En vanlig dag på jobben

Nå nærmer det seg ferie for mange av oss, og ferietid er tid for å møte igjen venner og familie og oppdateres på sivilstatus, jobb og andre ting som kan ha endret seg siden sist sommer. Som forsker kan akkurat jobboppdateringen være litt kronglete, siden vi ofte fordyper oss i smale områder. Når jeg sier at jeg jobber i en gruppe som vil finne ut hvordan det syke hjertet skiller seg fra det friske, og hvordan trening kan påvirke det syke hjertet til å bli friskere, er alt såre vel. Men å svare på hvordan vi gjør dette, kan by på utfordringer. Som ledd i ferieforberedelsene i år, vil jeg gi et eksempel på hvordan en dag i 3. etasje på CERGs laboratorier kan fortone seg.

Forsker Kari Jørgensen på laben på CERG.

Akkurat denne dagen skal jeg se på de elektriske egenskapene til atrievevet (vevet i hjertets forkammer) og til enkeltcellene i atriet i et rottehjerte med diastolisk hjertesvikt, en type svikt som gjør at hjertet ikke virker som det skal i hvilefasen. Før vi har kommet til dagens forsøk, har mange vært involvert i ulike deler av studien. Anne Marie og Natale har gjort ultralyd av hjertet til dyrene annenhver uke den siste tiden for å se om de har utviklet diastolisk svikt. Når en rotte har fylt kriteriene for svikt ut fra ultralyden, har Toril undersøkt trykket i hjertet helt på slutten av hvilefasen, og Vegard og jeg har målt hvor lett eller vanskelig det er å indusere atrieflimmer hos rotta. Etter dette, vil vi undersøke hjertet og cellene i hjertet på flere andre måter, som ikke er mulig å gjøre i det levende dyret.

Les også: Hvordan jobber en hjerteforsker?

Kl 08.20:

Forberede forsøk ved å blande løsninger som ligner blodet som sirkulerer rundt i kroppen. Rigge opp utstyr for å henge opp hjertet slik at løsningene kan renne gjennom hjertet så naturlig som mulig, og sette opp elektroder for å måle elektriske impulser i hjertet, blant annet EKG.

Kl 10.20:

Når alt av utstyr og løsninger er klart, går vår eminente ingeniør Ragnhild ned på dyrestallen for å ta ut hjertet fra det syke dyret. Når hjertet er ute, må alt skje fort, og dette er det mest kritiske punktet i forsøket. Jeg løper så fort jeg kan opp til riggen på labben, og får koblet hjertet til den sirkulerende blod-løsningen. Etter hvert som den kroppstempererte væsken pumpes gjennom hjertet begynner det å slå igjen, og det er alltid like fascinerende å se et hjerte som slår i «løse lufta». Grunnen til at hjertet kan slå av seg selv uten å være i kroppen til rotta, er at det har en egen innebygget pacemaker som sender signaler til hjertecellene om å trekke seg sammen. Men jeg vil ikke at det skal slå under forsøket mitt, for da kan jeg ikke gjøre de målingene jeg skal, så jeg tilsetter et stoff som får hjertet til å slutte å slå, samtidig som de elektriske impulsene i hjertet virkePicture4r som normalt. Jeg setter to EKG elektroder direkte på hjertet for å kunne se på en skjerm om hjertet for eksempel får flimmer, selv om det ikke rører på seg. Jeg kan også måle slagfrekvensen til hjertet, som er mye høyere hos en rotte enn hos et menneske, og som kan endre seg med sykdom.

 

Les også: Lab animals – what can they tell us about human health

10.45:

Nå begynner selve forsøket. Jeg setter et lite måleinstrument på venstre forkammer. Instrumentet har tre par elektroder, ett par som sender et signal til hjertecellene om å trekke seg sammen (som en slags ekstern pacemaker), og to par som måler hastigheten til signalet gjennom hjertevevet. I det syke hjertet jeg undersøker i dag, ser hastigheten ut til å være lavere enn i et friskt hjerte. Dette er helt naturlig, siden et sykt hjerte både kan ha arrvev og være unaturlig forstørret, begge deler vil føre til at signalene går saktere gjennom hjertet og gjøre det mer mottagelig for f.eks. flimmer. Jeg gjør også noen andre målinger for å se hvor raskt cellene kan være klare til å trekke seg sammen igjen etter forrige gang (refraktærtiden). I dette syke hjertet ser tiden ut til å være kort, det vil si at cellene kan stimuleres på nytt selv om de ikke er helt ferdige med forrige sammentrekning, noe som også kan føre til flimmer og ufullstendig tømming av forkamrene inn i hjertekamrene. Etterpå gjentar jeg målingene på høyre forkammer.

