Etikettarkiv: Mikroskopi

Skapar ett fönster in i hjärnan

Ilaria Testa, lektor på Institutionen för tillämpad fysik vid KTH. Foto: Johan Marklund
Ilaria Testa, lektor på Institutionen för tillämpad fysik vid KTH. Foto: Johan Marklund

Avancerad mikroskopi öppnar ett fönster till den mänskliga hjärnan i realtid. Ilaria Testas forskning kan ge svar på hur hjärnans celler kommunicerar och varför vissa sjukdomar uppstår.

Ilaria, som är fysiker med examen från universitetet i Genua, kom tidigt att intressera sig för mikroskopi och hur det kan användas inom livsvetenskaperna. Efter sina doktorandstudier i biofysik tillbringade hon sju år på Max Planckinstitutet under ledning av Stefan Hell, som belönades med nobelpriset 2014 för sitt arbete inom mikroskopi.
– Det har skett en revolution inom det här fältet och man kan nu avbilda väldigt små, enskilda molekyler i mycket hög upplösning. Utmaningen är att studera levande celler i en naturlig, dynamisk miljö, berättar Ilaria, som idag är lektor på Institutionen för tillämpad fysik vid KTH och ansvarig för ett SSF-finansierat forskningsprojekt vid Science for Life Laboratory.

Fokus på synapser
I sin forskning utvecklar Ilaria och hennes tvärdisciplinära team teknologi som på ett minimalt invasivt sätt gör det möjligt att studera mycket små enheter i hjärnan, utan att påverka deras naturliga rörelsemönster och fysiologiska funktion. Fokus för forskningen är hjärnans synapser, det vill säga de små enheter genom vilka nervceller kommunicerar. Dessa är svåra att studera med befintlig teknologi eftersom de är så små. Målet är att utveckla bättre mikroskop som tillsammans med nya, smarta molekyler kan hjälpa till att skapa en film för att synliggöra vad som pågår inne i cellerna på molekylär nivå.
– Vi tar steget från statiska ögonblicksbilder till att skapa en tredimensionell film, där vi ser hela processen när exempelvis proteiner interagerar i hjärnan. Det ger oss ett fönster in i hjärnans allra innersta skeenden och kan visa hur minnen uppstår, hur vi lär oss saker och varför vissa sjukdomar uppstår, berättar Ilaria.

Åldrandets sjukdomar
De möjliga tillämpningarna av forskningen är många. En klar och detaljerad förståelse för synapsernas arbete är nyckeln till att hitta svaren på många av åldrandets sjukdomar. Flera neurodegenerativa sjukdomar, som exempelvis alzheimer och parkinson, har sitt ursprung i att nervcellernas synapser slutar att fungera och kommunicera som de ska.
– Detta är grundforskning och vi har kommit en bra bit på vägen mot att utveckla teknologin. Nästa steg är att forskare inom andra områden kan ta forskningen vidare in i livsvetenskaperna för bättre diagnos och behandling av hjärnans sjukdomar.

KTH – Avancerad mikroskopi

Ilaria Testas forskning finansieras med bidrag från Stiftelsen för strategisk forskning inom ramen för programmet Framtidens forskningsledare. Forskningen är tvärdisciplinär och i teamet ingår biologer, biokemister, biofysiker och optiska ingenjörer. Syftet är att utveckla mikroskopi som i detalj visar funktionerna i hjärnans synapser. På sikt kan detta leda till nya verktyg för diagnos och behandling av bland annat degenerativa sjukdomar.

E-post: testa@kth.se
www.scilifelab.se/researchers/ilaria-testa/

Banbrytande mikroskopi och nanosensorer öppnar nya möjligheter

Dr. Barbora Špačková ingår i Christoph Langhammers forskargrupp och är expert på den nyutvecklade metoden Nanofluidic Scattering Microscopy. Foto: Patrik Bergenstav
Dr. Barbora Špačková ingår i Christoph Langhammers forskargrupp och är expert på den nyutvecklade metoden Nanofluidic Scattering Microscopy. Foto: Patrik Bergenstav

Att i realtid och detalj studera biomolekyler har stor betydelse för att exempelvis förstå hur sjukdomar uppkommer och utveckla läkemedel. Men det är oerhört svårt att göra så små molekyler synliga. Med stöd av SSF utvecklar nu forskare på Chalmers banbrytande mikroskopi som gör detta möjligt.

