Forskning på nanoniveau giver ny viden, der kommer patienter til gavn

​Ved brug af forskningsanlægget MAX IV i Sverige kan danske forskere opnå ny anatomisk viden og en bedre sygdomsforståelse, som på sigt sikrer patienter mere præcise diagnoser samt mere effektiv og individuel behandling.

​MAX IV: Den runde bygning er et såkaldt synkrotronstråle-anlæg, hvor elektroner bliver accelereret rundt i svimlende hastigheder. Dermed udsender de røntgenstråling, som forskere kan udnytte til deres eksperimenter. Foto: Bild- och mediebank, Lund Universitet.

​"Nordens Cern"

I Lund i Sverige ligger forskningsanlægget MAX IV i naturskønne omgivelser, en såkaldt synkrotron, som blev indviet i 2016 og hører under Lund Universitet.

Det runde anlæg har en diameter på 528 meter og anvender synkrotronstråling – en avanceret røntgenstråling fra elektroner. Sammen med forskningsanlægget ESS, der ligger få hundrede meter derfra, udgør MAX IV populært sagt "Nordens Cern".

Det dansk finansierede strålerør (beamline) DanMAX er under opførelse på MAX IV-synkrotronen og forventes klar til anvendelse blandt forskere i løbet af 2021.

MAX IV – et 'nanoskop'

Synkrotronstrålingen er mere end en milliard gange mere intens end den røntgenstråling, tandlægen bruger.

Forskere kan bruge de meget intense røntgenstråler som en form for 'nanoskop', der kan afsløre, hvordan f.eks. en vævsprøve, et lægemiddel, et metal eller en elektronisk komponent ser ud og opfører sig på nanoniveau. Billederne, som tages på de forskellige målestationer, er i ultrahøj opløsning og i 3D.

(Læs mere om synkrotronen i faktaboksen nederst på siden).

Dansk pilotprojekt med støtte fra Region Hovedstaden

I Danmark er der endnu ikke den store tradition for at anvende avanceret synkrotronstråling i sundhedsforskningen, men det tværvidenskabelige pilotprojekt "The MAX IV Imagers Project" viser det store potentiale, som synkrotronstråling har.

Projektet er støttet med 4,5 mio. kr. af Region Hovedstadens Forskningsfond til Sundhedsforskning og ledes af seniorforsker og lektor Tim Bjørn Dyrby fra Hvidovre Hospital.

Samarbejdspartnerne kommer fra flere hospitaler i Region Hovedstaden, Københavns Universitet (KU), DTU og Lund Universitet (LU).

Ny anatomisk viden

"Synkrotronen er ikke noget, vi kan bruge til patienter eller til at undersøge vævsprøver i det daglige. Det, vi kan bruge den til, er at undersøge prøver i forskningsøjemed på en måde, som vi ikke kan med andre teknologier i dag. Derigennem kan vi få helt unik viden om, hvordan fx en sygdom udvikler sig i forskellige stadier", fortæller Tim Dyrby, der har en baggrund som civilingeniør og er ph.d. i MR-hjernescanninger (MR: Magnetisk Resonans-scanning af patienter).

"MAX IV Imagers"-projektet

Projektet "MAX IV Imagers", som overordnet ledes af Tim Dyrby, består af 4 pilotprojekter inden for følgende områder:

  • Knoglestruktur – Tandimplantater i dyrekæbe
  • Neurologi – 3D-mikrostrukturen af hjernen – Scanning af vævsprøver fra mus-, rotte- og abehjerner
  • Muskelspasticitet (muskelkramper) – Vævsprøver af lårmuskelstrukturer udtaget fra forskellige patientgrupper
  • Fertilitet – Sædcellers bevægelsesmønstre (halespjæt)

Resultaterne af de fire pilotprojekter vil kunne inddrages direkte i den kliniske forskning og kan dermed komme patienter til gavn i behandlingen.

Gevinsterne ved MAX IV

Det er målet, at den nye anatomiske viden, som forskerne får ved brug af synkrotronen, skal føre til en bedre sygdomsforståelse, mere nøjagtige diagnoser, forbedring af nuværende billedteknologier (MR-scanning), udvikling af nye lægemidler og personlig medicin samt øget behandlingseffekt, oplyser Tim Dyrby.

Forbedring af MR-scannere

"Idéen med at bruge en synkrotron er at få ny anatomisk viden, så vi kan blive bedre til at udvikle vores kliniske maskiner som fx MR-scannere".

Tim Dyrby fortæller, at han og kollegerne allerede kan se effekter af den nye viden, de har fået.

"Vi har fået en bedre forståelse af, hvad det er, vi optager med en MR-scanner, og hvordan vi kan finjustere den mere optimalt, så vi kan se flere anatomiske strukturer, som vi i dag ellers kun kan se under mikroskop. MR-scanneres potentiale er meget større, end det de kan i dag".

Personlig medicin

Ved at opnå en bedre sygdomsforståelse og optimerede billedteknologier vil lægerne bedre kunne sige noget om sygdommen hos den enkelte.

"Vi prøver at blive så specifikke, at man i fremtiden kan tilbyde en mere individuel behandling af den enkelte patient i stedet for at se på hele patientgrupper, som man gør i dag", siger Tim Dyrby.

Allerede nye opdagelser inden for neuro-området

Tim Dyrby fortæller begejstret om, at han og kollegerne efter synkrotronscanninger af vævsprøver fra forskellige dyrehjerner har opnået helt ny viden på neuro-området, som er hans speciale.

