Sundhedsvidenskab > Månedens profil > Niels Borregaard

01. juli 2008

Niels Borregaard

Afkodning af blodets hemmeligheder 

I maj måned blev professor i hæmatologi, Niels Borregaard, udnævnt til æresdoktor ved Lunds Universitet: 30 års forskning i den undergruppe af de hvide blodlegemer, som kaldes granulocytterne, har gjort ham til en verdensautoritet indenfor det medfødte immunforsvar, og gennem en pionerindsats har han åbnet nye sundhedsvidenskabelige forskningsområder. Månedens profil i juli tegner et portræt af Danmarks mest betydningsfulde hæmatolog.

Af Malene Steen Nielsen Flagga 

"Når vi møder patienter med bestemte symptomer, er spørgsmålet: Hvad er årsagen?" Det fortæller professor i hæmatologi Niels Borregaard fra Institut for Kirurgi og Intern Medicin samt Hæmatologisk Afdeling på Rigshospitalet. "At finde svaret er et detektivarbejde - det var ikke et tilfælde, at forfatteren til Sherlock Holmes romaneren, Sir Arthur Conan Doyle, selv var læge. Den måde han tænkte på, er den måde vi tænker på i lægeverdenen."

Musikken ledte vejen til medicin
Niels Borregaard's vej til blodforskningens laboratorier begyndte på Hjørring Gymnasium, hvor han som ung stod med sin fysisk-matematiske studentereksamen i 1970, og ikke kunne beslutte, om han skulle fortsætte ad den vej på universitet eller læse medicin.
"Jeg var ikke særligt biologisk interesseret," husker han." og valgte derfor fysik og matematikken - og allerede efter en uge vidste jeg, at det var et forkert valg for mig."

Professor Niels Borregaard
Institut for Kirurgi og Intern medicin
Fotograf:

Nu gik Niels Borregaard samtidig på Aalborgs konservatorium. Ad den vej fik han kontakt til mennesker med medicinsk baggrund, og fik interesse for faget, så da muligheden bød sig, skiftede han studieretning.
"Fra dag ét var jeg klar over, at det var det rigtige valg," fortsætter Niels Borregaard. "Det var simpelthen biologien i faget, der interesserede mig. Det var helt forrygende at se, hvordan selve det strukturelle i mikroskopisk anatomi passer perfekt med de biokemiske aktiviteter som foregår i organerne. Det var dybt fascinerende."
Det var især den biologiske orden, som fangede hans interesse, arbejdet med at få den overordnede forståelse for de organiske processer og for hvordan biokemien hang sammen med fysiologien og den mikroskopiske anatomi. Og så se konsekvenserne af patofysiologien.

Boglig viden og klinisk arbejde åbner spændende verden
Niels Borregaard begravede sig derfor, i bogstaveligste forstand, i bøgerne de første fire år af studiet. Der var ikke plads til sarbejde som FADL-vagt, for han ønskede at udvide sin forståelse af kroppens processer helt nede på cellulært niveau.

"Derefter fik jeg mulighed for at fungere som læge i Sverige," fortsætter Niels Borregaard. "Jeg arbejdede blandt andet i akutmodtagelsen på et hospital, og det lærte jeg utroligt meget af. Kombinationen af det kliniske arbejde med den baggrund jeg havde fra de mange timer foran bøgerne, åbnede en virkelig spændende verden."

Forholdsvist tidligt i studiet kom Niels Borregaard til infektionsmedicinsk afdeling på Marselisborg Hospital (i dag Aarhus Hospital). Navnet til trods var forskningsområdet biokemi, især hvordan de hvide blodlegemer omsatte glykogen. Ideen var, at få viden om en diabetisk tilstand, kunne man studere en egen lille enhed i kroppen, med sit eget stofskifte, i stedet for at udføre fx muskel- og leverbiopsier.

Hvordan dræber granulocytterne bakterier?
"Jeg startede med at studere de enheder der nedbryder glykogen, fosforylaser," fortæller Niels Borregaard. "Det var sådan set meget spændende, men jeg syntes på den anden side, at hvis man vil studere den type hvide blodlegemer, de neutrofile granulocytter, som er dem, der spiser bakterier, så er det lidt afartet at kigge på glykogenstofskiftet bare for biokemiens skyld."

