Ryhmänjohtajat Pekka Lappalainen (vas.), koko yksikön johtaja Johanna Ivaska, Sara Wikström, Ilpo Vattulainen ja Pipsa Saharinen. Wikström oli haastattelussa mukana etäyhteydellä Max Planck -instituutista Saksasta.

Solumekaniikan biologisia esteitä selvittävä huippuyksikkö on jo päässyt merkittäviin tuloksiin: yksikössä on kehitetty menetelmä, joka tekoälyn avulla pystyy analysoimaan potilaiden näytteistä yksittäisiä soluja ja niiden ilmiasuja. Tutkimuksessa löytyivät sekä syövän että terveen kudoksen ilmiasut. Tulosten perusteella kehitetään syövän diagnostista testiä, jolle on saatu jo kaksi patenttia sekä Business Finlandin jatkorahoitus startup- eli tuotekehitysyritystä varten.

Tätä työtä on johtanut professori Sara Wickström Solumekaniikka biologisten esteiden toiminnassa -huippuyksikössä. Professori Johanna Ivaskan johtama huippuyksikkö tekee kokeellista biolääketieteen tutkimusta sekä mallintamista Turun ja Helsingin yliopistoissa.

Tutkimuksen kohteina olevat biologiset esteet ovat elimistön rajapintoja. Niitä ovat iho, verisuonisto, keuhkojen pintakudos, suolisto ja myös silmä.

Rajapintakudosten tutkiminen on tärkeää, koska ne toimivat merkittävänä tekijänä sairauksien leviämisessä kehossa. Jotta sairauksien kuten syöpien leviämisen estämisessä voidaan edetä entistä pidemmälle, tarvitaan solubiologian perustutkimusta.

Biologisten esteiden toiminta ja mitä kukin huippuyksikön ryhmä niistä tutkii.

Kuivasilmäisyys tavallisimpia rajapintasairauksia

Rajapintakudoksisista tutkitaan, miten elimistö ohjaa niiden toimintaa. Tätä tehdään sekä molekyylien että solujen ja niiden muodostamien kudosten tasolla. Huippuyksikkö selvittää, miten esteiden toimintahäiriöt johtavat sairauksiin. Tavoitteena on lisätä toimintahäiriöistä johtuvien sairauksien hoitokeinoja tai jopa ehkäistä niitä toimintahäiriöitä korjaamalla.

”Jotta solut voivat muodostaa tiiviin mutta aktiivisen esteen, niiden täytyy tarttua toisiinsa ja alla olevaan kudokseen. Niiden pitää pystyä reagoimaan, kuten esimerkiksi ihon pitää kestää venytystä. Niiden pitää olla mekaanisesti kestäviä ja kuitenkin joustavia. Mekaniikka tarkoittaa tässä sitä, miten solut pystyvät vastustamaan ulkoisia voimia ja luomaan itse niitä”, selventää Ivaska.

Rajapintojen sairauksia ovat esimerkiksi kudosten tulehdukset. Vaikkapa kuivasilmäisyys on hyvin tavallinen, lievä mutta ikävä vaiva, joka vaatii päivittäistä hoitoa.

Syövät tuhoavat rajapintoja

Wickströmin johtama ryhmä on saanut merkittäviä tuloksia myös ikääntymisen liittymisestä rajapintakudosten toimintaan. Hän kertoo: ”Vanhenemisessa kaikki rajapintatoiminnat heikkenevät. Kyky estää rajapintojen läpäisevyyttä heikkenee. Olemme osoittaneet, että tämä johtuu solumekaniikan muutoksesta. Venytykseen reagoivat kanavat eivät toimi, mikä aiheuttaa kroonista tulehdusta.”

Ikääntyminen hidastaa esimerkiksi haavojen paranemista. Iho uudistuu jatkuvasti ja Wickströmin mukaan ihossa menetetään miljoonia soluja päivittäin. Kotona oleva pöly on pitkälle kuollutta ihoa, koska se uudistuu niin voimakkaasti.

Myös syövät kohdistuvat rajapintoihin tuhoten niitä. Huippuyksikkö on tutkinut melanoomaa sekä rinta- ja haimasyöpää.

”Syövän etäpesäkkeiden muodostuminen on esimerkki syövän leviämismekanismeista. Verenkiertoon joutuvien syöpäsolujen on päästävä pois sieltä. Kudoksiin päätyessään ne muodostavat etäpesäkkeitä. Esimerkiksi keuhkoihin muodostuu paljon etäpesäkkeitä”, kertoo professori Pipsa Saharinen.

Tutkimuksessa on selvitetty keuhkojen etäpesäkkeistä, miksi syöpäsolut pystyvät pääsemään verisuonten seinämien läpi. Löytyi joukko geenejä, jotka vahvistavat verisuonten seinämää. Kun niiden toiminta heikkenee, etäpesäkkeitä alkaa muodostua enemmän.

