Ståhle, professor i materialmekanik vid Teknik och samhälle, Gunnel
Svensäter, professor i oral biologi vid Odontologiska fakulteten och
Håkan Eriksson, docent vid biomedicinsk laboratorievetenskap vid
Hälsa och samhälle, samtliga vid Malmö högskola.
Ett nytt
forskningsprogram är under upp- byggnad vid Malmö högskola. Målet är att till- sammans med industrin etablera ett internationellt erkänt forsknings- och utbildningscentrum inom området biofi lmer och biologiska gränsytor. En del i strategin är att integrera existerande och ny veten- skaplig spetskompetens för att åstadkomma slag- kraftig fl ervetenskaplig forskning. En annan är att medverka i utbildningsprogram t ex för tandläkare, ingenjörer och biomedicinska analytiker. Avsikten är också att förankra forskning och undervisning hos det svenska näringslivet. Forskningsprogram- met fi nansieras delvis som en profi l av KK-stiftelsen med minst 15 svenska företag inblandade (se fakta- ruta). Forskningen är inriktad på att fi nna metoder för att styra tillväxt och aktivitet av biofi lmer. Det kan göras genom att modulera vidhäftning av bio- molekyler, vidhäftning av bakterier och mikroorga- nismernas beteende.En förhoppning är att forskning inom biofi lms- området öppnar upp för nya möjligheter att be- handla infektioner med andra läkemedel än anti- biotika, till exempel genom att styra biofi lmernas egenskaper. Den utbredda motståndskraften hos bakterier som följd av dagens omfattande antibio- tikaanvändning gör detta ytterst angeläget.
Mikroorganismer förekommer sällan i fri form i naturen utan är oftast bundna till ytor där de till- växer under förutsättning att miljöbetingelserna är lämpliga. I litteraturen beskrivs biofi lmer som en ansamling av mikroorganismer på en yta med mikroorganismerna inbäddade i en matrix av poly- sackarider (kolhydrater, t ex stärkelse) som bakte- rierna bildat på egen hand (Figur,1).
I ett internationellt perspektiv har forskning kring biofi lmer expanderat kraftigt de senare åren. En sök- ning av vetenskapliga artiklar över biofi lmer i medi- cinska databaser visar att det 1980 fanns fem artik- lar medan det sedan 2000 publicerats 3 862 artiklar.
46
Varför är biofi lmer intressanta?
Det stora fl ertalet infektioner, faktiskt mer än 60% av dem som drabbar hos människan, är förknippade med biofi lmer. Till exempel karies, tand- lossning, urinvägsinfektioner, luftvägsinfektioner, tarmvägsinfektioner och en rad infektioner relaterade till implantat och katetrar. För Malmö högskolas del är det framförallt biofi lmer i munhålan och hur dessa kan kontrolleras som är intressant. Detta är en utmaning eftersom en välba- lanserad biofi lm samtidigt behövs för att skydda underliggande vävnader och för att förhindra att sjukdomsframkallande bakterier får fotfäste. Den ökade användningen av implantat, kontaktlinser och katetrar har aktualiserat problem med biofi lmer. Kunskap om biofi lmer är också rele- vant i sammanhang som rör livsmedelsförpackningar och processutrust- ning. I många fall ställer biofi lmer till problem i industriella processer. Samtidigt utnyttjas biofi lmer vid vattenrening, där bakterier hjälper till att reducera kväveinnehållet i avloppsvatten.
Biofi lmer bildas spontant på en yta som är i kontakt med en vätska som innehåller biomolekyler och mikroorganismer (se fi gur 2). Det är troligt att proteiner och bakterier kontinuerligt lämnar biofi lmen (de- tachment), vilket medför att bakterierna lätt sprids till andra områden. Det har under senare år blivit allt tydligare att biofi lmbakterier kommu- nicerar med varandra med hjälp av signalmolekyler. Dessa signalsystem inverkar både på biofi lmens arkitektur och på bakteriernas egenskaper.
Figur 2: Illustration av dynamiken i en biofi lm.
