Uusia elimiä ihmisille biomateriaaleja kehittämällä
Yhdysvaltalainen professori Robert Langer kehitti menetelmiä, joilla lääkeaineet voidaan kohdistaa halutusti elimistössä tiettyyn kudokseen tai paikkaan. Menetelmien ansiosta lääkeaineiden vapautumista voidaan säädellä tarkasti jopa usean vuoden ajan. Tutkimuksensa ansiosta hänelle myönnettiin vuoden 2008 Millennium-teknologiapalkinto.
Langer tutki polymeerejä, joita ovat esimerkiksi proteiinit, DNA ja selluloosa. Polymeerissä pienet molekyylit eli monomeerit ovat liittyneet toisiinsa kemiallisin sidoksin pitkiksi ketjuiksi. Niiden ominaisuudet riippuvat paitsi kemiallisesta koostumuksesta myös ketjujen koosta ja muodosta. Polymeerin ominaisuuksia voidaan muokata ultraäänellä, sähköimpulsseilla tai vaikkapa magneettikentillä. Kun lääkeaineet ympäröidään sopivilla polymeereillä, lääkeainemolekyylejä liukenee polymeerien läpi elimistöön juuri haluttu määrä halutussa ajassa.
Tampereen yliopiston professori Minna Kellomäki tutkimusryhmineen työskentelee samanlaisten polymeerien kanssa, mutta soveltaa osaamista pääasiassa muilla sovellusalueella. Kellomäki tutkii biomateriaaleja, joissa polymeerien huokoisuutta ja kolmiulotteisuutta hyödyntäen kasvatetaan soluja – ja jopa elimiä.
Professori Minna Kellomäen tutkimusryhmän laboratoriossa tutkitaan biomateriaaleja ja kudosteknologiaa. Kuva Jonne Renvall.
”Nykyisin keskitymme erityisesti hydrogeelien tutkimukseen kudosten kasvattamiseksi”, Kellomäki kertoo.
Hydrogeelit ovat kosteutta sitovia pehmeitä polymeerejä. Ne voivat ottaa rakenteeseensa moninkertaisesti - jopa satoja prosentteja - vettä molekyylirakenteen liukenematta tai tuhoutumatta.
Hydrogeelejä testataan monin eri tavoin käyttöön soveltuvuuden tarkistamiseksi. Kuvassa hydrogeelinäyte mekaanisessa koestuslaitteessa. Kuva Jonne Renvall.
Työn tulokset asennetaan kehon sisään
Alan tutkimustyö Suomessa on synnyttänyt jo useita yrityksiä, joissa yliopistojen tutkimustulokset ovat muuttuneet käyttökelpoisiksi, potilailla käytettäviksi tuotteiksi.
Yksi start-up valmistaa esimerkiksi niveltyynyjä: kirurgi laittaa potilaalle polymeereistä tehdyn implantin käsien tai jalkojen piennivelten nivelrikon tai -reuman hoitamiseksi. Implantti ohjaa nivelraossa kehittyvän arpikudoksen muodostumista saaden aikaan vahvan ja joustavan sidekudosnivelen. Kun implanttia ei enää tarvita, se alkaa sulaa elimistössä. Hajoamistuotteina syntyy vain vettä ja hiilidioksidia. Koko implantti häviää elimistöstä 2-3 vuoden aikana.
Toinen start-up tarjoaa käyttöön implantteja, joilla voidaan kasvattaa elimistössä uutta nivelrustoa vanhan korjaamiseksi.
Kolmas yritys valmistaa luusiirteiden korvikkeita. Kun kirurgit asentavat korvikkeita luupuutoskohtaan, uutta luuta saadaan kasvamaan elimistössä aiempaa turvallisemmin ja halvemmalla.
Solujen pitää kiinnittyä kunnolla pintoihin ja biomateriaaliin
Kellomäki muistuttaa, että Suomessa alan tutkimuksella on pitkät perinteet. Jo Langerin aikana Suomessa kehitettiin kuormaa kestäviä implantteja elimistöön asennettavaksi.
