Hvordan reagerer immunforsvaret, når det første gang møder en virus?

Molekylærbiologi handler om livets allermindste byggesten, blandt andet proteiner, celler og DNA.

I min ph.d. har jeg arbejdet med immunforsvaret. Det er en af kroppens mest komplekse systemer, og rummer mange uløste gåder. Ingen har endnu kunnet forklare i detaljer, hvordan det fungerer.

Mere konkret har jeg undersøgt, hvilken rolle immunceller fra lungerne spiller i genkendelsen af forskellig virus, og hvilken type immunforsvar det igangsætter.

Men for at undersøge det, måtte jeg først have fat i immunceller fra lungerne, og næsten endnu vigtigere: Finde ud af, hvordan jeg kunne opbevare dem i laboratoriet, så de var til at lave eksperimenter med.

Det første blev løst ved at vi startede et samarbejde med Aarhus Universitetshospital. For at løse det andet problem udviklede vi en såkaldt ’klinisk protokol’, en form for opskrift på, hvordan man kan isolere cellerne og bevare dem i laboratoriet.

Protokollen gjorde det ikke kun muligt for mig at kortlægge en smule mere af vores komplekse immunforsvar. Den kan også bruges af mange andre forskere, der gerne vil forske i lungerne.

Og så bygger protokollen på noget så moderne som genbrug.

Problemet med at bruge ’cellelinjer’

De fleste molekylærbiologer vil i deres arbejde bruge humane cellelinjer. Det er menneskeceller, der vedvarende kan gro kunstigt i laboratoriet og derfor omtales som ’udødelige’.

Cellerne kan dele sig igen og igen, så længe de har plads at dele sig på og får tilført næring. Næringen kommer fra et vækstmedie, der blandt andet indeholder vitaminer, aminosyrer og sukker, som cellerne skal bruge.

Cellelinjerne er derfor nemme og attraktive at bruge i besvarelsen af forskellige grundvidenskabelige spørgsmål indenfor biologien.

Der er dog et problem ved brugen af cellelinjer. Cellerne kommer oftest oprindeligt fra kræftknuder, hvilket gør, at de er gode til at dele sig, men i deres adfærd ligner de ikke almindelige celler.

Deres gener kan være reguleret anderledes, og de bliver derfor en dårlig model for den problemstilling man vil undersøge, hvis den ikke er relateret til kræft.

Derfor er der brug for nye modeller til at undersøge komplekse biologiske spørgsmål om, hvordan vores kroppe fungerer.

Specielle immunceller kan skylles ud af lungerne ved simpelt indgreb

På indersiden af vores lunger sidder specialiserede immunceller, kaldet alveolære makrofager.

Lungerne indeholder store antal af alveolære makrofager, og de er med til at opretholde et raskt miljø i lungerne. Når vi får en luftvejsinfektion, er de også med al sandsynlighed den første celletype en luftvejsvirus eller -bakterie møder.

Ved Klinik for Lungesygdomme på Aarhus Universitetshospital bruges lungeskyl til at diagnosticere lungekræft og andre lungesygdomme. Det er der, hvor vi får vores prøver fra.

Lungeskyllet virker ved, at patienten får pumpet saltvand ned i lungerne, som derefter suges op igen. Siden alveolære makrofager sidder på indersiden af lungerne, skylles de også med ud i denne her procedure.

Når lægerne er færdige med deres diagnostiske arbejde, er der stadig meget af lungeskyls-prøven tilbage. Vi har udviklet en klinisk protokol til at isolere alveolære makrofager fra lungeskyls-prøver og herefter dyrker dem i laboratoriet.

Plastikglade celler

For det første er det vigtigt at vide, at over 95 procent af de celler, der er til stede i en lungeskyls-prøve, er alveolære makrofager. Det sparer forskerne tid, da de ikke skal sortere flere celletyper fra hinanden.

For det andet, er det også godt at vide at makrofager er celler, der er meget glade for at klistre fast til plastik.

Selve isoleringen af cellerne fra lungeskyls-prøverne gik også overraskende nemt. Der findes flere kliniske protokoller for, hvordan man isolerer immunceller fra eksempelvis blodet.

I disse protokoller skal man oftest isolere cellerne ved at bruge nogle små magnetiske kugler, der kan binder lige netop til den type immuncelle, man vil have fat i.

Når de magnetiske kugler så har fundet immuncellen, kan man isolere immuncellerne fra resten af cellerne i prøven ved at bruge en magnet, der så vil tiltrække de magnetiske kugler, som nu er bundet fast til den immuncelle, man er interesseret i.

Metoden tager tid at udføre i laboratoriet og er dyr, da den kræver specielle reagenser og maskiner.

I vores kliniske protokol til isolering af makrofagerne fra lungerne beskriver vi, hvordan vi kan isolere lige netop den type celle ved simpelthen bare at udnytte, at de klistrer stærkere fast til de plastikbakker, vi bruger til at dyrke celler i, end andre celletyper gør.