Det nya forskningsprogrammet på Malmö högskola inbegriper fl era aspekter på biofi lmbildning och biofi lmaktivitet. Forskningsuppgiften är sammansatt och kräver kompetens inom bland annat kemi, biologi, mik- robiologi, materialvetenskap och tillämpad matematik, och angrips fl er- vetenskapligt genom att använda existerande forskningskompetens inom Malmö högskola med kunskap inom biofi lmfältet.
Flera forskargrupper på högskolan deltar i programmet och stöder och kompletterar varandra. Nedan följer några exempel.
Kunskap om hur molekyler växelverkar med varandra och med ytor är grundläggande för att förstå hur det första lagret av biomolekyler bin- der till en yta och vilken struktur och biologisk aktivitet molekylerna får. Biologiska molekyler som fi nns i vätskan runt en yta eller i kontakt med en biofi lm är normalt aktiva. Det innebär att de kommer att binda till ytor, till exempel den yta biofi lmen växer på men också ytor på mik- roorganismer i biofi lmen. Strukturen och egenskaperna hos detta tunna skikt förändrar ytans egenskaper och kan bidra till att förklara hur och varför bakterier binder till ytorna. En central frågeställning för vår del är sammansättningen hos skiktet, i vilka mängder och med vilken hastighet proteiner binds in. En annan är den biologiska aktiviteten hos ytbundna molekyler. Speciellt viktigt är att förstå hur proteiners inbindning och struktur vid ytor påverkas av ytans och lösningens egenskaper. Med hjälp av kunskap om proteiners beteende vid ytor söker vi vägar att styra bio- fi lmtillväxt.
TEMA
Figur 3. Kinetik för bildning av ”conditioning fi lm” från saliv. Inbunden mängd salivproteiner till en yta som funktion av tid. 10% saliv tillsätts vid tiden 0, kyvetten sköljs (R) efter3600 sekunder. Som synes kan hu- vuddelen av skiktet ej sköljas bort.
Enligt gammal beprövad mikrobiologisk tradition har bakterier och de- ras egenskaper studerats hos bakterier som växer fritt i näringsrika od- lingsmedier. Senare tids forskningsresultat från forskargrupper världen över visar dock att bakterier som fi nns på eller nära en yta har andra
48
TEMA
egenskaper än motsvarande fria, s.k. planktoniska bakterier. Detta är ett paradigmskifte i synen på hur bakterier beter sig, som gör att vi kommer närmre verkligheten. Eftersom bakterier i natu- ren oftast är associerade med någon form av yta bör vi vara försiktiga med att extrapolera tidigare forskningsresultat med planktoniska bakterier till förhållanden i verkliga livet. Av speciellt intresse är att biofi lmbakterier är mer motståndskraftiga mot antibiotika och biocider (antimikrobiella medel), att biofi lmbakterier är mer livskraftiga och klarar bättre att leva under extrema betingelser än plank- toniska bakterier. Detta återspeglar sig i våra resul- tat över bakteriernas proteinuttryck (se Figur 4).
Forskningen fokuserar på bakteriernas inbind- ning till proteinklädda ytor och på bakteriers anpassning till ”biofi lmlivet”. Vi utgår från att biomolekyler i ”conditioning fi lm” påverkar in- bindning av bakterier och bakteriernas anpassning. Tolkning och implementering av forskningsresul- taten kräver en dialog mellan forskare med olika bakgrund och kunnande. Det är vår förhoppning att detta skall rymmas inom det nya forskningspro- grammet.
Biofi lmer som täcker eller delvis täcker ytor kan initiera och även accelerera korrosion i det under- liggande materialet. Är materialet dessutom utsatt för mekanisk belastning, såsom yttre last eller rest- spänningar, kan sprickor som leder till brott upp- stå. Materialvetenskapen studerar hur mekanisk spänning fördelas i en kropp med anvisningar eller ojämnheter på kroppens yta. Studier av initiering och tillväxt av sprickor genomförs med stöd av sk fi nita elementmetoder. Här krävs kompetens både för att beskriva sprickbildning och korrosion samt kunskap om biofi lmernas påverkan på den lokala miljön.
