hos NOD-möss fångat med OPT-tekniken. Efterhand tar immuncellerna (grönt/ljusare grått) över efter att ha angripit och förstört de insulinproducerande betacellerna (rött/ljusgrått). Stillbilder ur film 2 på www.medfak.umu.se/forskning/forskningens-dag/-forskningens-dag-2012/ sätt om vi låter datorn färga de insulinproducerande öarna efter storlek. Vid tre veckors ålder finns många små cellöar, men vid 16 veckor är det inte lika många kvar. Fortfarande återstår de stora öarna och de mellanstora, men de små har helt försvunnit. Det säger oss att det är de små cellöarna som immuncellerna attackerar eller som bryts ner först. De bilder jag har visat hittills är gjorda på vävnader från möss, men vi har nu också fått prover från avlidna donatorer för att se om tekniken också fungerar på människa, och det visar sig då att OPT-bilderna på en bukspottkörtel från en människa ser likadana ut. Ett sätt som man försökt använda för att bota diabetes är transplantation. Man har då flyttat insulinproducerande cellöar från en tidigare frisk, avliden donator till en mottagare med typ 1-diabetes. Då väljer man av naturliga skäl att inte transplantera öarna till bukspottkörteln; som jag visade tidigare är det ett svåråtkomligt organ. Det man kan göra är att istället placera de donerade cellöarna i levern. En kvinna som hade svår diabetes var 23 år när hon fick transplantationen och hon avled sedan vid 36 års ålder av en helt annan orsak som inte hade att göra med hennes diabetes. Vår forskargrupp fick en bit av hennes lever för att analysera med OPT-teknik och det visade sig då att de intransplanterade cellerna fungerar perfekt också när de sitter i levern. 39
För att få sådana bilder måste man emellertid kunna ta ut organen, preparera dem och sätta in dem i maskinen. Det som vi verkligen vill se är emellertid vad händer i realtid med cellerna, och därför arbetar vi med en metod som går ut på att transplantera cellöar till pupillen i ögat hos möss. Ett öga fungerar ju som ett fönster till kroppen eftersom hornhinnan är genomskinlig. I ett mikroskop kan man se exakt vad som händer därinne och det har vi dragit nytta av. Mössen är naturligtvis under narkos och störs inte av att ha cellöarna i ögat. Det fina med den här metoden är att vi direkt kan följa och se förloppet. Vi har kunnat konstatera att cellön är frisk där den ligger i ögat: Den får näring och producerar också insulin som den ska.. Figur 6. Immunförsvarets celler (grönfärgade) angriper inplanterade betaceller (rödfärgade) i ögat på en NOD-mus. Stillbild ur film 3 på www.medfak.umu.se/ forskning/forskningens-dag/-forskningens-dag-2012/ 40
Det fantastiska med den här metoden är att man kan följa en och samma cellö för att se vad som händer över tid. 19 dagar efter transplantationen finns där några få, men inte många, av de grönfärgade immuncellerna. 29 dagar efter transplantationen börjar det komma fler immunceller och dag 34 ser vi massor av dem. I en film från mikroskopet kan vi se de individuella cellerna: De är ganska livliga och rör sig mycket. Vi kan också följa olika celltyper som vi vet har betydelse för processen och upptäcka deras helt skilda beteendemönster. Vi kan alltså se diabetes i den meningen att vi kan bevaka den autoimmuna processen och följa olika typer av celler, se Figur 6. Genom att se hur de olika celltyperna kommunicerar med varandra kan vi ringa in var i processen den triggande effekten kommer, hur immuncellerna börjar attackera cellöarna och varför. När vi till slut har fått veta exakt hur det här går till, då vet vi också var vi kan försöka agera och sätta stopp för den. För att sammanfatta vad jag har sagt: Det finns ingen bot mot typ 1-diabetes idag och för att finna en sådan måste vi ha detaljerad kunskap om processen. Vår forskargrupp, som leds av Dan Holmberg, fokuserar bland annat på att utveckla teknik som gör det möjligt att se hela sjukdomsförloppet. Sverker Olofsson: Jag tänkte att när en frisk person råkar ut för något som triggar igång en diabetes. Om man skulle upptäcka när det händer, kan man göra någonting då? Är det möjligt att hejda utvecklingen? Nina Fransén Pettersson: Det finns ingen bot mot typ 1-diabetes idag. Det svåra är också att upptäcka det tidigt Sverker Olofsson: När man kissar mycket? Nina Fransén Pettersson: Men i det läget har du redan utvecklat diabetes, och då är det tyvärr för sent. Ju tidigare man kan upptäcka typ 1-diabetes, desto bättre kan sjukdomen behandlas och desto enklare blir det att leva med den. Sverker Olofsson: Men är det alltså så att man känner sig och verkar fullt frisk fram till att man får fullt utvecklad diabetes? Man förstår det först när man sitter där? Nina Fransén Pettersson: Precis. 41
Sverker Olofsson: Det är ju fantastiska bilder som du visar och när jag såg körtlarna snurra på filmduken tänkte jag att om man nu kan transplantera celler till levern varför görs det inte i stor skala? Nina Fransén Pettersson: Den här personen klarade sig i 13 år efter transplantationen utan att behöva insulinsprutor, men oftast återkommer immunförsvarets attacker inom kort. De nya cellöarna i levern blir angripna precis som dem i bukspottkörteln, immunförsvarets celler åker ju runt med blodet och känner av var cellöarna finns. Därför är transplantationen egentligen ingen bot; det som måste förhindras är immuncellernas attack. Ett annat problem är att man måste ha cellöar från minst två avlidna donatorer för att kunna transplantera till en patient. Sverker Olofsson: Du använde uttrycket att kvinnan som transplanterades hade svår diabetes. Vad menas med det? Nina Fransén Pettersson: Jag menar en svårinställd diabetes. Det som kroppen tidigare har gjort, alltså tillfört insulin, ska hos den sjuke göras med medicinering och det kan bli en väldigt svår balansgång. Risken är faktiskt att man får för lågt blodsocker och hamnar i koma. Hon hade flera sådana allvarliga händelser och då försökte man med transplantation istället. 42