Kan tuberkulose behandles mer effektivt ved å pakke antibiotika inn i mikroskopiske kuler? Forskere i Oslo prøver ut nanopartikler på små akvariefisker.
Av: Lasse Evensen i tidsskriftet GENialt
Tuberkulose er et av verdens største helseproblemer. Hvert 20. sekund dør et menneske av tuberkulose. Sykdommen forårsakes av bakterien Mycobacterium tuberculosis som sprer seg gjennom dråpesmitte. Når de pustes ned i lungene infiserer de celler som kalles makrofager.
Makrofager finnes i alle kroppens vev og er en del av immunforsvaret ved at de fungerer som kroppens renholdsarbeidere. Kommer det fremmedelement inn i kroppen er det makrofagene som tar det opp og nedbryter (fordøyer) dem. Imidlertid klarer tuberkulosebakteriene å overleve inn i makrofagene og finner beskyttelse her mot det øvrige immunsystemet. Det skjer ved at makrofagene sammen med andre celletyper danner kapsellignende strukturer som kalles granuloma.
Får man tuberkulose må man gjennomgå en langvarig behandling på minst seks måneder hvor man daglig må innta en rekke forskjellige antibiotika. Medikamentene isoniazid, rifampicin, pyrazinamide og ethambutol gis som behandling for den ikke-resistente varianten av tuberkulose. Pillemengden som må inntas blir enorm med fire forskjellige antibiotika og ofte fullfører ikke pasienter behandlingen fordi den er for omfattende og fordi man føler seg bedre allerede etter 1-2 uker. Slutter man å ta medisinen før bakterien er utradert fra lungene får pasienten tilbakefall, og sjansen er stor for at bakteriene utvikler resistens mot gjeldende medisin. Da må pasienten gjennom en enda lengre behandling med medikamenter som gir mer alvorlige bivirkninger.
En ny behandling med betydelig redusert mengde medikamenter og sjeldnere inntak ville gjøre det lettere for pasienten å fullføre behandlingen. En mer effektiv behandling med større sjanse for å fullføre vil også redusere problemet med antibiotikaresistente bakterier.
Professor Gareth Griffiths og hans gruppe ved Universitetet i Oslo forsker blant annet på målrettet behandling av tuberkulose. Det vil si at kun de cellene i kroppen som er infisert blir eksponert for antibiotika. Da vil resten av kroppen spares for byrden det er å utsettes for medikamenter. Målet innenfor forskningsfeltet nanomedisin er å behandle sykdommer med eksisterende medikamenter, men i betydelig mindre mengder og mer målrettet, og dermed med reduserte bivirkninger.
Sebrafisk som modell
Forsøksdyret vi bruker er ved første øyekast svært forskjellig fra mennesker. Men sykdomsforløpet hos sebrafisk og mennesker er svært likt for tuberkulose. 47 % av genene i mennesker har et tilsvarende likt gen i sebrafisk. Videre har hele 70 % av genene i mennesker et gen med en lignende funksjon i sebrafisk. Rent teknisk er den aller største fordelen med å bruke sebrafisk som modell for humane sykdommer at den er liten, gjennomsiktig og at embryoet utvikler seg i egg utenfor kroppen til moren.
Ved hjelp av avansert mikroskopi kan man se ørsmå detaljer helt ned på cellenivå mens embryoet fortsatt er i live. Man kan f.eks injisere tuberkolosebakterier og nanopartikler for så å filme hvordan de tas opp av celler – noe som er helt unikt for sebrafisken sammenlignet med andre dyremodeller. Embryoene som brukes i forskning er 1-7 dager gamle. Man får resultater innen en uke, noe som er langt raskere enn hva som er mulig ved forskning på for eksempel mus. Sebrafisken lar seg også manipulere genetisk, og de fiskelinjene som brukes mest i dagens forskning er de som har fluorescens i spesifikke vev.
Én sebrafisk som er mye brukt har fluorescerende makrofager (se bildet nedenfor). Den benyttes blant annet i tuberkuloseforskning for å studere dannelse av granulomer og for å undersøke hvor effektivt bakterieinfeksjonen kan behandles.
