Dansk studerende rydder forsiden af amerikansk kemi-tidsskrift

Umiddelbart skulle man tro, at en forsker, som studerer hjernesygdommen Alzheimers, undersøger vævsprøver, taler med de syge eller dykker ned i patient-statistikker.

Men ph.d.-studerende Katrine Kirkeby Skeby er gået til værks med en helt anden metode. Ved at undersøge små film, som hun laver ved hjælp af computersimuleringer, forsøger hun at finde frem til en ny måde at stille diagnosen Alzheimers.

»I øjeblikket kan man først med sikkerhed diagnosticere Alzheimers, når patienten er død, så man kan tage prøver af hjernevævet. Derfor er det ultimative mål med vores forskning at finde en effektiv måde at stille diagnosen Alzheimers,« siger Katrine Kirkeby Skeby fra iNANO- og inSPIN-centrene ved Aarhus Universitet.

Hendes nyeste forskning er blevet udvalgt til at være på forsiden af det amerikanske kemi-tidskrift Journal of the American Chemical Society.

Kemien er flyttet ind i computeren

I sin undersøgelse har Katrine Kirkeby Skeby erstattet kolber, væsker og kemiske eksperimenter med et computerprogram, som kan simulere, hvordan molekyler opfører sig og genkender hinanden.

»Vi kan simulere helt ned på atom-niveau, hvordan forskellige molekyler opfører sig. Basalt set simulerer vi molekylernes bevægelser ved hjælp af matematiske og fysiske modeller, som er blevet bygget ind i et computerprogram.«

»Det her program fremstiller nogle film over molekylernes opførsel, så de rådata, vi har analyseret i vores undersøgelse, er en masse film af molekylernes bevægelser,« forklarer Katrine Kirkeby Skeby.

(Se et eksempel på en af de film Katrine Kirkeby Skeby har analyseret nederst i artiklen)

Protein er tegn på Alzheimers

For at forstå, hvad Katrine Kirkeby Skebys computersimulerede film kan bruges til, skal vi lige kaste et kort blik på sygdommen Alzheimers.

Alzheimers er en sygdom, der resulterer i svigtende hjernefunktion og demens, og ifølge Alzheimerforeningen lider omkring 45.000 danskere af sygdommen.

Det er uvist præcist, hvad der får sygdommen til at opstå, men ifølge Katrine Kirkeby Skeby er der bred enighed om blandt forskere om, at patienter med Alzheimers får aflejret for meget af et særligt protein i hjernen – det såkaldte Amyloid β-protein.

Svært at dignosticere Alzheimers

Dermed fungerer Amyloid β altså som en markør for, om en patient lider af Alzheimers.

Men i øjeblikket er problemet ifølge Katrine Kirkeby Skeby, at det kræver en prøve fra patientens hjernevæv, før lægerne helt præcist kan fastslå, om der er aflejret meget Amyloid β i patientens hjerne.

»Det er et voldsomt indgreb at tage en prøve i hjernen, så derfor diagnosticerer man i dag Alzheimers ved at snakke med patienten og udelukke andre former for demens.«

»Men vi vil gerne være med til at finde frem til en mere præcis måde at stille diagnosen,« siger Katrine Kirkeby Skeby.

Skanning skal i fremtiden stille diagnosen

En af de muligheder, som forskerne arbejder på, er at blive i stand til at bruge en skanning til at afgøre, om en patient har aflejret meget Amyloid β i sin hjerne – og dermed viser tegn på Alzheimers sygdom.

»Hvis man kunne skanne patienten, ville det være en forholdsvis ukompliceret måde at fastslå, om patienten har Alzheimers, uden at man behøver at skære i personen. Men for at kunne bruge en skanning til at finde frem til Amyloid β er vi nødt til at have et kontraststof, som kun binder til lige nøjagtigt Amyloid β,« siger Katrine Kirkeby Skeby.

Hun forklarer, at et kontraststof er et stof, som sprøjtes ind i kroppen, inden en patient føres ind i en PET-skanner på hospitalet.

Mangler kontraststoffer til Alzheimers

Kontraststoffet er normalt udviklet til at identificere lige præcis de stoffer eller elementer i kroppen, der karakteriserer den sygdom, som lægerne leder efter.

