Kantasoluista syntyy eläviä kudoksia – suomalainen huippututkimus yhdistää biologiaa, teknologiaa ja lääketiedettä, jotta löydettäisiin uusia keinoja sairauksien hoitoon

Kokonaisten, siirteeksi kelpaavien elinten rakentamiseen menee vielä vuosia, mutta esimerkiksi kantasoluteknologian avulla tehtyjä luukudoksia siirretään jo potilaalle.

kantasolut
Tutkija osoittaa tietokoneen ruutua.
Intialainen tohtorikoulutettava Disheet Shah tutkii sydänlihassolujen toimintaa BioMediTechissä.Yle

Pienessä maljassa sykkii sydänlihaksen soluja. Viljelmään kiinnitetyt anturit mittaavat jatkuvasti kudoksessa tapahtuvaa toimintaa, ja mikroskoopin kamera välittää kuvan monitorille.

Sydänlihaksen solujen reagointia hidastuvaan tai nopeutuvaan sykkeeseen pystytään arvioimaan, ja kudosviljelmään voidaan aiheuttaa myöhemmin infarktia simuloiva vaikutus.

Kaiken aikaa solut näkyvät monitorin ruudulla sykkimässä. Olemme Tampereen yliopiston ja teknillisen yliopiston yhteisessä BioMediTech-tutkimusyksikössä, joka on yksi Suomen Akatemian huippuyksiköistä.

Se isännöi Monikudosmallintamisen huippuyksikköä, joka on alallaan maailman mitassakin aivan kärjessä. Siellä rakennetaan kantasoluista muun muassa sydän- ja hermokudoksia.

BioMaljaTutkimus, kantasolut, BioMediTech
Kuvassa näkyy neljä soluviljelymaljaa, joiden toimintaa seurataan jatkuvasti eri mittareilla.Jonne Renvall / Tampereen yliopisto

Monitieteellistä yhteistyötä

Biomateriaali- ja kantasolututkimus sekä biokuvantaminen ja -mittaus yhdistävät uudella tavalla osaamisensa, kun rakennetaan kolmiulotteisia kudoksia ja niiden tarkkailua.

Monikudosmallintamisen taustalla on vuosia jatkunut yhteistyö muun muassa Tekesin rahoittamassa Ihmisen varaosat -hankkeessa. BioMediTechissä (siirryt toiseen palveluun) kantasoluista on onnistuttu esimerkiksi kasvattamaan vaurioituneen leukaluun tilalle uusi.

Nyt huippututkimusyksikkö tähtää kasvattamaan kantasoluista kudoksia, joissa ovat sekä verisuonet että hermoradat. Kudoksiin voidaan tehdä esimerkiksi haava ja seurata sen parantumista.

– Jotta pääsemme siihen, että voimme viljellä useita eri solutyyppejä yhdessä tai lähekkäin yhteyksissä olevissa kammioissa, meidän täytyy kehittää siihen tekniikkaa, materiaaleja ja kammioita, ja löytää konstit, miten tämä yhteisviljely saadaan tehtyä, selostaa hankkeen johtaja, Tampereen teknillisen yliopiston professori Minna Kellomäki.

Hänen erityisalaansa ovat biomateriaalit.

maksasoluja, BioMediTech
Mikroskooppikuvassa näkyy kantasoluista kasvatettuja maksasolujaBioMediTech

Kantasoluja erilaistetaan yha useammaksi kudokseksi

Jo nyt on mukana olevilla seitsemällä eri tutkimusalueella saatu uutta tietoa ja osaamista esimerkiksi kantasolujen erilaistumiskeinoista.

Yhtä hankkeen kantasoluryhmää vetävä apulaisprofessori Susanna Miettisen mukaan esimerkiksi ihon palasesta voidaan saada erittäin monikykyisiä kantasoluja ja kasvattaa niistä erilaisia kudoksia.