Niels Borregaard ville hellere undersøge de mekanismer, granuloctytterne bruger til at dræbe bakterier med. Halvt inde i sin disputats skiftede han vej, lige da han modtog en henvendelse fra Rigshospitalet. Børneafdelingen havde hørt om den unge forsker med forstand på biokemi, og afdelingens læger stod med en sjælden, kronisk sygdom - kronisk ganulomatøs sygdom (CGD) - en defekt i evnen til at slå bakterier ihjel. Lægerne vidste, at det skyldtes granulocytternes ikke virkede efter hensigten - de dannede ikke en gruppe specielle superoxid-ioner. Disse viste sig at have et enormt forbrug af ilt som i sidste ende blev omdannet til den klorundersyrling, granulocytterne bruger til at dræbe bakterier med. En artikel i Lancet havde påpeget, at patienter med CGD manglede et såkaldt B-cytokrom i granulocyttens membran, og det blev Niels Borregaard bedt om at undersøge nærmere.

Udfordrer resultat i Lancet-artikel
"Jeg havde aldrig studeret B-cytokromet før, men tænkte at det lød som en spændende udfordring," fortæller Niels Borregaard. "Jeg opdagede hurtigt, at Lancet-artiklen ikke havde helt ret. Vores CGD-patienter havde normale B-cytokromer."

Under et opholdt i Boston, USA, besluttede Niels Borregaard, at den bedste vej til at lokalisere B-cytokromet, var et forsøg på at renfremstille det.

"Fordelen ved Boston er, at altid kan finde en verdensmester indenfor et hvilket som helst fag lige om hjørnet," forklarer han. "Men ingen af de foreslåede metoder gav rene granulocyt-membraner.
Men så fik han en lys idé, der virkede i første forsøg. Det tog ham 14 dage at udarbejde en metode, som stort set har været uændret i brug siden da, som splittede granulocyttens membran fra cellens indre.

"Det var fantastisk spændende at hive centrifugen op og så se, at det nu var lykkedes," husker Niels Borregaard. "Plasma-membraneren lå dér og de to typer granula lå hver sit sted. Og det stod klart, at B-cytrokromet ikke lå i plasmamembranen. Det lå i granula."

^{Granula er vesikler (blærer), der indeholder stoffer, der kan udskilles, når der er behov for det.
Neutrofile granulocytter indeholder nedbrydende enzymer, de fosinofile indeholder vævstoksiske proteiner, mens basofile granulocytter og mastceller indeholder histamin, heparin og serotonin, stoffer der alle angriber og forsøger at nedbryde bakterier, virus, parasitter og andre fremmedlegemer.}

Intereressen for granulocytter vokser 
"At membranen om granula var interessant, det var helt nyt," fortsætter Niels Borregaard. "En stor del af min forskning har vist, at når granulocytterne cirkulerer rundt i blodet ligger en væsentlig del af kommunikationen fra cellerne ikke i overfladen. Granulocytterne er jo nogle potentielt set meget farlige celler. De må først aktiveres, når de er gået ud gennem karvæggen til inficeret væv. Min forskning har vist, at der dels er mange forskellige typer af granula, dels de vesikler, der indeholder alle de interssante receptorer. De bliver lynhurtigt mobiliseret, næsten lige så hurtigt som en nervecelle transmitterer, når granulocytten går fra blodbanen ud i vævet, og granulaerne kommer ud, kommunikerer med omgivelserne og modtage signaler om hvor den skal gå hen."

Niels Borregaard's arbejde har vist, at karvæggen aktiverer granulocytterne. Hvis væv bliver angrebet af fremmedlegemer, sender karvæggen nogle små fangearme ud, der griber granulocytterne, og trækker dem ud af blodbanen. Granulocytten er så praktisk indrettet, at den først aktiverer de proteiner, der hjælper den gennem karvæggen - først derefter kommer mikrobe-bekæmpelses-molekylerne ud.

"At beskrive hele det store maskineri, har været en del af vores forskning," fortæller Niels Borregaard.