11.15:

Nå går jeg over til å måle de elektriske impulsene fra enkeltceller i atriene. Jeg bruker varme for å lage en ekstremt tynn spiss på et tynt glassrør som jeg fyller med saltløsning (som leder strøm), og så stikker jeg denne nåla inn forskjellige steder i atriet (styrt av en joystick) mens jeg har en annen elektrode stående fast på hjertet, slik at jeg kan måle endringer i spenning mellom de to elektrodene. Jeg stikker i blinde, for jeg kan ikke se hvor cellene er inni atriet, og ofte treffer jeg områder med bindevev og årer, men så plutselig faller spenningen, og jeg kan se aksjonspotensialer, signaler som hjertecellene kommuniserer via, og som i tillegg får cellene til å trekke seg sammen. Signalet spres raskt mellom cellene i vevet, som gjør at cellene trekker seg sammen omtrent samtidig, og at hjertet derfor trekker seg sammen som en enhet. Hvis signalene blir forstyrret og ikke spres slik at cellene trekker seg sammen samtidig, blir både fylling og sammentrekning i hjertet dårligere.

Picture1Jeg måler aksjonspotensialer fra så mange celler jeg klarer å finne, det er en skikkelig tålmodighetsprøve. Det er vanskelig å finne cellene uten å se hvor de er, og enda vanskeligere å få god nok kontakt til å få pålitelige og gode målinger. Men det er så gøy når jeg først får en god celle at det overskygger all tiden som går med til å lete etter dem. Og aksjonspotensialene kan fortelle oss mye om tilstanden til hjertet. Vi kan se hvilke ioner som går inn og ut av cella (kalsium, natrium og kalium dominerer i hjertecellene), og som til syvende og sist styrer sammentrekningen til enkeltcellene og dermed hele hjertet. Vi kan se om det er noen forstyrrelser i ionestrømmene som følge av hjertesykdom, som kan gi oss pekepinn på hvor man kan gå inn og behandle en sykdom på cellenivå.

Vi kan også se om trening påvirker forstyrrede ionestrømmer til å bli normale igjen, og hvilke ionekanaler som er involvert. Dette kan igjen gi grunnlag for å finne nye medisiner som kan virke på samme gunstige måte som trening.

Les også: Optimex – en unik studie om trening som medisin

14.00:

Nå må jeg avslutte forsøket med de cellene jeg har klart å måle fra. Jeg veier hjertet, dissekerer det, veier og legger forkamrene og hjertekamrene på formalin, for å kunne studere eventuelt arrvev senere. Så legger jeg forskjellige vevsprøver Ragnhild har tatt ut og lagt på flytende nitrogen i en fryser som holder -80 °C, for senere undersøkelser.

15.00:

Tid for opprydning og vask av utstyr, så alt er klart til nytt forsøk i morgen. Jeg tar også en tur ned til dyrestallen for å se til dyrene i studien. De blir godt passet på av både dyrepassere og veterinær. Jeg vil også analysere funnene fra i dag, og er spent på hva diastolisk hjertesvikt har gjort med de elektriske egenskapene til hjertecellene.