Når de alveolære makrofager kommer ned i plastikbakkerne, vil de klistre sig rigtig godt fast til bunden.

Herefter skyller vi plastikbakkerne med saltvand af nogle omgange, og får skyllet næsten alle andre celletyper og andet snavs fra lungeskyls-prøverne ud af vores bakker. De alveolære makrofager vil blive siddende klistret fast til bunden.

Ligeså lette at opbevare som kunstige celler

På denne måde kan vi nemt og hurtigt isolere makrofagerne fra lungeskyls-prøverne uden brug af specielle kemikalier eller maskiner.

Når makrofagerne er isoleret kan vi gro dem i laboratoriet og udføre forskellige eksperimenter med dem over de efterfølgende dage.

I vores kliniske protokol har vi beskrevet de optimale vækstforhold for alveolære makrofager i laboratoriet.

Lungecellerne kommer direkte fra patientprøver, og derfor er de mere skrøbelige end de cellelinjer, man ellers kan gro kunstigt i laboratoriet. Vi fandt dog ud af, at makrofagerne fra lungerne kan lide mange af de samme vækstbetingelser som de kunstige cellelinjer.

Makrofagerne blev bevaret bedst i en såkaldt ’inkubator’ (beholder til dyrkning af cellekulturer), der holder temperaturen på 37 grader celsius, og i en helt almindelig type opløsning, som molekylærbiologer også bruger til de kunstige cellelinjer.

Vi behøvede derfor ikke en gang at anskaffe os specielle kemikalier for at dyrke makrofagerne.

Hvad sker der, når kroppen opdager en virus?

Vi har fokuseret på hvordan immunforsvaret i lungerne fungerer, og mere specifikt hvordan de allerførste trin i immunforsvaret sættes i gang.

Først inficerer vi makrofagerne fra lungeskyls-prøverne med forskellige virus (eksempelvis influenza eller SARS-CoV-2) og herefter måler vi på, hvilke signalmolekyler de udsender.

På den baggrund kan vi sige noget om, hvilken rolle makrofagerne spiller i den første genkendelse af en virusinfektion.

Derudover kan udvalget af signalmolekyler, som cellerne udsender, indikere hvilken type af forsvar, makrofagerne sætter i gang overfor de forskellige typer af virus.

Med lunge-makrofagerne har vi blandt andet undersøgt deres rolle i en infektion med SARS-CoV-2, virussen der giver COVID-19.

Her kunne vi se, at de alveolære makrofager ikke rigtig registrerer virusinfektionen. Det tyder på, at SARS-CoV-2 virussen kan ’gemme’ sig for de alveolære makrofager, og på denne måde undgå at cellerne igangsætter et immunforsvar mod virussen.

Virusinfektionen kan derfor give færre eller ingen symptomer hos nogle mennesker i de tidlige stadier af sygdommen.

Hvad det præcis betyder for hvordan kroppen ellers genkender og bekæmper SARS-CoV-2 virussen, vides ikke endnu.

I min ph.d. har jeg også undersøgt forskellen på, hvordan makrofagerne i lungerne sætter gang i immunforsvaret, når de møder en virusinfektion og en bakterieinfektion, men denne undersøgelse er stadig på et indledende stadie.

Cellerne kan også bruges som model for mange andre videnskabelige spørgsmål om lungerne, og derfor kan flere molekylærbiologer og forskere også få gavn af vores kliniske protokol i deres forskning.

Kan udvides til andre forskningsområder

Ved at kunne isolere patientceller relativt nemt og bruge dem i laboratoriet til at besvare grundvidenskabelige problemstillinger, har vi givet et mere virkelighedstro alternativ til brugen af kunstige cellelinjer.

Gennem et tæt samarbejde med Aarhus Universitetshospital har vi fået etableret en forsyningsledning af patientprøver som kan bruges til at undersøge fundamentale spørgsmål om hvordan vores immunforsvar i lungerne virker.

Det er dog ikke alle typer forskning, som de alveolære makrofager kan bruges til. Cellerne er svære at manipulere genetisk, hvilket er nødvendigt at gøre, hvis man gerne vil undersøge bestemte sygdomsrelaterede mutationer eller medfødte sygdomme.

Der findes dog metoder til at ændre i generne, som for eksempel den populære CRISPR metode.

Den kræver dog, at man kan blive ved med at gro cellerne i laboratoriet over længere tid, og til vores forskning har det kun været nødvendigt at bevare lungemakrofagerne i laboratoriet i nogle få dage.

At ændre på makrofagernes gener er derfor ikke noget, vi har undersøgt i protokollens nuværende form, men det er noget, der vil kunne undersøges i fremtiden.

Makrofagerne kan allerede nu bruges til at undersøge flere forskningsspørgsmål om immunforsvaret i lungerne, men de kan også bruges til at sige noget mere generelt om, hvordan de raske lunger fungerer helt ned på celleniveau.