Solumme kommunikoivat keskenään, ja niissä olevat rakennusaineet vaikuttavat kehomme muotoutumiseen, kasvamiseen ja toimimiseen.
Entäpä jos tulevaisuudessa olisi mahdollista kloonata solu, ja tuottaa diabetespotilaalle hänen solunsa avulla kokonaan uusi haima?
Oulun yliopiston kehitysbiologian professorin Seppo Vainion mukaan lääketiede pyrkii tähän paraikaa. Nopeasta kehityksestä huolimatta kudostekniikoiden luomisessa kestää vielä.
Solujen kommunikoinnin tutkimiseen erikoistunut Vainio esitelmöi aiheesta perjantaina 24.11. Kontinkankaan kampuksella Tekniikan päivillä.
Tekniikan päivät on kansantajuinen, tekniikkaa ja luonnontieteitä esittelevä tiedetapahtuma. Tänä vuonna tapahtuman teemana on terveysteknologia. Syksyn aikana Tekniikan päivät on jo järjestetty Otaniemessä (29.9.), Turussa (2.–4.11.) ja Tampereella (10.–11.11.), ja nyt tapahtuma järjestetään Oulussa (24.–25.11.).
Elämän aakkoset
Tutkimuksensa jo 1980-luvulla aloittanut Vainio kertoo, että solujen keskustelukielestä on saatu paljon tietoa viimeisen kolmenkymmenen vuoden aikana. Vielä hänen uransa alussa ei vielä tiedetty, millaista kieltä solut käyttävät kasvun ja erilaistumisen säätelyn ohjaamiseen.
Nyt Vainio puhuu kehon arkkitehtuurista, joka on yksi suurimpia avoimia kysymyksiä biologian ja lääketieteen aloilla. Hänen mukaansa jokainen ensimmäistä lastaan odottava perhe havahtuu viimeistään silloin ihmettelemään tätä uuden yksilön kehitystapahtumaa, sitä, miten lapsi kehittyy ja mitkä asiat ohjaavat kehitystä.
Vainio kertoo hänen tutkimusryhmänsä tutkivan uutta solujen kieltä, jonka hän kuvailee koostuvan ”elämän aakkosista”.
Hän hahmottelee solujen tuottamia pieniä palloja viesteiksi, joissa on klassisten geenien lisäksi myös aktiivisen tutkimuksen kohteena olevaa ”genomin pimeää ainetta.”
”Luultiin todellakin, että ihminen muodostuisi yksinomaan geeneistä, jotka tuottavat elimistömme proteiinit, kuten entsyymit, ja jotka mahdollistavat kemialliset reaktiot kehossamme.”
Ihmisen genomin määrittämisen myötä tutkijoille valkeni, että tällaisia klassisia geenejä on vain kaksi prosenttia DNA:n eli perimän kaikesta tiedosta, ja loput 98 prosenttia miellettiin genomin pimeäksi aineeksi.
Solujen nanoviestien kieli apuna syöpätutkimuksessa
Vainion mukaan tutkijoiden tulokset ovat osoittamassa, että solut keskustelevat suoraan solujen erittämien molekyylien avulla.
Viime vuosina on käynyt ilmi, että soluilla on korkeampi kommunikaation hierarkia: ne pakkaavat viestipalloja, jotka ovat solun käyttäytymisen ohjelmointipaketteja.
Vainio kuvailee solupalloja repun kaltaiseksi: Kuten reppuun, myös solupalloihin solu voi pakata erilaisia asioita. Repun avulla solun molekylaarinen sisältö voi kulkea kauas lähtöpaikastaan.
Solupallot voivat lähteä liikkeelle esimerkiksi munuaisesta ja päätyä toiseen elimeen, kuten maksaan, vapauttaen samalla pallon solujen käyttäytymistä säätelevän sisältönsä kohdesoluihin.
Perimän pimeän aineen geenit säätelevät myös toisiaan ja proteiinia tuottavia geenejä, joita Vainion mukaan voi kutsua minigeeneiksi. Tällainen solujen kielen säätelytaso toimii myös elimen kehitysprosessissa. Nämä löydökset ovat avanneet uuden lehden solujen käyttäytymisen tutkimuksessa.
Tätä nanoviestien sisältämää kieltä voidaan tutkia sekä terveissä että sairaissa soluissa, kuten syöpäsoluissa. Vainio kuvailee syöpäsolujen tuottamia reppuviestejä tavallaan troijan hevosiksi, joita syöpäsolu tuottaa ja nämä hevoset levittävät syöpää muualle elimistöön.
Solujen nanopalloviestejä voi pitää myös eräänlaisina elämän ohjelmointipalloina, niiden sisältäessä muun muassa useita minigeenejä. Vainion mukaan solujen tuottamia nanoviestipalloja on veren lisäksi myös muissa kudosnesteissä, kuten hiessä. Tämän vuoksi nanopalloviestien avulla on mahdollista kehittää oleellisia uusia terveyteen ja hyvinvointiin liittyviä seurantalaitteita.
Vainion tutkimusryhmä onkin kehittämässä pikatestejä yhdessä VTT:n ja Printocentin kanssa. Nanopallot eli eksosomit kuljettavat elimistössä monipuolisesti elimistön toiminnan koordinointiin liittyviä molekyylejä.
Näitä ovat sekä DNA, RNA, proteiinit (entsyymit), sokerit, rasvat ja metaboliitit. Näitä tekijöitä monitoroidaan sairaaladiagnostiikassa pääsääntöisesti verestä ja nämä tekijät toimivat sairaudenkin biomerkkeinä.