Blod er et flydende organ
Da han havde arbejdet på infektionsmedicinsk afdeling, og skrevet sin disputats umiddelbart efter endt uddannelse i 1978, kom Niels Borregaard i turnus på Hæmatologisk Afdeling på Århus Amtssygehus.

"Her havde patienterne infektioner og sygdomme i de celler, jeg beskæftigede mig med," fortæller han. "Det var der, jeg virkelig blev fascineret af faget. Du kan hos leukæmipatienter tage en blodprøve og reelt se sygdommen, som syge celler. Det kan du ikke med fx en hjertesyg patient. Du kan ikke tage hjertet ud. Hæmatologien har den fordel, at sygdommene er i et flydende organ, som du kan tage lidt af. Derfor har hæmatologien også været det felt, som cellebiologien har udviklet mest i retning af at forstå sygdomme. Det første sikre bevis på en molekylær defekt som basis for en cancersygdom, var da man viste, at Philadephia-kromoset var årsagen til kronisk myeloid leukæmi (CML). Det første direkte målrettede præparat, hvor man angriber den tilgrundlæggende biokemiske defekt som fremkalder en sygdom, er i hæmatologien. Imatinib hæmmer den tyrosin-kinase, som er for aktiv i patienter med CML."

Det medfødte immunforsvar indeholder antibiotiske peptider
Under opholdet i USA, blev det klart for Niels Borregaard, at hans store interesse lå indenfor cellebiologien. Men faget eksisterede ikke selvstændigt, som fx biokemi, fysiologi og anatomi, så han valgte pionervejen og har fulgt den lige siden.

"Mens vi i forskningen ledte efter proteiner vi kunne bruge som biomarkører, opdagede vi flere proteiner, som tilfældigvis viste sig at være antibiotiske peptider," forklarer Niels Borregaard. "Det var et rimeligt uopdaget felt, selvom det er det eneste immunforsvar hos de primitive encellede organismer og insekter. Det største fokus har været på det adaptive immunsystems T- og B-celler. Men i virkeligheden står det innate forsvar bag langt hovedparten af det immunologiske arbejde, mens det adaptive bygger ovenpå. Og så er det ikke mindst interessant, fordi det innate er urgammelt, men stadig virker."

De antibiotiske peptider virker stadig efter millioner af års udvikling
Amerikanske Michael Zasloff var blandt de første, der i 1980'erne identificerede et antibiotisk peptid. I dag har forskerne fundet mange flere, men de har alle den samme overordnede struktur, i et område er de stærkt positivt ladede, i et andet stærkt hydrofobe.

"Mikroorganismers overflade er mere negativt ladet end vores eukarote celler," fortæller Niels Borregaard. "Blander du vores celler med mikroberne, så tiltrækker mikroberne de antibiotiske peptider, hvis hydrofobe overfladedel derefter laver huller i mikroorganismernes hydrofobe overflader, så de dør." At denne medfødte forsvarsmekanisme stadig virker efter millioner af år skyldes, at det er vanskeligt for fx bakterier af evolvere og mutere sig i sikkerhed for peptiderne. Overfladen på en prokaryot celle er så grundlæggende, at bakterien skulle ændre hele sin forsforlipidsammensætning for at opnå beskyttelse, og skal overflademembranen ikke være hydrofob, så skal hele membranstrukturen laves om.

"Antibiotiske peptider er ganske geniale og der findes mange tusinde forskellige slags i arter på Jorden," fortæller Niels Borregaard. "Alle med samme overordnede struktur - stærkt positivt ladet og stærkt hydrofobe. "

Granulocytterne stimulerer vævet til selv at producere antibiotika
Niels Borregaard og hans kolleger fandt det første humane eksempel på et antibiotiske peptid indenfor den gruppe, der hedder cathelicidiner. Og gjorde samtidig en bemærkelsesværdig opdagelse.
Når først granulocytten er begyndt at aflevere sine stoffer til område af kroppen med inficeret væv, så begynder vævet set af producere de antibiotiske peptider i meget store mængder.