”Haasteena on saada kehitettyä turvallisesti biohajoavia komponentteja, joihin solut kiinnittyvät väliaikaisesti. Tässä mennään nytkin hyvin eteenpäin”, Kellomäki sanoo.
Biomateriaalin pitää tukea rakenteeltaan solujen tarttumista ja jakautumista, jotta halutut solut tarttuvat voimakkaasti niihin. Samaan aikaan pintojen pitää olla epäsopivia esimerkiksi bakteereille. Jos implantin ja kudoksen liitos on heikko, implantin pinnalle saattaa tulla bakteereja aiheuttamaan tulehdusta.
Saavutetaan monenlaisia etuja, kun materiaalit opitaan tunnistamaan sopiviksi halutuille soluille jo kehitysvaiheessa.
”Rahallisten säästöjen lisäksi voimme vähentää esimerkiksi eläinkokeita, joten tässä on myös eettinen ulottuvuus.”
Kehitteillä keinotekoinen kehon korvike
Tällä hetkellä Kellomäen huippuyksikkö kehittää Suomen Akatemian rahoituksella alustaa, joka vastaa eräänlaista keinotekoista kehoa. Näitä alustoja kutsutaan body-on-chipeiksi.
Body-on-chip-alustan laatua tarkastetaan mikroskoopissa. Kuva Jonne Renvall
Alustassa on kammioissa soluja, joita on ihmiskehossa. Yhdessä kammiossa saattaa olla esimerkiksi sydänsoluja ja toisessa maksasoluja. Soluja voi olla hyvin monenlaisia ja ne kasvavat biomateriaalin päällä tai sisällä. Eri kudoksia jäljittelevät soluviljelmät saavat elatusnestettä kanaviston kautta, ja viljelmissä on myös verisuonitusta ja hermotusta. Tietokoneeseen yhdistetty hermojärjestelmä mittaa, saa aikaan, analysoi ja jopa ohjaa kammioiden erilaisia biologisia prosesseja.
”Voimme esimerkiksi antaa lämpöä tai sähköä kaikille soluille ja seurata, miten ne reagoivat. Saatamme havaita, että jos tekemämme asia on vahingoittanut vaikkapa sydänsoluja tietyllä tavalla, näemme sen aiheuttaneen samalla jonkun vaurion myös maksasolukkoon. Tämän takia voimme tulevaisuudessa tietää, että jos sydämestä löytyy joku vastaava vaurio kuin testissä aiheuttamamme, meidän pitää hoitaa myös maksaa, vaikka potilaalle tehdyt testit eivät kertoisikaan vielä maksavauriosta”, Kellomäki ottaa esimerkiksi.
”Silloin kun body-on-chipin kammioiden solut on yhden henkilön soluista tehtyjä, voimme hyödyntää näitä järjestelmiä henkilökohtaisten hoitojen kehittämiseen. Pystymme esimerkiksi ymmärtämään paremmin periytyviä sairauksia tai hoitoihin liittyviä lainalaisuuksia.”
Näiden alustojen erilaiset testit tuottavat valtavasti dataa. Kellomäen mukaan niiden tulkintaan tarvitaankin monien tieteenalojen osaajia ja ymmärrystä esimerkiksi ihmisen kantasoluista, biomateriaaleista, antureista, mikrofluidistiikasta, biomallinnuksista ja -kuvantamisesta.
Juttu: Visa Noronen
Kuvat: Jonne Renvall
Millennium-teknologiapalkinto on suomalainen, miljoonan euron arvoinen kunnianosoitus maailman huippuinnovaatioille, jotka parantavat ihmisten elämänlaatua ja edistävät kestävää kehitystä. Palkittavat teknologian innovaatiot ovat yhteiskunnallisesti erittäin vaikuttavia ja edistävät hyvinvointia jopa koko ihmiskunnan tasolla. Kansainvälinen Millennium-teknologiapalkinto jaetaan seuraavaksi 18. toukokuuta 2021.