Solupallot apuna sairauksien ennaltaehkäisemisessä
Vainio pitää lääketieteen suurena missiona sairauksien ennaltaehkäisemistä: Tutkimuksen avulla ihmisestä opitaan lisää, jolloin sairauksien syntymisen ehkäiseminen onnistuu jatkossa paremmin.
Useimmat ihmiset kuitenkin elävät elämäänsä ilman aktiivista seurantaa, ja moni hakeutuu hoitoon ja tutkimuksiin vasta sairastumisen jälkeen.
”Jospa ihminen huolehtisi itsestään kuin autostaan, kun autoa käytetään katsastuksessa vuosittain, jossa tarkistetaan tulppien kunto, renkaat, jouset ja jarrut. Samanlaisella tarkastuksella ihmiset saattaisivat välttyä tautien kroonistumiselta.”
Vuosittaiset katsastukset ihmisille veisivät paljon terveydenhuollon resursseja. Vainion mukaan sairaalat ovat jo nyt kuormittuneita ihmisistä, jotka ovat elintapojensakin perusteella ”kehittäneet sairauttaan vuosikymmenien ajan.”
Vainio ehdottaa, että yhteiskunnan varoja voisi pyrkiä säästämään jalkauttamalla terveyden seuraamista koteihin ja kouluihin. Solujen viestintäpallot tarjoavat myös mahdollisuuden diagnostiikkaan, mutta tätä varten tarvitaan biomerkkien tarkempaa analyysia ja tekniikoiden kehittämistä.
Vainio visioi, että tulevaisuudessa nanopallojen avulla ihmiset voisivat tehdä kotonaan tai työpaikalla pikatestejä, ja kytkeä sitten tulokset mobiiliteknologian avulla omalle terveystililleen tietokonepohjaiseen analyysiin lääkärin työn avuksi.
Uusi elin potilaan oman solun ja kuvantamisen avulla
Vainion mukaan myös ihmisen elimistön erilaisten kudosrakenteiden kuvantaminen on nykyään mahdollista. Kuvantamisella pystytään muuttamaan melkein mitä tahansa tutkimusaineistoa kuvalliseen muotoon.
Vainio kertoo tutkivansa ennen kaikkea rakenteita ja anatomiaa. Hän tutkii esimerkiksi sitä, miltä munuainen näyttää ja mistä soluista ja solujen tuottamista aineista se koostuu. Nykyään on olemassa mikroskopintitekniikoita, joiden avulla voidaan tehdä kolmiulotteisia malleja kudoksista ja elimistä, kuten munuisesta. Esimerkiksi ihmisen kallo voidaan kuvantaa ja suunnitella sitten tietokoneella toisinto esimerkiksi tietynlaisesta kallon osasta.
Vainion mukaan elintulostuksessa ollaan pisimmällä kovakudosten, eli luiden ja niitä korvaavien biomateriaalien, osalta.
Oulussa tehdäänkin muun muassa solun väliaineen tutkimusta. 3D-tulostuksen avulla soluväliaineen molekyylirakennetta ja organisaatiota pyritään matkimaan ja käyttämään sitä myös elinten ja kudosten tuottamisen ohjaamiseen. Vainion mukaan kudosrakenteiden syntyä voidaan seurata reaaliaikaisesti.
Vainio näkee 3D-tulostamisen mahdollisuudet merkittävänä, sillä siinä yhdistyvät monet megatrendit, kuten geenien editointi, geeniterapia, solujen biopankit ja ihmisten sairauksien mallittaminen.
Hän nostaa esimerkiksi diabetesta sairastavan potilaan: haiman toiminnan heikennyttyä on mahdollista jatkossa tehdä potilaasta itsestä kantasolu esimerkiksi alun perin haiman kehityksen ohjelmointiin liittyvien nanopallojen avulla.
”Koodeja, ohjelmia ja viestejä sisältävien nanopallojen avulla pystytään ohjelmoimaan solut niin, että ne voivat aikanaan ohjelmoida uuden haiman syntyä potilaalle.”
Vainio kuuluu Helsinki Challenge -kilpailussa mukana olevaan FutuRena-tiimiin, joka haluaa kehittää 3D-tulostettavan ja toimivan minimunuaisen. FutuRena on yksi 24.11. ratkeavan kilpailun finalisteista.
Elintulostuksen avaamat mahdollisuudet ovat huimat. Potilaalle voidaan hänen biopankissa olevista soluista tehdä hänelle omista kantasoluista erilaisia lääkkeiden sopivuus- ja toksisuustestejä. Näin voitaisiin testata, mikä lääke sopii henkilölle ja tätä kautta ennaltaehkäistä taudin paheneminen.
Jokaisen perimästä johtuen reagoimme lääkkeisiin aina hieman eri tavoin. Testaamalla tätä voidaan vähentää myös lääkkeiden sivuvaikutuksia.
Minielinten tulostustavoitteiden lisäksi tutkijat Oulusta, Aalto-yliopistosta, Australiasta ja Japanista kehittävät myös mikrofluidistenalustojen tulostustekniikoita, joissa muun muassa munuaisia voidaan viljellä ja siirtää pieniin kammioihin kasvamaan kolmiulotteisesti.
Tällainen mikrofluidistinen alusta tarjoaa myös täysin uuden keinon lääkekehitykseen ja potilaan sopivuustestaukseen.
Oulussa 24.–25.11. järjestettävien Tekniikan päivien teemana on terveysteknologia. Perjantaina ohjelmassa on Kontinkankaan kampuksella järjestettävä Tutkimus- ja innovaatiopäivä, lauantaina 25.11. järjestetään kauppakeskus Valkeassa Terveystori. Voit tutustua Oulun tapahtuman ohjelmaan täällä.
