Ihmiselimiä solu solulta laboratoriosta

Omista soluistamme voidaan tulevaisuudessa kasvattaa kudoksia ja ehkä jopa kokonaisia elimiä vaurioituneiden tilalle. Oululainen tutkimusryhmä purkaa munuaisen osiin ja kokoaa sen uudelleen ymmärtääkseen elimen muodostumisprosessia paremmin.

Elimen kasvattaminen ihmisen omista soluista voi olla mahdollista tulevien vuosikymmenien aikana. Alkuvuodesta uutisoitiin 3D-tulostetuista kehonosista, jotka ovat kasvattaneet verisuoniston eläinmalleissa. Uudet kantasolutekniikat mahdollistavat myös ihmiskudoksen kasvattamisen.

”Elinten tuotantoprosessi on iso kysymys lääketieteessä, oikea megatrendi. Tutkijat ovat kehittäneet muun muassa erilaisia kasvutekijöiden cocktaileja, joilla voidaan tuottaa soluja ja ohjata niitä tietynlaisiin kehityssuuntiin”, kehitysbiologian professori Seppo Vainio kuvailee.

”Munuainen on hyvä malli tutkia yleisesti elimen muodostumiseen ja kehitykseen liittyviä kysymyksiä”, sanoo professori Seppo Vainio kädessään 3D-tulostettu muovinen munuainen.

Vainio tutkimusryhmineen tutkii kudosten ja elinten erilaistumisen menetelmiä ja kehittää uusia tekniikoita esimerkiksi sairauksien kokeelliseen mallintamiseen. Ryhmä on keskittynyt munuais- ja ihotutkimukseen.

”Munuainen on hyvä malli tutkia yleisesti näitä kehityksellisiä kysymyksiä. Samoja menetelmiä voidaan soveltaa muihinkin elimiin, kuten ihoon, haimaan ja sydämeen”, Vainio kertoo.

Kokonaisen elimen kasvattamiseen liittyy monia tutkimussuuntia, kuten elintulostuksen ja biomateriaalien hyödyntämistä. Vainio esittelee 3D-tulostimella luotua muovista munuaisen mallia ja kertoo, että optisen kuvantamisen avulla pystytään jo nyt tekemään tarkkoja kolmiulotteisia malleja kudoksista ja kokonaisista elimistä.

”Kun opimme kasvattamaan elimen rakentavat siemensolut, voimme elimen 3D-kartan pohjalta tulostaa solujen tuottamaa biomateriaalia, kuten funktionalisoitua nanosellua, elimen siemensoluja tai solujen väliainetta oikeisiin kohtiin bioteknologisesti tuotetun elimen aikaansaamiseksi.”

Hiirimalleista ihmissoluihin

Käänteentekevää solu- ja kudosteknologian kehityksessä oli, kun noin vuosikymmen sitten ihmisen viljellyistä soluista opittiin tuottamaan monikykyisiä kantasoluja eli iPS-soluja. Esimerkiksi aikuisen ihmisen ihosolu pystytään nyt uudelleenohjelmoimaan vaikkapa sydänlihassoluksi.

”Aiemmin pystyttiin tekemään geenikohdennusta ainoastaan alkion kantasoluissa. Sen vuoksi tutkimus perustui pitkälti koe-eläimiin, sillä ihmisalkion kantasolututkimus on kiistanalaista. Nyt voimme tuottaa ihmisen alkion kantasolun kaltaisia soluja eettisesti kestävällä tavalla”.

Kudosviljelymenetelmillä elimen muodostumista voidaan laboratoriossa seurata reaaliaikaisesti ja hyvin tarkasti. Professori Seppo Vainio

Hiirissä on mahdollista mallintaa ihmisen sairauksia, mutta eläinmalli ei koskaan vastaa täysin ihmistä. iPS-solujen avulla voidaan tutkia sairauksien mekanismeja ihmissoluissa tai kehittää uudentyyppisiä hoitomuotoja yksilön tarpeiden mukaan. Potilaan omista soluista valmistetut iPS-solut voivat mahdollistaa esimerkiksi vaurioituneiden solujen korvaamisen siirteillä, joihin ei liittyisi suurta hyljintäreaktion riskiä.

Hiiritutkimus on kuitenkin edelleen keskeisessä roolissa oikean elimen syntyä tutkittaessa. Elinviljelymenetelmien avulla voidaan laboratoriossa seurata elimen muodostumista häiriöttömässä tilanteessa hyvin tarkasti, solu solulta.

”Tästä saamme tietoa, jota voidaan hyödyntää monikykyisten solujen ohjelmoinnissa. Elinviljelytietouden avulla pyritään toisintamaan elinrakenteen synty organoideissa, eli kantasoluista kasvatetuissa kolmiulotteisissa soluviljelmissä. Myös munuaisen kaltaista rakennetta on saatu syntymään”, Vainio kertoo.