"Det er kendt, at tykkelsen af nervebanerne indikerer, hvor hurtigt en besked går fra hjernen og ud til de forskellige kropsdele. Jo tykkere nervebaner, desto hurtige er signalerne om at nå frem. Man har altid troet, at nervebanerne var som små rør eller ledninger, som har den samme tykkelse hele vejen fra A til B. Men det har de overhovedet ikke – de varierer undervejs i form og størrelse. Og det er vi blandt de første, der kan vise".

Hjernens "kommunikationsnetværk"

Spørgsmålet er, hvorfor nervebanerne varierer undervejs fra A til B, og hvilken betydning det har.

"At nervebanerne varierer i tykkelse og form undervejs frem til den enkelte kropsdel viser, hvor fleksibel hjernens forbindelser er. Det er interessant at undersøge, hvorfor de enkelte nervebaner har den tykkelse, de har, og hvorfor de varierer. Hvad det betyder for 'hjernekommunikation' er et helt nyt spørgsmål", svarer Tim Dyrby.

Den nye viden kan bruges til at forstå, hvordan hjernens "kommunikationsnetværk" egentlig er opbygget, og det kan på sigt komme patienter til gavn i form af bedre behandlingsmuligheder, herunder forbedret medicin.

Alderdom og hjernesygdomme

Forskerne ved, at der med alderen samt ved visse sygdomme som fx Alzheimers og multipel sklerose sker noget med hjerneforbindelserne. Men præcist hvilke forandringer, der sker og hvorfor, er ikke klarlagt endnu, men forskerne er på sporet, oplyser Tim Dyrby:

"Det kan vi med den nye synkrotronteknologi få et nyt indblik i, fordi vi kan se ting, som vi ikke kan se med nuværende teknikker".

Hjernen er plastisk og prøver at finde nye veje til at sende beskeder, når nogle nervebaner dør.

"Hvad der så sker med hjerneforbindelserne, og hvorfor strukturen ændrer sig, sådan som den gør, vil vi gerne kortlægge, for så vil vi bedre kunne forudsige, hvordan en sygdom udvikler sig, og hvordan den skal behandles hos den enkelte", fortæller Tim Dyrby.

Algoritmer skal afkode komplekst billedmateriale

En væsentlig del af forskningsprojektet "MAX IV Imagers" går ud på at udvikle nogle algoritmer, som kan afkode og analysere de kæmpestore og komplekse datamængder, der fremkommer ved hver enkelt synkrotronscanning.

"En scanning tager ca. 4 timer – det er ingen tid – men at analysere scanningsmaterialet tager på nuværende tidspunkt næsten 3 år. Derfor er vi i samarbejde med DTU og KU i gang med at udvikle nogle algoritmer, som kan gøre det nemmere og hurtigere at analysere al den information".

Opfordring til danske forskere

Tim Dyrby opfordrer danske forskere til at søge om scanningstid: "Det er vigtigt, at flere danske forskere får øjnene op for de muligheder, der er med MAX IV. Alle danske forskere kan ansøge om gratis at få lov til at komme og scanne på synkrotronen. Man skal naturligvis have et rigtig godt projekt og overbevise bedømmelsesudvalget på MAX IV, for der er forskere fra hele verden, som gerne vil scanne".

Når DanMax åbner i 2021, skulle der gerne være større chance for danske forskere.

Og Tim Dyrby understreger, at man på MAX IV får al den hjælp af fysikerne, der arbejder der, som man har brug for, dvs. alt lige fra vejledning og planlægning til opsætning og udførelse af forsøget.

FAKTA

Sådan virker synkrotronen – kort fortalt

Elektroner bliver accelereret rundt i svimlende hastigheder i det store ringformede anlæg. Dermed udsender de avanceret røntgenstråling – synkrotronstråling – som herefter rammer den prøve, som forskeren gerne vil undersøge. Strålerne ryger derefter videre til en målestation med en detektor, som kan give forskerne informationer om, hvordan et stof er opbygget helt ned på atom-niveau. Med andre ord tager forskerne et avanceret røntgenbillede af, hvordan materialets bittesmå byggesten ser ud. MAX IV gør altså det usynlige synligt.

Forskere kan ansøge om gratis at få tid til scanning på MAX IV. Virksomheder kan betale for det.

"MAX IV Imagers"-projektet – et konsortium af viden

Der tale om et konsortium af viden: Hvordan realiseres brugen af en synkrotron, så forskerne kan svare på de kliniske spørgsmål – og hvad giver mening at bruge den til?

Hospitaler i Region Hovedstaden: Har anatomividen, klinisk udstyr og ikke mindst spørgsmålene.

Universiteterne (DTU/KU): Har den matematiske og fysiske viden og værktøjerne, som skal bruges til at håndtere og analysere de kæmpemæssige og komplekse datamængder.

Lund Universitet (LU): Vært for MAX IV. Fysikere på synkrotronen, som ved, hvad man kan og hvordan.

QIM – The Center for Quantification of Imaging Data from MAX IV

Region Hovedstaden har også været med til at støtte opstarten af dataanalysecenteret QIM på DTU, som har et tæt samarbejde med KU og LU.

Erfaringer, data og anvendte metoder fra "MAX IV Imagers"-projektet kommer sammen med andre 3D-imaging-projekter til at bidrage til QIM som en fælles analyseplatform. QIM er et af de eneste steder i verden, hvor forskere kan få vejledning og hjælp til den avancerede dataanalyse, og flere forskere gør allerede brug af denne mulighed.




Redaktør