– Ihosoluun laitetaan tiettyjä geenejä ja muutetaan se monikykyiseksi kantasoluksi. Soluviljelyyn laitetaan sitten erilaisia kasvutekijöitä, joilla solun geenejä ohjataan käyttäytymään ja viemään solua tiettyyn suuntaan, Miettinen kertoo.

Tällä hetkellä kantasoluista osataan erilaistaa esimerkiksi sydän-, hermo-, maksa- ja luukudosta. Myös rasvakudosta pystytään kasvattamaan, mutta esimerkiksi haimasolujen ja -kudosten saaminen aikaan on jo vaativampaa.

– Isoimmat haasteet ovat siinä, että saamme aikaan pitkäaikaisviljelmiä. Jos puhutaan esimerkiksi maksasoluista, niin ne saadaan viljelmissä kestämään toiminnallisina joitakin päiviä, ehkä viikkoja, Susanna Miettinen sanoo.

Isoimmat haasteet ovat siinä, että saamme aikaan pitkäaikaisviljelmiä.

Susanna Miettinen, apulaisprofessori, Tampereen yliopisto

Kudosviljelmät pitäisi kuitenkin saada toimimaan jopa kuukauden tai pidempään, joten kaikkia haasteita ei ole vielä voitettu. Kestävien kudosmallien pitää toimia myös yhdessä samassa maljassa.

Kokonaisen maksan tai muun elimen kasvattaminen saattaa olla vielä kymmenien vuosien päässä, mikäli ei saada aikaan yllättäviä läpimurtoja. Nyt tutkitaan uuden ihon 3D-printtausta esimerkiksi palovammoihin.

– Pysyvän tuloksen aikaansaaminen on haasteellista. Nyt solut saadaan erilaistettua siihen suuntaan ja pysymään tietyssä erilaistumisasteessa jonkin aikaa. Mutta kun kudoksen pitäisi pysyä elossa koko ihmisen elinajan useita vuosikymmeniä, niin siinä on vielä tekemistä, Susanna Miettinen arvioi.

Kokonaisen ihmisen kasvattaminen kantasoluviljelmillä toimii ehkä tieteisromaaneissa, mutta professori Minna Kellomäen mukaan tavoitteet kannattaa pitää realistisempina.

– Itse olen sitä mieltä, että kun saataisiin luotettavasti korjattua tiettyjä elimiä ja kudoksia, niin olemme silloin jo aika pitkällä.

Jos tulevaisuudessa pystytään korjaamaan todella iso luupuutos, taikka peittämään palaneelta ihmiseltä suuri ihopuute tai palanut iho toimivaksi, niin silloin voidaan Minna Kellomäen mukaan auttaa jo hyvin monia.

BioMaljaTutkimus, kantasolu, BioMediTech
Kantasoluista pystytään nyt erilaistamaan sydän-, luu-, hermo-, maksa- ja rasvasoluja ja kasvattamaan niistä kudoksia. Haasteena on eri kudosten yhdistäminen ja saamaan niihin hermotus ja verisuonet.Jonne Renvall / Tampereen yliopisto

Sairauksia voidaan testata ilman hiiriä

Monikudosviljelmillä halutaan ensin mallintaa ihmiskehon kehitystä ja seuraavassa vaiheessa erilaisia sairauksia, kuten aivohalvausta ja sydäninfarktia. Näiden hoitokeinoksi saattaisivat sopia kantasolut, jotka korjaisivat vaurioituneen sydänlihaksen tai aivojen hermokudoksen.

Myös liikalihavuutta eli liiallisen rasvakudoksen vaikutusta ihmiseen voidaan tulevaisuudessa tutkia soluviljelymaljalla. Lihavuus on rasvakudoksen jatkuva tulehdustila, joka aiheuttaa muutoksia myös ympäröiviin kudoksiin.

Nämä kolme keskeistä tutkimusaluetta voidaan helposti linkittää suomalaisten kansantauteihin, joihin uudet hoitokeinot voivat auttaa merkittävästi.