Biomolekyler såsom proteiner är extremt små byggstenar i alla organismer. De är inblandade i en rad processer, som exempelvis i immunförsvaret där antikroppar är en nyckel i kroppens kamp mot bakterier och virus. Ökad förståelse för dessa molekylers funktion och beteende är avgörande för ökad kunskap inom medicin, biokemi och läkemedelsutveckling.
De är emellertid svåra att studera. Traditionella mikroskop fungerar inte för att upptäcka så små partiklar. Idag används därför främst fluorescerande markörer som kopplas till molekylerna och gör dem synliga. Det är en nobelprisbelönad metod, men den har begränsningar.
– När man kopplar ett annat ämne till biomolekylen så kan det påverka dess egenskaper och funktion. Då riskerar man att dra fel slutsatser. I vår forskning utvecklar vi en metod för att synliggöra biomolekyler utan att ändra något i själva molekylen, berättar Dr. Barbora Špačková, forskare i ett projekt som finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, inom programmet Framtidens forskningsledare, FFL.

Banbrytande teknologi
Forskarna vid Chalmers har tagit fram en helt ny typ av mikroskopi, som kan detektera biomolekyler även i mycket låg koncentration, ja även enstaka, utan fluorescerande markör. Metoden (Nanofluidic Scattering Microscopy) bygger på en banbrytande ny optisk teknologi som utnyttjar en interferenseffekt mellan molekylerna och ett nanofluidiskt system. Det består av extremt små vätskefyllda rör, där biomolekylerna trycks in och kan röra sig obehindrat. Genom att sedan belysa de små rören med biomolekylerna inuti med synligt ljus kan forskarna studera dem i deras naturliga tillstånd i fri rörelse.
– Teknologin innebär ett stort genombrott. Det fantastiska med metoden är att vi nu med våra ögon kan studera proteiner, DNA och andra biologiska enheter precis som de är, opåverkade och naturliga. Vi kan då se hur de fungerar i verkliga livet och förhoppningsvis studera hur de växel-verkar med varandra, säger forskningsledare Christoph Langhammer, biträdande professor i kemisk fysik vid Chalmers tekniska högskola.
Christoph Langhammer och Barbora Špačková understryker att detta är grundforskning, som ligger något steg från storskalig praktisk eller kommersiell användning. Men de potentiella framtida tillämpningarna är många, inom medicin, biokemi och biofysik. Ett första steg mot nyttiggörande är att utveckla den teknologiska plattformen så att den kan komma andra forskare till godo, vilket forskarna nu prövar genom ett nystartat spin off-företag.

Christoph Langhammer, biträdande professor i kemisk fysik, driver två projekt som finansieras av SSF inom programmen Framtidens forskningsledare (FFL) och Materialvetenskap. Foto: Henrik Sandsjö
Christoph Langhammer, biträdande professor i kemisk fysik, driver två projekt som finansieras av SSF inom programmen Framtidens forskningsledare (FFL) och Materialvetenskap. Foto: Henrik Sandsjö

Vätgassensorer
Christoph Langhammer har även fått ett betydande rambidrag från SSF:s program Materialvetenskap, för sitt tvärvetenskapliga projekt Plastic Plasmonics, som bedrivs i ett konsortium med fyra andra forskningsledare på Chalmers, professorerna Paul Erhart, Anders Hellman, Kasper-Moth Poulsen och Christian Müller. De två sistnämnda är också FFL-mottagare. Här skapar forskarna nya optiska nanosensorer i hybridmaterial för att upptäcka toxiska ämnen, gaser och annat, som kan finnas i mycket små mängder i luften. Christophs särskilda intresse är vätgassensorer. Vätgas driver bränsleceller, men det är brandfarligt när det blandas med luft. De sensorer som nu finns för att upptäcka vätgasläckor är dyra och har kort livslängd.
– Våra sensorer kan tillverkas kostnadseffektivt och i stor skala bland annat genom 3D-printning, tack vare de nya hybridmaterial vi har tagit fram. Denna teknologi kan därför bidra till bränslecellens genombrott i framtidens fossilfria fordon, säger han.

Vågar mer
Christoph Langhammer framhåller att SSF:s långsiktiga och kraftfulla finansiering är avgörande för hans forskning.
– Att få stabil finansiering under flera år som i de här båda projekten gör att man vågar mycket mer. Det går att misslyckas men man har tid att pröva igen. Det är så genombrotten kommer. När det gäller rambidraget så är den tvärvetenskapliga inriktningen oerhört viktig, samt att man får möjlighet att angripa en frågeställning ihop med kollegor som har spetskompetens inom olika områden, menar han.
En annan aspekt är att SSF avsätter tre procent av bidragen till nyttiggörande.
– För mig som sysslar med grundforskning kan det vara en utmaning, men i grunden är det väldigt positivt. Man tvingas verkligen att tänka framåt på hur forskningen kan göra nytta i samhället.