"Det var virkelig en øjenåbner for os, at epitelcellerne i en betændelsessituation kan få en helt anden profil, end under normale, raske omstændigheder," fortsætter Niels Borregaard, hvis forskning i dag bl.a. drejer som om at forstå, hvordan granulocytten pakker de fire forskellige typer granula med de korrekte proteiner. "Udover at danne hvide blodlegemer producerer knoglemarven også en lang række proteiner.  Nogle af dem bliver pakket ind i granulocytten, men nogle af dem bliver ikke pakket særlig effektivt,  så de kan sive ud af cellen. Hvad regulerer disse mekanismer? Det er det samme konceptuelle område jeg beskæftiger mig med, hvad enten jeg sidder her på laboratoriet eller taler med en leukæmipatient på klinikken."

Vinrøde krystaller afslørede jernbindende protein
Et andet forskningsområde drejer som om jern.
Niels Borregaard's forskergruppe havde opdaget et granulaprotein, der tilhører en gruppe af transportproteiner kaldet lipocaliner, og kaldte det NGAL - neutrophil gelatinase-associated lipocalin.
Men i første omgang kunne de ikke finde proteinets funktion i kroppen.
Blev proteinet lavet som krystaller i insektceller var det farveløst, men blev de fremstillet i E-coli, var de vinrøde. "Farveforskellen skyldes, at proteinet havde bundet jern når det blev lavet i E.coli, og dette afslørede en ny forsvarsmekanisme mod mikroorganismer," fortæller Niels Borregaard.

Vores planet Jorden består af 32 % jern, alligevel lider en tredjedel af alle mennesker af jernmangel. Dette grundstof indgår hurtigt forbindelser med andre elementer, og med mindre det er opløseligt, kan organismen ikke bruge det, så derfor genbruger kroppen en stor del af sit jern.

"Vi har proteiner i kroppen, der binder jernet, som findes i både modermælken og granulocytten," forklarer Niels Borregaard. "Alle celler - dvs også mikroorganismer - skal have jern for at dele sig. Bakterier kan lave nogle små molekyler, der binder jern og som derfor er afgørende for deres overlevelse - siderophorer. Falder mængden af jern i bakteriernes omgivelser, så begynder de at danne siderophorer, som så at sige river jernet ud af andre forbindelser. I dag bruger vi siderophorer til at behandle patienter, der på grund af transfusioner eller medfødte defekter (fx hæmachromatosis) har for meget jern - det er en toksisk tilstand, som kan medføre diabetes, leversvigt og hjertesvigt."

NGAL bekæmper bakteriernes jernoptag
Niels Borregaard og kollegerne opdagede nu, at det NGAL-protein, hvis funktion havde været en gåde, bandt bakteriernes siderophorer. Og dermed forhindrer de bakterierne i at optage jern fra omgivelserne, så de ikke kan formere sig infektionen går i stå.

"Vi kan helt tydeligt vise det i knock-out mus og in vitro," forklarer Niels Borregaard. "NGAL stopper bakteriernes vækst. Vores kroppe danner selv proteinet, og bliver vi inficeret med bakterier, så producerer epitelcellerne NGAL, som forhindrer mikroberne i at stjæle jern fra vores celler."
Men det betyder på den anden side, at mennesker, der lider af kroniske infektioner får anæmi, blodmangel. Og her hjælper det ikke at indtage mere jern - kroppen beskytter sig mod infektionen, ved at forhindre fx bakterier i at optage det fra vores celler, men det betyder samtidig, at jernet ikke kan indgå i kroppens eget genbrug.

Fremtidens udfordringer
Som Niels Borregaard ser verdnen, så er den største udfordring i dag at implementere den nye viden i den kliniske hverdag.
"Vi kan desværre næsten aldrig sige til patienterne, at denne behandling virker 100 %. Ofte er den 80 % effektiv, men hvad er årsagen? Hvis vi går i dybden med messenger-RNA-profiler, så viser det sig, at sygdomme som patologisk set ser ens ud, alligevel ikke er helt ens. Det er ikke længere patologer, der skal lave diagnosen - det er bio-infomatikere," slutter Niels Borregaard.

Hæmatologisk Klinik >
Institut for Kirurgi og Intern Medicin >