Suomalaisista miehistä kaksi kolmasosaa on ylipainoisia ja naisista puolet. Sydäninfarkti (siirryt toiseen palveluun) on työikäisten toiseksi yleisin kuolinsyy ja aivohalvaus (siirryt toiseen palveluun) on kolmanneksi yleisin kuolinsyy.

Biomaljat, kantasolututkimus, BioMediTech
Kasvatusmaljat ovat pienen pieniä kulhoja, joihin yhdistetään useita kudoksia ja mittaustekniikkaa.Jonne Renvall / Tampereen yliopisto

Maljalla olevien kudosten toimintaa seuraamalla saadaan uutta tietoa niiden toimintatavoista. Esimerkiksi elävän ihmisen hermovaurioita ei voida tutkia, jos solu on normaalisti kiinni kantajassaan.

– Ottamalla ihmisestä solu ja viljelemällä siitä kudos, sille voidaan antaa sähkösokki. Sitten voidaan katsoa, miten kudos reagoi, paraneeko se, auttaako joku materiaali tai lääkeaine paranemiseen, professori Minna Kellomäki kuvailee monikudosmallintamisen mahdollisuuksia.

Lääketutkimusten teko ihmisten kantasoluista kasvatetuissa kudoksissa voi tulevaisuudessa myös vähentää koe-eläinten käyttöä. Koehiiret ovat toki vuosikymmeniä antaneet tietoa kemikaaleista ja sairauksista, mutta tutkijat toteavat, etteivät hiiret ole ihmisiä – kudokset käyttäytyvät eri tavoin.

– Hiirellä monien kudosten kehitys menee eri tavalla. Toivottavasti voidaan vähentää eläinkokeiden määrää ja saada uutta tietoa kudosten kehityksestä ja taudeista, apulaisprofessori Susanna Miettinen pohtii.

Pitkäjänteistä tutkimusta

Jo Ihmisen varaosat -hankkeessa tutkittiin erilaisten biomateriaalien soveltuvuutta luiden ja muiden kudosten korjaamiseen kehon sisällä. Rasvasta otetuista kantasoluista ja biomateriaalista tehdyllä yhdisteellä hoidettiin ensimmäinen potilas Tampereella jo 2006.

Nyt soluviljelymaljalla biomateriaalien pitää olla sellaisia, joiden ympärille, kehon ulkopuolella kasvatettavat, elävät solut voivat kasvattaa kudoksen ja sen lisäksi verisuonet ja hermoston.

Oma lukunsa on tutkimustekniikan rakentaminen. Kolmiulotteisen soluviljelmän kuvantaminen ja mittaaminen vaatii pitkälle kehitettyä sensoritekniikkaa. Yksittäiset solut on saatu näkymään tietokoneen ruudulla. Anturit puolestaan mittaavat niiden kemiaa ja toimintaa.

Samaan aikaan on hallittava solujen toimintaympäristön vaatimukset. Oikea paine, lämpötila ja kemiallinen koostumus saa solut pysymään hengissä kolmiulotteisessa kasvuympäristössä. Tämä vaatii teknologiataitojen ohella ymmärrystä biologiasta.

BioMediTechin monikudosmallintamisen huippuyksikössä työskentelee noin 70 ihmistä eri työryhmissä. Suomen Akatemian rahoitusta on luvassa vuoteen 2025 asti. Yksikköön on rekrytoitu runsaasti kansainvälisiä tutkijoita.

Monikudosmallintamisen huippututkimusyksikön sivut (siirryt toiseen palveluun)

Ihmisen varaosat -hankkeen sivut (siirryt toiseen palveluun)

Lue myös

Tampereella kehitetään ihmisen varaosia kahden yliopiston yhteisvoimin

Huippukirurgi: Vaurioituneet kasvot voidaan tulevaisuudessa korvata kantasoluista kasvatetuilla varaosilla

Lähes koko ihmisen voi jo korjata varaosilla – pään siirtokin ehkä onnistuisi, mutta millaisin tuloksin?

Juttu on osa "10 kertaa tieteestä" -sarjaa, jossa esitellään suomalaista tutkimusta.