Vetenskapen om slem

Katharina Ribbeck har hört varje slem, booger och loogie-skämt i boken. Men hennes forskning om slem avslöjar att det är ett tekniskt underverk - och en kritisk försvarslinje i immunsystemet. Förbi

• Anne Trafton arkivsida

19 december 2018

Snor. Boogers. Slem. Goo som droppar från näsan när du är förkyld. Oavsett vad man kallar det så har slem ett dåligt rykte som en obehaglig restprodukt, ett tecken på sjukdom.

Men trots sin höga ick-faktor utför den slemmiga substansen en anmärkningsvärd mängd vitala funktioner. När allt kommer omkring täcker det mer än 200 kvadratmeter av våra kroppar – från våra munnar till matsmältningssystemet, urinvägarna, lungorna, ögonen och livmoderhalsen. Det smörjer och återfuktar, låter oss svälja, bestämmer vad vi smakar och luktar och filtrerar selektivt näringsämnen, gifter och levande celler som bakterier, spermier och svampar. Det är verkligen en fantastisk barriär, säger Katharina Ribbeck, docent i biologisk teknik. Det tillåter oss att integrera näringsämnen; det skyddar oss från patogener. Det är också ett stort hinder för läkemedelstillförsel. Men vi har ingen aning om hur det fungerar.

Ribbeck och hennes elever är ute efter att ändra på det. Genom att studera denna klibbiga hydrogel hoppas hon kunna ta fram nya sätt att diagnostisera och behandla mänskliga sjukdomar. Det finns mycket information om vår hälsa i slem, säger hon. Vårt mål för de kommande åren är att utnyttja denna underutnyttjade källa till bioinformation och använda den.

En mästare för slem
Ribbeck hade från början inte för avsikt att fokusera sin forskning på slem. Vid universitetet i Heidelberg i Tyskland studerade hon biologi och biokemi och under sitt sista år gick hon till University of California i San Diego för att arbeta med sin diplomuppsats i neurobiologi. När hon återvände till Heidelberg för gymnasiet började hon studera kärnporens biologi - en kanal som reglerar kommunikationen mellan en cells kärna och resten av cellen.

Slem, säger hon, var aldrig på min radar i gymnasiet. Men precis som slem fungerar kärnporer också som selektiva barriärer: de tillåter vissa partiklar att passera samtidigt som de blockerar andra.

Efter att ha avslutat sin doktorsexamen planerade Ribbeck att starta en forskargrupp i Tyskland och fortsätta sina studier av kärnporen. Men så föreslog en vän vid Harvard Medical School att hon skulle arbeta ett år i hans labb. Det är saker du inte gör som du ångrar, säger hon. Så jag bestämde mig för att åka dit i väntan på ett intressant men inte riktigt livsförändrande år.

Medan han tillbringade 2007 som gästforskare där, fick Ribbeck höra om ett Harvard-stipendium som skulle ge ett labb, startfinansiering och status som oberoende utredare. Fångsten? De sökande var tvungna att föreslå en ny studieinriktning.

Slem var inte väl studerat då, men det var känt för att spela en nyckelroll för att upprätthålla hälsan. Ribbeck gjorde ett argument för att starta ett slemlabb – och fick stipendiet.

Tidigt under sin tid på Harvard insåg hon att studiet av slem skulle dra nytta av den expertis och verktyg som utvecklas vid MIT:s institution för biologisk teknik – inom vävnadsvetenskap och teknik, mikrofluidik och mer. Hon började på fakulteten 2010 och fick anställning 2017.

Jag blev direkt imponerad av den kraftfulla gnistan av kreativitet Katharina uttryckte, säger Douglas Lauffenburger, avdelningens chef. Ämnet för hennes forskningsintressen verkade till en början ganska märkligt, men hennes uttalande av dess breda betydelse inom mikrobiologi och medicin, och av hennes mål att förstå det i grunden på sätt som kunde leda till design av värdefulla teknologier, var djupt övertygande.

Avvärja infektion
Bland de fenomen Ribbeck har undersökt är att slem är mycket framgångsrikt för att tämja normalt patogena mikrober. Fram till nyligen trodde forskare att detta helt enkelt berodde på att det fungerade som en mekanisk barriär som fångar bakterier och andra patogener. Ribbecks arbete har dock visat att slem spelar en mycket mer nyanserad roll.

De primära byggstenarna i slem är muciner - långa, flaskborstliknande proteiner med många sockermolekyler som kallas glykaner fästa. Och muciner, upptäckte Ribbeck, stör faktiskt många nyckelfunktioner hos infektiösa bakterier. I närvaro av muciner nedregleras egenskaperna som gör dessa patogener virulenta avsevärt, säger hon. Det inkluderar utsöndring av toxiner, förmågan att prata med varandra och förmågan att fästa på cellulära ytor.

Med dessa krafter avstängda kan bakterier inte längre kolonisera på en yta för att bilda ihållande slemmiga lager som kallas biofilmer, som tenderar att vara mer skadliga än cellerna är individuellt: de kan orsaka ett brett spektrum av hälsoproblem, inklusive tandhålor och sår, och kan visa sig vara dödlig för personer med cystisk fibros.