Tryggere med fisketuberkulose
I forskningen på tuberkulose i laboratoriet til Gareth Griffiths brukes en bakterie som er veldig lik, men ikke identisk tuberkulosebakterien som fremkaller sykdom hos mennesker. Å bruke samme bakterie ville utgjort en for stor helserisiko for forskerne. Bakterien som brukes heter Mycobacterium marinum, som er en fiskepatogen som trives ved 28 °C, og derfor ufarlig for mennesker.
Mycobacterium marinum benyttes også fordi den har samme mekanisme for å unngå å bli «spist» av immunforsvaret og gir et veldig likt sykdomsforløp som Mycobacterium tuberculosis. Dermed har man en modell hvor en tuberkuloselignende bakterie og verten (sebrafisk) har samme optimal temperatur; et solid utgangspunkt for forskning på bruk av nanomedisin som terapi mot tuberkulose.
For å introdusere tuberkulose i sebrafiskembryo injiseres Mycobaterium marinum i blodbanen. I løpet av 1–3 dager blir bakteriene tatt opp i makrofager som patruljerer blodårene. Mycobacterium marinum har en finurlig måte å unngå å bli nedbrutt av makrofager, og bruker dem i stedet som bolig. Siden de vokser inne i cellene klarer de å unngå immunsystemet og infeksjonen vil dermed vedvare. Men det at makrofagene støvsuger blodet for fremmedelementer er noe man også kan utnytte når man forsker på hvordan nanomedisin kan brukes som behandlingsform mot tuberkulose.
Nanoteknologi i behandlingen av tuberkulose
Den vanlige måten å innta medisin på er å ta piller eller få injeksjoner i blodet. Da distribueres medisinen i hele kroppen og virker på både friskt og sykt vev. Man får umiddelbart en høy konsentrasjon av medisin i blodet som raskt synker fordi den blir nedbrutt eller utskilt fra kroppen. Dermed når bare en liten fraksjon av den inntatte medisinen målet hvor den skal virke.
En alternativ metode er å innkapsle medisin i små nanokuler. Det beskytter medisinen mot nedbryting og utskillelse fra kroppen. Nanokuler er kuler med en typisk størrelse på 50–500 nanometer. Strategien er å pakke inn medisinen i nanokuler slik at den ikke begynner å virke før den når frem til der den skal virke. Det vil føre til høy konsentrasjon av medikament kun i sykt vev. Friskt vev vil ikke eksponeres, og bivirkningene blir mindre.
Ved tuberkulose er målet til en nanokule en makrofag infisert med patologiske bakterier. Når nanokuler injiseres i sebrafisk vil de også oppfattes som fremmedelementer og bli spist av nettopp makrofagene. Når det gjelder tuberkulose ender altså patologiske bakterier og nanokuler naturlig opp i samme celletype, noe som gjør nanokuler svært attraktivt som behandlingsform for sykdommen.
Nanokulene er laget av et biologisk nedbrytbart materiale. Det gjør at de ikke er giftige, og etter hvert som nanokulene brytes ned slippes medikamentene ut. Utfordringen er å designe nanokulene på en måte som ikke gir for rask eller for sen utslipp av medikamenter. En ideell nedbrytningstid vil sikre et konstant tilsig av medikament over en lang periode. Følgene for tuberkulosebehandlingen blir at pasienter kanskje bare trenger å ta medisin én gang i uka i stedet for hver dag, og at behandlingsplanen blir lettere å fullføre.
Resultater fra sebrafiskstudiene hos professor Griffiths viser at nanokuler blir tatt opp av makrofager, havner på samme sted som bakterier og har en sterk hemmende effekt på veksten av Mycobacterium marinum (se bilde). I tillegg øker overlevelsen av behandlede embryo sammenlignet med syke, ubehandlede embryo. Vi kan derfor allerede nå si at nanokuler som behandling i denne dyremodellen har en sterk positiv effekt, men mer forskning kreves for å gjøre den bedre og tilpasset mennesket.
Om forfatteren
Lasse Evensen er postdoktor ved Universitetet i Oslo og tilhører forskergruppen til professor Gareth Griffiths som studerer nanomedisin ved hjelp av sebrafisk. Evensen arbeider med nanokuler som verktøy for å levere kreftmedisin.