”Yksi tunnistamistamme geeneistä on syöpäkasvaimen kasvua edesauttava tekijä. Löytö osoitti, että syöpälääkkeitä kehitettäessä ei pidä huomioida vain syöpäkasvainta vaan myös verisuonten esteet. Keinot, joilla etäpesäkkeiden muodostuminen voitaisiin estää, ovatkin kiivaan tutkimuksen kohteena”, kertoo Saharinen.

Solujen liikkumista säätelevät integriinit yksikön ainutlaatuinen tutkimuskohde

Ivaskan ryhmä tutkii integriinejä, jotka säätelevät solujen liikkumista ja kykyä aistia pehmeää, jäykkää sekä venytystä. ”Niitä on tutkittu esimerkiksi ihossa, ja niiden tiedetään vaikuttavan siihen, mitkä karsinogeenit aiheuttavat ihosyöpää.”

Saharisen ryhmä on poistanut integriinejä hiirikokeissa ja havainnut tämän muuttavan kudosten läpäisevyyttä. Ivaskan mukaan integriinitutkimus on tämän huippuyksikön ainutlaatuinen tulokulma paljon tutkittuihin syöpiin.

Professori Pekka Lappalaisen ryhmä tutkii aktiiniproteiinia. ”Se on työhevonen, joka vastaa solujen muodonmuutoksista. Se vastaa solujen liikkumisesta ja soluliitosten ylläpidosta. Me yritämme ymmärtää, miten sitä säädellään ja miten muut proteiinin sitoutuvat siihen sekä miten se toimii oikealla tavalla oikeassa paikassa.” Wickströmin, Saharisen ja Ivaskan ryhmien tutkimukset ovat kytköksissä tähän.

Näin masennuslääkkeet läpäisevät aivoja suojaavan veriaivoesteen ja hakeutuvat sen jälkeen oikeaan paikkaansa muokkaamaan aivojen toimintaa. Esimerkkinä fluoksetiini (kuvassa sinipunavalkoinen pieni molekyyli), jonka toimintamekanismia Vattulaisen ryhmä on selvittänyt atomitason simulaatioilla. Ryhmä selvitti fluoksetiinin sitoutumispaikan ja toimintamekanismin. Tätä tietoa voidaan hyödyntää uusien lääkemolekyylien kehitystyössä.

Simulaatiot lisäävät ymmärrystä proteiinien toiminnasta

Professori Ilpo Vattulainen mallintaa kaikkien muiden tutkimusta. Esimerkiksi Lappalaisen ryhmän tuottama kuva proteiinista ei vielä kerro, mitä tämä proteiini tekee. Vattulaisen ryhmä tekee molekyylidynamiikan simulaatioita, jotka ovat kuin videoita proteiinin toiminnasta. Mallintamalla Lappalaisen tuottamia kuvia voidaan paremmin ymmärtää, miten proteiini toimii. Mallinnuksessa hyödynnetään myös koneoppimista.

Vattulaisen mukaan huippuyksikön sisäisellä yhteistyöllä pystytään paremmin ymmärtämään erilaisten rajapintojen samankaltaisuuksia ja soveltamaan yhdellä rajapinnalla tehtyä tutkimusta johonkin toiseen. Näin elimistöä ja sen tauteja ymmärretään paljon laajemmin.

Huippuyksikössä työskentelee noin 80 tutkijanuran eri vaiheissa olevaa tutkijaa sekä teknistä henkilökuntaa. Tutkijankoulutus on olennainen osa yksikön toimintaa ja vaikuttavuutta.

Ryhmiä on viisi. Ivaska kertoo koonneensa dream teamin eli omien alojensa viisi kansainvälisesti huippumenestynyttä tutkijaa. Hän on tehnyt kaikkien kanssa aikaisemminkin yhteistyötä ja osa on tehnyt keskenään. Kaikilla on aikaisempaa huippuyksikkökokemusta tai Euroopan tutkimusneuvoston ERC:n rahoitusta. Ivaska työskentelee Turussa, muut Helsingissä. Wickström on osaksi saksalaisessa Max Planck -instituutissa.

Huippuyksikkörahoitus mahdollistaa yksikölle pitkäjänteisemmän työn, koska rahoitus on turvattu kahdeksaksi vuodeksi. Kokeellinen biolääketieteellinen tutkimus on kallista laboratorioineen ja koe-eläimineen. Kaikki lähtee perustutkimuksesta, vaikka pidemmällekin meneviä tavoitteita on:

”Ilpon kanssa pohdimme, miten tekoäly voi auttaa löytämään uusia lääkeainemolekyylejä tutkimuksistamme”, Saharinen paljastaa.

Teksti: Leena Vähäkylä
Ryhmäkuva: Leena Vähäkylä
Piirrokset:
1. Pipsa Saharinen, Hellyeh Hamidi ja Johanna Ivaska
2. Mykhailo Girych