Men for sygdommen Alzheimers er der altså endnu ikke et kontraststof, som effektivt og rutinemæssigt kan anvendes til at spore og binde sig til Amyloid β – uden at binde sig til andre stoffer i kroppen.

Et stof kaldet Amyvid, blev dog i 2012 godkendt i USA til PET-skanning, men dette kontraststof kan ifølge Katrine Kirkeby Skeby ikke give en definitiv diagnose for Alzheimers.

»I vores forskning har vi fokuseret på at undersøge molekyler, som vi ved kan binde sig til Amyloid β. Vi ved allerede fra andre eksperimenter, at de kan binde sig til Amyloid β, men ikke hvordan.«

»Så det hele går ud på at finde ud af, hvordan forskellige stoffer binder til Amyloid β. Jo mere viden vi har på området, jo bedre er vi rustet til at udvikle forbedrede stoffer, som binder endnu bedre til Amyloid β,« siger Katrine Kirkeby Skeby.

13 stoffer bandt til protein på samme måde

Katrine Kirkeby Skeby tilføjer, at en vigtig pointe er, at kontraststoffet kun skal binde sig til Amyloid β-proteinet og ikke til andre proteiner.

»Hvis kontraststoffet også binder til andre proteiner, så kan man ikke skelne dem fra Amyloid β under en skanning. Og så kan man ikke bruge det til at stille diagnosen,« siger Katrine Kirkeby Skeby.

I undersøgelsen har Katrine Kirkeby Skeby undersøgt, hvordan 13 forskellige stoffer binder til Amyloid β.

»Alle 13 stoffer kan binde sig til Amyloid β, og potentielt set vil man altså kunne udvikle dem til at være kontraststoffer, som kan diagnosticere Alzheimers. Vi fandt ud af, at alle 13 stoffer overordnet set binder på samme måde til en model af Amyloid β,« siger Katrine Kirkeby Skeby.

Hun understreger dog, at der fortsat er »meget lang vej« fra hendes egen forskning og til en færdig diagnosemetode, som kan komme Alzheimers-patienter til gavn.

Resultaterne fra din undersøgelse stammer jo fra computersimuleringer. Hvordan kan du vide, at stofferne i virkeligheden også opfører sig sådan, som computermodellen forudsiger, at de gør?

»Man vil aldrig kunne sige med 100 procents sikkerhed, at det er sådan det foregår. Men vi tjekker vores resultater ved at sammenligne dem med eksperimenter, som bliver udført i et laboratorium. Hvis vi får de samme resultater i både eksperimenter og computersimuleringer, så kan vi med rimelig sikkerhed sige, at vores simuleringer må være i orden,« forklarer Katrine Kirkeby Skeby.

Katrine Kirkeby Skeby er da heller ikke den eneste forsker, som anvender computersimuleringer til at beskrive kemiske reaktioner og molekylers bevægelser.

Grundpillen bag de metoder, som Katrine Kirkeby Skeby og hendes kolleger anvender, vandt faktisk for nyligt årets nobelpris i kemi.

Det var de tre videnskabsmænd Martin Karplus, Michael Levitt og Arieh Warshel, som fik nobelprisen. Deres forskning i 1970’erne støbte fundamentet for de computerprogrammer, som kemikere verden over udfører virtuelle eksperimenter med i dag - herunder altså Katrine Kirkeby Skeby fra Aarhus Universitet.

Denne film er et eksempel på de computersimulerede film, som Katrine Kirkeby Skeby har anayseret og brugt som rådata i sin undersøgelse. Hun beskriver filmen således: "Carbon-atomerne i Amyloid-β er grå, mens kontraststoffet er orange. Nitrogen-atomer og oxygen-atomer er henholdsvist blå og røde. Hydrogen-atomer og vand er til stede i simuleringen, men er ikke vist. I simuleringen starter kontraststoffet langt fra Amyloid-β modellen. Herefter diffunderer det rundt i vandet, som molekylerne er opløst i, og til sidst bliver det fanget af Amyloid-β modellen. Kontraststoffet prøver nogle forskellige steder at binde, men ender til sidst i en kløft der er langs med Amyloid-β modellen. Det er denne form for binding som vi mener, der er fælles for alle kontraststoffer af denne type." Filmen foregår i øvrigt en milliard langsommere i forhold til, hvor hurtigt tingene ville ske i virkeligheden.