Ribbecks labb tog reda på detta genom att rena slem från en grismage för att isolera ett mucin som heter MUC5AC, som är relaterat till ett som finns i människans luftvägar och mage. Forskarna skapade sedan tredimensionella matriser med och utan mucin och infogade infektiösa bakterier som kallas P. aeruginosa i både. Bakterierna i matrisen utan MUC5AC fäster vid ytan av matrisen och bildar täta biofilmer. I MUC5AC-matrisen bildades inga biofilmer. Men när forskarna raderade en gen i bakterierna som gjorde det möjligt för dem att fortsätta röra sig, hittade de något intressant: de smittsamma bakterierna i MUC5AC-matrisen klumpade ihop sig och efterliknade materialet som byggs upp för att producera onormalt tjockt slem i cystisk fibros. Vad det betydde, fann Ribbeck, var att även om mucin fångar saker som damm och andra inandade partiklar, gör det i fallet med bakterierna motsatsen och håller dem i rörelse så att de inte kan bilda biofilmer. Hennes grupp fann att samma sak gällde med andra typer av mikrober, inklusive Candida .

Ribbecks forskning visade också att glykaner - de komplexa sockermolekylerna i mucin - är nyckeln till dess förmåga att förhindra patogener. Det hade antagits att deras primära roll var att göra mucinpolymerer styva, och hennes labb och andra hade isolerat glykaner för att räkna hur många olika typer det fanns. Muciner, visar det sig, innehåller hundratals olika glykaner. Men utöver att räkna dem jämförde Ribbeck också glykanerna i mucin i olika delar av kroppen - och började undersöka vad de faktiskt gör. Genom att jämföra naturliga muciner med muciner som fått sina glykaner borttagna upptäckte hon att dessa sockerarter är avgörande för mucins förmåga att stöta bort bakterier och förhindra dem från att fästa på ytor. Till en början förvånad över detta fynd, insåg hon att glykaner i bröstmjölk fyller en liknande funktion, och hjälper spädbarn att hålla sig friska genom att fungera som lösliga receptorer som i huvudsak distraherar intagna patogener och hindrar dem från att fästa där de kan orsaka infektion. På ett sätt, säger hon, är slem som bröstmjölk för vuxna.

Ribbeck undersöker nu de specifika funktionerna hos de hundratals glykaner som har utvecklats för att interagera med och inaktivera olika patogener på en mängd olika sätt. Hon tänker på muciner som innehåller ett stort bibliotek av olika molekyler som står redo att checkas ut för att engagera vilka mikrober som helst, oavsett om de är virus, bakterier, svampar eller parasiter. Tänk så vackert det är, säger hon.

Ingenjörer har länge varit intresserade av att designa material som efterliknar slem, till stor del för dess smörjande förmåga. Men de spännande antimikrobiella egenskaperna som Ribbecks labb har avslöjat har fått många forskare att börja arbeta på syntetiska versioner av muciner för möjlig användning för att behandla eller förebygga infektionssjukdomar. Vissa preliminära studier från Ribbecks labb tyder på att muciner effektivt kan behandla sår infekterade med bakterier som är resistenta mot traditionella antibiotika.

Ett diagnostiskt verktyg
Ribbecks labb analyserar också hur klibbighet och andra biofysiska egenskaper hos slem förändras under sjukdom , vilket kan hjälpa forskare att upptäcka biomarkörer som kan användas för att diagnostisera många olika sjukdomar. De senaste åren har hon publicerat studier som visar att förändringar i livmoderhalsslemmet hos gravida kvinnor kan avslöja deras risk att gå i förlossning för tidigt.

Mer än 10 % av bebisar som föds över hela världen anländer före full termin, definierat som 37 veckors graviditet, men det hade inte funnits något tillförlitligt sätt att förutsäga för tidigt värkarbete. I hopp om att komma med en användbar prediktor analyserade Ribbeck de kemiska och mekaniska egenskaperna hos livmoderhalsslem. Hon har funnit att slem från kvinnor med hög risk för tidig förlossning är mekaniskt svagare, mer elastiskt, mer permeabelt och mindre vidhäftande. För tidig födsel kan inträffa eftersom livmoderhalsslemmet är mer mottagligt för invasion av mikrober som kan orsaka infektion.

Andra tillstånd som förändrar slem inkluderar matsmältningssjukdomar som Crohns och ulcerös kolit, såväl som luftvägssjukdomar. Diagnostikens heliga graal, säger Ribbeck, är att koppla förändringar i salivsammansättningen med sjukdomar som påverkar slemhinneytor i hela kroppen.

Om du har avvikande slemproduktion i munnen finns det en chans att det stämmer för andra delar av kroppen, säger hon. Så vi kanske kan plocka upp, från saliv, sjukdomstillstånd på avlägsna slemhinneytor. Det kommer att bli väldigt spännande, för det är naturligtvis icke-invasivt men ändå informativt.

Grossologi 101
Ribbeck säger att hennes forskning är ett naturligt ämne av intresse för barn, som hon drar nytta av för att få dem entusiastiska över vetenskap. På Grossology sommarsessioner som erbjuds på Bostons Museum of Science, lär hon och hennes elever grundskole- och mellanstadieelever hur man gör polymernätverk, med hjälp av slem som valmaterial. Barnen lär sig också om slems unika barriäregenskaper och varför det känns så slemmigt.

Avsikten här är att verkligen introducera ett område för kommande generationer, så att de växer upp med att förstå att slem inte är en avfallsprodukt. Det är en integrerad del av vår fysiologi och en riktigt viktig del av vår hälsa, säger hon.

Hon arbetar också på en barnbok med en karaktärsskiftande karaktär gjord av slem i huvudrollen, som lyfter fram de många rollerna som den spelar i våra kroppar.

Barn är verkligen fascinerade av slem, och jag tror att en del av den fascinationen kanske inte försvinner för vuxna, säger Ribbeck. Det andra som gör det spännande för så många människor, inklusive mig själv, är ett element av överraskning när man hittar så utsökta och eleganta konstruktionsdelar i något så vanligt som slem.

Dölj