Chalmers/SSF – Mikroskopi

Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF, finansierar excellent forskning inom naturvetenskap, teknik och medicin som har strategisk relevans för svensk konkurrenskraft. SSF är en oberoende aktör inom det offentliga forskningsfinansieringssystemet och delar ut bidrag på cirka 700 miljoner kronor om året. Prioriterade områden är Informations-, kommunikations- och systemteknologier (ICT), Livsvetenskap samt Materialforskning. Rambidrag är bidrag i storleksordningen 25-30 miljoner fördelat på fem år. Framtidens forskningsledare ger unga framgångsrika forskare 12 miljoner kronor, för att etablera en självständig och nyskapande forskargrupp.

www.strategiska.se
www.langhammerlab.se

Blinkande ljus värdefullt i diagnostik

Elin Sandberg, Jerker Widengren och Niusha Bagheri på KTH. Foto: Johan Marklund
Elin Sandberg, Jerker Widengren och Niusha Bagheri på KTH. Foto: Johan Marklund

Professor Jerker Widengren leder en forskargrupp som utvecklar framtidens fluorescensmetoder inom spektroskopi och mikroskopi. Med hjälp av superhögupplösande mikroskopi skulle tekniken kunna användas för tidig diagnostik av cancer.

Jerker Widengren är professor i experimentell biomolekylär fysik vid KTH. Han leder en forskargrupp som arbetar med att öka känsligheten och upplösningen av fluorescensbaserad spektroskopi och mikroskopi.
– Fluorescens är extremt känsligt. Vi kan också uppnå en upplösning långt bortom vad vi tidigare trodde var möjligt.
Med hjälp av laserljus kan man uppmäta fluorescens från enstaka molekyler och påvisa, identifiera och karakterisera deras interaktioner i lösningar, celler och levande organismer.
– Det här öppnar spännande möjligheter inom det biomedicinska området.

Pionjärer
I många år har Jerker Widengrens forskargrupp haft ett nära samarbete med den tyska fysikern Stefan Hell. I ett EU-projekt användes STED (stimulated emission depletion), en fluorescensmetod som senare belönades med nobelpriset i kemi 2014. Projektet visade att metoden kan användas för tidig diagnostik av bröst- och prostatacancer.
Jerker Widengren och hans grupp har byggt vidare på den kunskapen och är pionjärer när det gäller att använda fluorescensbaserad STED-teknik i diagnostiska applikationer. I ett samarbetsprojekt med Karolinska Institutet studerar de diagnostik av bakterier och hur de orsakar sjukdom. Ett annat projekt handlar om blodplättar.
– Hos personer med cancer ser man ofta blodproppar och störningar i koagulationsegenskaperna. Vi har visat att det finns tydliga proteinmönster i blodplättarna som indikerar att de har en roll i cancerutveckling.

Blinkande ljusmolekyler
Trots en dynamisk kunskapsutveckling, har forskare inte riktigt tagit vara på alla dimensioner i fluorescensljuset, menar Jerker Widengren. Fluorescensmolekyler blinkar nämligen på ett känsligt sätt utifrån den omgivning de befinner sig i. Genom att ta bilder på blinkningsegenskaperna ges detaljerad information om molekylära och biokemiska processer.
– Vi kan avspegla lokala syrgaskoncentrationer och visa att cancerceller har en annan metabolism än motsvarande friska celler, utifrån hur fluoroforerna blinkar. Vi arbetar som bäst med att utveckla den här metoden vidare.
Drömmen vore, menar Jerker Widengren, att i framtiden kunna ta tillvara fluorescensmetodernas fulla potential för att i detalj förstå sjukdomar samt för utveckling av ny känslig diagnostik, för att till exempel bättre kunna hejda cancerutveckling i ett tidigt skede.
– Vi är inte där ännu, men det vore förstås ett stort och viktigt genombrott att komma dit.

KTH – Fluorescens

Jerker Widengrens forskargrupp arbetar med att öka känsligheten och upplösningen hos fluorescensbaserad spektroskopi och mikroskopi.

Kontaktuppgifter
Jerker Widengren
Tel: 08-790 78 13
E-post: jwideng@kth.se