Kari Jørgensen, postdoktor ved CERG

Greetings from guest researcher Kassia

kassiaFor the past 2 weeks I have been lucky enough to have the opportunity to visit NTNU from The University of Queensland, Brisbane, Australia by the generous bequest of the Alf Howard Travel Scholarship from the School of Human Movement Studies. I’m currently in the 3rd year of my PhD at UQ under the supervision of Professor Jeff Coombes. One of my studies in high intensity interval training in chronic kidney disease patients will stand to benefit greatly from observing the research techniques used by the CERG team, with their vast experience in the field of high intensity exercise in chronic disease populations. Here I have learnt how to perform mitochondrial respiration, which will hopefully provide additional insight into the pathogenesis of the muscle atrophy that occurs in chronic kidney disease patients, and whether or not this can be ameliorated with exercise training. I have learnt so much from my time here at NTNU, in not only the mitochondrial respiration techniques but also in many other aspects, such as the lab work with the rats and the testing and training of Generation 100 patients. Now I have experienced how fit the ‘oldies’ are here in Norway I know I have to work extra hard to get the Aussies up to their level! Thanks to everyone who I have met for not only sharing their expertise over the last 2 weeks but also for their kindness and friendship. I look forward to my next trip back to Trondheim!

Kassia Weston, PhD candidate from the University of Queensland

Lab animals – what can they tell us about human health?

TV news very often show us breakthrough discoveries that scientists have made in lab animals. Novel surgical procedures for organ transplantation, new drugs to prevent obesity and therapies to improve memory are commonly developed in small animals and are claimed to open new roads towards the cure for human diseases such as diabetes and Alzheimer’s. But can hopes be raised so high when discoveries are made in such small creatures? Does it really lead to new treatments in humans?

The answer is a big YES. The first reason for that is the fact that small animals and men are much more alike than it appears. For example, the human genetic material is so similar to rats’ that more than 90 % of the human genes have their counterparts in rats. Further, most organs have extremely similar shape and function in rodents and humans, making such tiny animals a really good tool to help understanding how human physiology works, and consequently serve as an important first step towards development of new drugs and non-pharmacological therapies to treat human diseases.

Rat face closeup on black backgroundSuch rationale is called the “bottom-up approach” – when research starts in small model organisms and progresses to applicable knowledge in large human populations. This idea has generated outstanding medical advances. Here comes a few examples:

  • In 1914, John Abel showed that rabbit blood could be filtered outside the body and be returned safely to the animal. This discovery was used to develop hemodialysis techniques that are used to treat patients with kidney failure.
  • Later in the 1920s, Frederick Banting realized that some substance of the blood from normal dogs was able to keep diabetic dogs alive. This substance was later identified as insulin, which is used to treat type 1 diabetes.
  • Forty years later, Albert Starr refined cardiac surgical procedures in pigs. His technique is still used nowadays in more than 300.000 human patients every year.

So, what does this have to do with CERG? Well, actually quite a lot, because we have also been using the “bottom-up” approach in order to better understand and treat cardiovascular diseases, and there are quite nice stories to count. Ten years ago, CERG research showed that high-intensity training improved heart function in rats with cardiac problems. This and other studies in animal models supported the idea of training cardiac patients in high-intensity protocols, which was condemned by physicians a few years back. The trained rats also showed tremendous enhancement of the molecular machinery inside the heart cells, which was the reason for the cardiac improvements. Then, some time later, another study by CERG showed that heart failure patients had larger improvements with high-intensity training than with moderate-intensity. And finally, last year our group observed that the cardiovascular risk of performing high-intensity training is low for cardiac patients, even when a large population is considered, concluding a successful cycle of “bottom-up” research.

IMG_5683An equally nice story was also built in regard to training for treatment of metabolic syndrome, when CERG researchers showed that high-intensity training improved cardiovascular parameters in small animals and then human patients with metabolic syndrome.

Our next step in this journey is to discover the genes responsible for the “natural runners” – the people with high aerobic fitness even without any training. For that, we are joining molecular data from “natural runner” rats and genetic information from humans (the HUNT fitness study). Through this, we are aiming to unveil the differences in cardiac genes between high- and low-capacity runners. We even want to provide novel biomarkers for aerobic fitness, which could be used to predict future cardiovascular health or treat cardiac problems.

From a wider perspective, the focus in CERG is improving people’s cardiovascular health, and training is our main tool. That is why we dig so deep on understanding all the aspects of exercise, from its effects in the general population to invisible mechanisms inside the cardiac cells. The path we’re taking is long and bumpy, but the future is hopefully bright!

Jose Bianco Nascimento Moreira, PhD candidate at CERG.