Niklas Dahl – Inducerade pluripotenta stamcells-modeller av sjukdomar i hjärnan och identifiering av nedärvda riskfaktorer för folksjukdomar

Den överbryggande målsättningen med vår forskning är att förbättra behandlingsresultat och prognos för utvalda sjukdomsgrupper.

Forskningen är uppdelad på två separata projekt:

Genom att etablera modeller av hjärnan från stamceller är målsättningen att identifiera mekanismer vid epilepsi, kognitiv funktionsnedsättning samt missbildningar i hjärnans blodkärl. Modellerna kan också användas för läkemedelsutveckling.
Ett annat mål är att identifiera de nedärva genetiska faktorer som i kombination ger förhöjd risk för i första hand bröstcancer och hjärtmuskelförstoring. Kunskapen kan möjliggöra individspecifika riskbedömningar och behandlingar.

Projekt 1 – Epilepsi och kognitiv funktionsnedsättning

Epilepsi och kognitiv funktionsnedsättning med tidig debut är globala hälsoproblem. Diagnosgrupperna är heterogena men en majoritet av fallen orsakas av genetiska avvikelser som ger bestående symtom och kraftigt sänkt livskvalitet. Effektiva behandlingsformer saknas.

Idag begränsas utveckling av nya läkemedel p.g.a. bristande kunskap om bakomliggande sjukdomsmekanismer som i sin tur beror på svårigheter att få tillgång till biologiskt material. Det saknas också relevanta modellsystem som återskapar sjukdomsprocesserna.

Nya teknologier kombineras

Begränsningarna kan delvis överbryggas med en kombination av nya teknologier i form av inducerade pluripotenta stamceller (iPSC), modifiering av DNA med CRISPR/Cas9 (gen-sax), bildanalys, DNA/RNA-sekvensering och bioinformatiska analyser.

I projektet utgår vi bl.a. från kroppsceller, t.ex fibroblaster, från patienter med en sjukdom som bekräftats genetiskt. Cellerna kan ”om-programmeras” till stamceller (iPSC) för att sedan differentiera till olika typer av hjärnceller i 2D eller till komplexa 3D-strukturer, s.k. organoider (Fig 1). De iPSC-deriverade hjärncells-modellerna kan vi analysera för morfologi, tillväxt, molekylär sammansättning och funktion med ny kunskap om de processer som bidrar till respektive sjukdom.

En målsättning är också att exponera sjukdomsmodellerna för olika substanser och kandidatläkemedel som normaliserar avvikelser i hjärncellsmodellerna som ett steg för läkemedelsutveckling.

Specifika målsättningar:

Etablera och utveckla nervcellsmodeller från iPSC för utvalda former av terapiresistent epilepsi (t ex Dravet syndrom) och kognitiva störningar (t ex Down syndrom) som orsakas av specifika genetiska avvikelser.
Analysera dessa nervcellsmodeller för att identifiera sjukdomsspecifika mekanismer och biomarkörer på cell- och molekylnivå.
Följa och normalisera uttrycket av sjukdomsspecifika biomarkörer i nervcellsmodellerna. Driva de första stegen i utveckling och/eller optimering av kandidatläkemedel vid respektive tillstånd.

Två mikroskopbilder. En visar nätverk av celler i ljus färger mot en mörk bakgrund. Den andra visar en hjärnorganoid i blått och rött.

Fig 1. (A) Nätverk av GABAerga interneuron deriverade från iPSC. Cellerna är viktiga för att balansera den elektriska aktiviteten i hjärnan. (B) Hjärn-organoid från iPSC efter 3 månaders odling. Organoiden återskapar CNS-strukturer i 3D. Hjärnbarken (blå) omges delvis av meningeala hjärnhinneceller (röda). Ventrikulära zon-strukturer är utmärkta med pilar.

Projekt 2 – Ärftliga faktorer för bröstcancer och hjärtmuskelförstoring

I detta projekt är målsättningen att identifiera nedärva faktorer som påverkar individens risk för de relativt vanligt förekommande sjukdomarna bröstcancer respektive tidigt debuterande hjärtmuskelförstoring (hypertrofisk kardiomyopati). Sjukdomarna medför betydande sjuklighet och ökar risken för tidig död. En tidig upptäckt av ”högriskindivider” för sjukdomarna möjliggör tidigt insatt och individualiserad behandling.

I projektet utgår vi från kunskap om varje individs genetiska uppsättning som är unik med mer än 4 miljoner möjliga variationer. Hälften av dessa varianter är nedärvda från respektive förälder. Vissa kombinationer av dessa slumpmässigt nedärvda varianter kan ge kraftigt ökad risk för bl.a. bröstcancer hos kvinnor respektive tidig hjärtmuskelförstoring. Detta kallas polygent riskvärde (på engelska polygenic risk score (PRS)).

Genvarianter med större eller mindre risk för sjukdom

Genom att analysera hela arvsmassan i stora grupper av patienter med sjukdomarna i den svenska populationen söker vi ”mönster” av samverkande genvarianter som kan associeras till höga, eller låga, polygena riskvärden för sjukdom (Fig 2).

Om vi kan identifiera starka samband mellan förekomst av sjukdom och PRS i den svenska populationen planerar vi att validera diagnostiken i klinisk praxis vid avdelningen för Klinisk genetik, Akademiska sjukhuset. Även anhöriga till individer med respektive sjukdom kommer då att erbjudas deltagande och uppföljning.

Specifika målsättningar:

Identifiera patienter diagnostiserade med bröstcancer respektive hypertrofisk kardiomyopati.
Identifiera risk-genvarianter för sjukdomarna via databaser (ex. U.K. Biobank, Finngen m.m.), samarbeten och publicerade associationsstudier.
Genotypa patientgrupperna för utvalda och etablerade riskgen-varianter med SNP-arrayteknik. Statistisk bearbetning för att identifera specifika genvarianter samt det ”mönster” av genvarianter, dvs PRS, som är associerade med sjukdomarna.
Expandera studien till anhöriga för klinisk validering, genotypning och uppföljning.

Diagram med två kurvor som illustrerar hur en viss kombination av slumpmässigt nedärvda genvarianter förskjuter riskkurvan mot en högre risk.

Fig 2. Normalfördelning av olika nedärvda genvarianter i befolkningen relaterad till sjukdomsrisk (svart kurva). Varje individ har en kombination av slumpmässigt nedärvda genvarianter som ger ett polygent riskvärde (PRS), d.v.s. ett mått på ökad – eller minskad – individuell sjukdomsrisk under livet jämfört med den populationsbaserade risken.