Muoto vielä mysteeri

Tutkimuksessa otetaan jatkuvasti edistysaskelia, mutta monia keskeisiä kysymyksiä on ratkaisematta. Kantasolumenetelmien turvallisuus on tutkittava perusteellisesti. Ihosolussa on vain tietty osa genomin ohjelmasta käytössä. Kun geeni aktivoituu, saattaa syntyä myös mutaatioita.

”Seulonnan avulla on löydettävä tehokkaammin ne solut, joissa mutaatioita ei ole syntynyt. Solun uudelleenohjelmoinnissa näyttää tosin tapahtuvan myös korjautumista, ikään kuin tietokoneen buuttauksessa”, Vainio pohtii.

Myös elimen muodon syntymekanismi on vielä suuri mysteeri.

”Luonnossa kaikella on tehtävä, johon myös muoto liittyy. Sille on fysikaalinen syynsä, että munuainen on sen näköinen kuin se on. Sitä ei kuitenkaan tiedetä vielä tarkasti, mikä muotoa säätelee ja miten elinten kehitysohjelmat syntyvät”, Vainio selittää.

Elin kuin pallomeri

Nykyään tunnetaan kaikki munuaisessa pääsääntöisesti olevat geenit ja on tunnistettu tuhansia muodon syntyyn osallistuvia geenejä.

Vainio tutkimusryhmineen on tutkinut munuaisen verisuonten syntyprosessia poistamalla geenien sijaan kokonaisia solutyyppejä. Näin tunnistettiin elimen koko verisuonituksen luova kantasolu.

Myös nefroni, joka on munuaisen keskeinen suodattava yksikkö, voidaan poistaa tai palauttaa elimeen vastaavilla tekniikoilla. Vainio käyttää lasten pallomerta vertauskuvana: merestä voidaan ottaa pois kaikki siniset pallot tai korvata ne vihreillä, ja katsoa mitä tapahtuu.

”Olemme maailman johtavia tutkimusryhmiä siinä, että osaamme laittaa elimen päreiksi. Voimme siis saattaa elinaiheen yksisoluasteelle ja laittaa elimen takaisin kokoon. Tätä kautta voimme tutkia satojen geenien ja minkä tahansa elimen solun tehtäviä”, hän kuvailee.

Luonto toimii tässä tutkijoiden apuna. Solut ovat niin älykkäitä, että ne pystyvät itse hienosäätämään rakennetta ja muodostamaan elimen.

”Soluilla on jonkinasteinen avaruudellinen muisti. On hämmästyttävää, että soluja voidaan jopa pakastaa ja siitä huolimatta ne muistavat muodon”, Vainio kertoo.

Hän kuitenkin toteaa, että luontoa ei tarvitse välttämättä toisintaa sellaisenaan.

”Elimen avainsolutyypit voisivat ehkä sijaita jopa jossain muussa elimessä ja muodostaa eräänlaisen multielinmuodostelman. Eteemme tulee varmasti erilaisia ratkaisuja.”

 

Munuaisen kokoojatiehytpuu rakentuu

Videossa hiiren munuaisaiheen ureter-silmu on rakentamassa nk. kokoojatiehytpuuta. Kokoojatiehyen tehtävä on kuljettaa munuaisen suodatetta kohti virtsarakkoa. Ureter-silmu on tehty näkyväksi geneettisesti (HoxB7Cre; floxed Rosa26 TOMATO Red/GFP) indikaatioristeytyksen avulla. Tällä menetelmällä ureter-silmujen epiteelisolujen muodot saadaan kuvannettua ja prosessiin osallistuvat fysikaaliset tekijät voidaan edelleen määrittää 3D-mikroskopian, konenäkötekniikan ja laskennallisen kuva-analyysin keinoin.

 

Teksti: Heidi Hahtola

Henkilökuva: Tiina Pistokoski

Munuaiskuva ja video munuaisen muodostumisesta: Seppo Vainion tutkimusryhmä

 

iPS-soluista henkilökohtaisia hoitomuotoja

  • Indusoituja pluripotentteja kantasoluja eli iPS-soluja voidaan tuottaa muun muassa iho- tai verisoluista aktivoimalla tietyt geenit. Solut voidaan ohjata erilaistumaan haluttuun suuntaan.
  • iPS-solujen etuna on, että solujen valmistamiseen ei tarvita alkioita ja ne ovat geneettisesti identtisiä potilaan oman genomin kanssa.
  • Aikuisen ihmisen kantasoluja käytetään jo esimerkiksi leukemian hoitoon.
  • iPS-soluja voidaan hyödyntää sairauksien mallintamisessa, yksilöllisten täsmälääkkeiden kehittämisessä ja ehkä jopa solujen ja kudosten korvaushoidoissa.

Viimeksi päivitetty: 8.9.2017