Nya redskap kan ge svar på komplexa medicinska frågor

Beräkningsmedicin är ett nytt ämne som utvecklats från senare års systembiologi. Forskning inom beräkningsmedicin kräver tvärvetenskapliga samarbeten med kompetenser inom bland annat matematik, statistik, fysiologi, datalogi och medicin. Jesper Tegnér, som myntat begreppet beräkningsmedicin, är landets första och hittills enda professor i ämnet.

Han har själv en ovanligt bred bakgrund som täcker flera områden - matematik, medicin och filosofi.

- Jag vill skapa en brygga mellan matematik och biologi och satsa tvärvetenskapligt. Det känns både kul och utmanande. Idag krävs multidisciplinära team för att förstå komplexa folksjukdomar, säger Jesper Tegnér.

Han tycker att det är viktigt att inte begränsa forskningen till experimentella studier på celler och djurmodeller utan i högre utsträckning använda sig av patientmaterial med större klinisk relevans. Det är nödvändigt både för att bättre förstå sjukdomsutveckling och för att hitta nya behandlingsvägar.

Tidigare forskning har ofta varit inriktad på att hitta kandidatgener som kan kopplas till en viss sjukdom och som lett till behandling. Men denna forskning har sin begränsning då många olika gener/proteiner är inblandade och avgör om vi blir sjuka eller inte. Dessutom kan faktorer som miljö och livsstil spela in, det gäller bland annat flera av våra stora folksjukdomar som cancer, hjärtkärlsjukdomar och neurodegenerativa sjukdomar. Då räcker det inte med att konstatera vissa associationer, säger Jesper Tegnér, utan det måste göras ingående nätverksanalyser för att se hur olika komponenter samverkar och förstå orsakssamband.

Kraftfulla datorer

För att hitta mönster och se samspelet mellan olika faktorer krävs stora mängder data och kraftfulla datorer som kan hantera dessa. För bearbetning och analys har utvecklats nya redskap som matematisk modellering och datorsimuleringar. Genom att i datorn ändra på vissa förhållanden kan denna sedan räkna ut hur detta påverkar andra funktioner i cellen.

Det går därmed att förstå vilken roll vissa gener eller proteiner har. Ett av målen med Jesper Tegnérs forskning är att kartlägga cellers regulatoriska nätverk och hur dessa hänger ihop, att utveckla nya metoder och att utvärdera dem för att se att de är tillförlitliga.

Då kartläggningen av det mänskliga genomet började färdigställas vid sekelskiftet fanns förhoppningar om att förstå vad olika gener gör. Men det har sedan visat sig vara betydligt svårare än så. Man har till exempel upptäckt att vissa gener inte bildar proteiner överhuvudtaget utan har till uppgift att styra en rad andra processer i cellen. Genomet är mycket mer komplext än man först trodde.

Jesper Tegnér har flera projekt på gång. I ett av dessa, där han samarbetar med kliniker och experimentella kärlforskare, är målet att bättre förstå utvecklingen av åderförkalkning, ateroskleros. De har byggt upp databaser över patientmaterial, främst plack från hjärtpatienter, och har identifierat övergripande gennätverk i placken. De studerar nu närmare hur tillväxten av plack sker. Flera olika celltyper är involverade men forskarna vet ännu inte på vilket sätt de samverkar.

- Vi har därför byggt matematiska modeller för att kunna simulera olika händelseförlopp inne i och mellan cellerna. Vad styr om placket i blodkärlen ska öka eller minska? Vi har tittat på gener och graden av sjukdom och undersöker sedan i en musmodell för ateroskleros om det stämmer med vad datorn kommit fram till. Vi har bland annat kunnat konstatera att åtta av de gener som finns i makrofager, en vit blodkropp, har central betydelse vid plackbildningen.

Varför arbetsminnet är begränsat

I ett annat projekt har Jesper Tegnér tillsammans med Torkel Klingberg studerat vad som förklarar arbetsminnets begränsningar, att vi normalt inte kan hålla kvar mer än sju minnesbilder åt gången. Det finns mycket kunskap om kemiska processer i hjärnan och vilka delar som är aktiverade i olika situationer, men exakt vad som då händer är för komplext att överblicka utan en matematisk modell.

- Vi konstruerade därför en datorsimulerad modellhjärna och de beräkningar som utfördes med denna testades sedan med hjälp av fMRI, en avbildningsteknik, på försökspersoner. På så sätt kunde vi bekräfta att beräkningarna gav svar på vad som händer i hjärnans olika delar och som gör att arbetsminnet är begränsat.

Mycket av den forskning som Jesper Tegnér bedriver kräver att det finns tillgång till stora kliniska material. Här ligger Sverige bra till genom sina många register och biobanker med prover sparade från patienter. Ett helt nystartat projekt gäller Parkinsons sjukdom. Jesper Tegnér använder här nätverksbaserad analys av de genomiska nätverken i dopaminerga celler, som är centrala för Parkinsons sjukdom.

- Jag hoppas att med de nya tekniker vi nu har tillgång till kunna förklara samband som annars är svåra att fastställa och därmed bättre förstå medicinska problem.

Text: Ann-Marie Dock, publicerad i "Från Cell till Samhälle" 2010

Om forskningsämnet

Utvecklingen under senare år har gått från bioinformatik och systembiologi till beräkningsmedicin. Med hjälp av matematisk modellering och datorsimuleringar är det nu möjligt att studera stora delar av aktiviteten hos genomet samtidigt. Genom att integrera teknik och medicin vill Jesper Tegnér med sin forskning bidra till en djupare förståelse av olika sjukdomsmekanismer, vilket på sikt kan få betydelse för såväl behandling som prevention.

Länkar

ProfessorStatistik