För att bättre beskriva hur biomolekyler (pro- teiner) binder till ytor och tillväxten hos biofi lmer krävs utveckling av matematiska modeller. Till denna modellering behövs experimentella data för såväl biomolekyladsorption (dvs hur de upptas),
Figur 4. Bilderna visar en separation av bak- terieproteiner med hjälp av två-dimensionell elektrofores. I detta fall har bakterierna fått näringsmedium som innehåller radioaktiva aminosyror som gör det möjligt att följa för- ändringar i proteinuttryck över tid. Vid en analys av proteinerna hos planktoniska bak- terier (A) och biofi lmbakterier (B) visade det sig att mer än 60% av bakterieproteinerna hade ett annat uttryck hos biofi lmbakterien.
bakterieinbidning och växelverkan. Syftet med en matematisk modellering är att kunna kvantitativt beskriva biofi lmstillväxt genom att utgå från fun- damentala biologiska och fysikaliska principer, till exempel energibalans, och därifrån härleda ekva- tioner. Modellen används slutligen till att predik- tera utvecklingen av en biofi lm, men även till att öka förståelsen för de mekanismer som styr utveck- lingen av biofi lmen.
Figur 5: Simulering av biofi lmstillväxt i tre dimen- sioner.
TEMA
Fakta om profi len
Forskningen inom biofi lmer vid Malmö högskola startade som ett platt- formsprojekt, fi nansierat av KK-stiftelsen och Malmö högskola gemen- samt, 2001-2003. I plattformen deltog forskargrupperna i oral biologi, oral protetik, tillämpad ytkemi, och tillämpad matematik. Under 2004 ansökte dessa grupper samt materialvetenskap gemensamt om att få fort- satt fi nansiering från KK-stiftelsen i form av en profi lsatsning, vilken också beviljades. Principen är att KK-stiftelsen fi nansierar lika mycket som de in- dustripartner som fi nns i projektet lägger ner i det, upp till 36 Mkr under 6 år. I profi len medverkar ett femtontal företag inom bl a marin industri, lä- kemedelsindustri, medicinsk teknik, vattenrening och livsmedelsindustri.
I profi len arbetar ett trettiotal forskare varav ca 15 seniora forskare och ett tiotal doktorander. Profi len leds av en ledningsgrupp, som består av gruppledarna för de ingående forskningsgrupperna. Till sin hjälp har denna ledningsgrupp en referensgrupp (styrelse), som bl a ansvarar för vetenskaplig kvalité, näringslivsrelevans samt rapporteringen till KK-stif- telsen. En viktig del av profi len är att kommunicera resultat i vetenskapliga fora och till omgivande samhälle. Profi len kommer bland annat att årligen arrangera konferenser, som blir nationella respektive internationella vart- annat år. Vidare ingår i uppdraget att kommunicera forskning och resultat i populärvetenskaplig form.
50
AVHANDLINGEN
Carin Björngren Cuadra är socionom från början och arbetade i tio år som socialarbetare. Sedan sökte hon sig tillbaka till den akademiska världen för att börja forska och kom med i ett forsknings- projekt som Arbetslivsinstitutet skulle starta, ”Vill- kor i arbetet med människor.” Målet för projektet var att sätta den arbetande människan inom vård, skola och omsorg i fokus, inte patienterna eller eleverna. Carin Björngren Cuadra fi ck en dokto- randtjänst på Arbetslivsinstitutet och antogs som doktorand på Odontologiska fakulteten vid Mal- mö högskola, medan hennes kurser och handled- ning kom från området Internationell Migration och Etniska Relationer, IMER.
– Jag hade ett IMER-perspektiv redan, efter- som jag arbetat med migrationsrelaterade frågor under min tid som socialarbetare. Jag hade också med mig studier i antropologi och av vad som på 80-talet kallades invandrarfrågor. OD kunde bidra med ett forskningsfält, som blev tandhygienisternas arbete.
Just tandhygienisterna alltså. Inte tandläkarna. – Tandhygienisterna intar en alltmer framträ- dande roll i tandvården, eftersom munhälsan är så bra i Sverige att satsningen nu görs på den förebyg- gande vården. Även globalt ser man det mönstret.