Futuristinen tutkimushanke yhdistää valorobotiikan ja soluteknologian
Kemian professori Arri Priimägin johtama tutkimushanke sai Emil Aaltosen säätiön nyt toista kertaa jakaman rahoituksen Tampereen yliopiston poikkitieteellisiin hankkeisiin. Jaettu summa oli kolmannesmiljoona eli 333 333 euroa.
– Solujen toiminnan ohjaaminen valomekaniikan keinoin on aika lailla tutkimaton kenttä, ja tutkimustieto aiheesta vielä vähäistä. Me olemme tässä aallonharjalla ja olemme kiitollisia, että Emil Aaltosen säätiö tunnisti tämän ja uskoo hankkeeseemme, Priimägi sanoo.
Priimägi sai alkuvuodesta Suomen Akatemian myöntämän akatemiapalkinnon tieteellisestä rohkeudesta valo-ohjattavien materiaalien tutkimuksessa.
– Valo on monipuolinen työkalu ja sitä hyödynnetään monissa teknologioissa kuten modernissa telekommunikaatiossa. Myös monet lääketieteelliset työkalut perustuvat valoon. Valo on tavalla tai toisella läsnä hyvin monessa paikassa piilevänä teknologiana, Priimägi kertoo.
Keskiössä solujen fysikaaliset ilmiöt
Tampereella käynnistyvä tutkimushanke on monella tavalla uusi avaus. Solu- ja mekanobiologian osaajana mukana oleva akatemiatutkija Teemu Ihalainen kertoo, että hänen urallaan hanke on poikkeuksellinen. Siinä yhdistyvät Priimägin tutkimusryhmän osaaminen valo-ohjatuista materiaaleista, akatemiatutkija Soile Nymarkin osaaminen solujen sähköfysiologiasta ja signaloinnista sekä Ihalaisen osaaminen mekanobiologiasta ja solujen vuorovaikutuksesta materiaalien kanssa. Hankkeessa tulevat työskentelemään myös tutkijatohtorit Chiara Fedele ja Elina Mäntylä sekä kaksi jatko-opiskelijaa, jotka on tarkoitus palkata vuoden 2020 alkupuolella.
– Tässä projektissa tuodaan hyvin erilaista osaamista samaan pakettiin. Tämä on hauska kombinaatio siinäkin mielessä, että me vain yhdistämme kukin oman osaamisemme ja luomme sitä kautta uuden ja mielenkiintoisen avauksen, Ihalainen sanoo.
Arri Priimägi kertoo, että solujen fysikaalisten ilmiöiden tutkimus on maailmalla erittäin aktiivista, mutta valo on sen yhteydessä vähän käytetty työkalu.
– Solujen mekaniikka ja sähköiset ilmiöt ovat kaikkien solujen toiminnassa keskeisessä roolissa ja häiriöt näissä ovat tyypillisiä monissa sairauksissa. Näiden asioiden syvempi ymmärrys voi pitkällä tähtäimellä johtaa moniin uudentyyppisiin hoitoihin, Priimägi sanoo.
Solut valjastetaan ohjaamaan valorobotin toimintaa
Hankkeessa ei tehdä kliinisiä tutkimuksia eikä tutkita ihmiskehoa valonsäteiden avulla. Sen sijaan tutkitaan soluja erilaisissa valoon reagoivissa materiaaleissa.
Valon saa Priimägin mukaan periaatteessa menemään ihmiskehon sisään, jos valon aallonpituus on oikea. Pitää vain kehittää materiaali, joka reagoi sopivan väriseen valoon, jotta valo ei vahingoittaisi ihmisen kudoksia mutta tunkeutuisi riittävän syvälle.
– Valorobottien viemiseen ihmiskehon sisään on kuitenkin hyvin pitkä matka. Me yritämme nyt ymmärtää solumalleilla, miten valoa voi hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti, ja toisaalta sitä mitkä sen rajoitteet ovat.
Priimägi kertoo, että tutkimusryhmä haluaisi tehdä demonstraation, jossa soluja pystyisi manipuloimaan niiden tuottaman signaalin avulla siten, että solukon ja valorobotin välinen takaisinkytkentä ohjaisi robotin toimintaa.
– Julkaisimme vuonna 2017 tutkimuksen ”optisesta kärpäsloukusta”, minkä toiminta perustui siihen, että valorobotti tunnisti ja erotteli itsenäisesti kappaleita niiden sirottaman valon perusteella. Nyt haluaisimme viedä tämän havainnon biologisten materiaalien kontekstiin. Sanoisin, että se on aika kunnianhimoinen tavoite, Priimägi sanoo.
Kudosteknologia kehittyy nopeasti
Tutkimusryhmä uskoo työn tulosten johtavan uudenlaiseen kudosteknologian kehitystyöhön. Tulevaisuuden sovelluskohteita voivat olla esimerkiksi keinotekoiset, supistuvat verisuonet, haavan paranemista edistävät bioaktiiviset laastarit sekä lihaksen lailla supistuvat kudosteknologiset siirteet.
– Supistuvat verisuonet ovat sen verran futuristinen sovellus, että siihen me emme tämän projektin aikana missään nimessä pääse. Me yritämme luoda uuden tutkimusalustan, jonka täydet mahdollisuudet tulevat paljastumaan vasta tutkimustiedon karttuessa, Priimägi sanoo.
Teemu Ihalainen kertoo, että soluja on manipuloitu valolla aiemminkin, mutta uutta on valomanipulaation yhdistäminen pehmeisiin materiaali-solu-yhdistelmiin.
– Optogenetiikassa on valon avulla voitu säädellä joidenkin tiettyjen geenien ilmentymistä koeolosuhteissa, mutta nyt pystytään valon avulla manipuloimaan biomateriaaleja, missä on solut mukana. Tällainen pehmytrobotiikka on erittäin mielenkiintoinen lähestymistapa, sillä siinä päästään synteettisen biologian ja materiaalitekniikan yhdistämiseen ensimmäistä kertaa konkreettisesti kiinni, Ihalainen sanoo.
Ihalaisen tiedossa ei ole, että missään päin maailmassa tehtäisiin tällaista tutkimusta. Hän epäilee kuitenkin, että vain harvat asiat syntyvät niin tyhjiössä, ettei kukaan muu olisi asiaa aiemmin ajatellut.
Kolmivuotisen hankkeen aikana pystytään Ihalaisen arvion mukaan toteuttamaan biomateriaalien ja solujen yhdistelmä, mutta sen siirtäminen kliinisiin sovelluksiin vaatisi jo 10-20 vuoden aikajänteen.
Kudosteknologiassa vielä paljon haasteita
Ryhmä uskoo, että tulevaisuudessa valolla manipuloitavat pehmeät materiaalit voivat olla tärkeä osa kudosteknologiaa. Tässä vaiheessa tärkein tavoite on kuitenkin ilmiöiden parempi ymmärtäminen sekä uusien valopohjaisten työkalujen mahdollisuuksien kartoittaminen.
– Kaukana tulevaisuudessa me voimme ehkä rakentaa keinotekoisia kudossiirteitä, joissa verenkierto on luotu valolla sykkivän verisuonituksen avulla eli voidaan saada ikään kuin veri kiertämään kudossiirteen sisällä ja sitä kautta kudossiirre toimimaan paremmin. Ongelma on tällä hetkellä usein siinä, että kudosteknologisen siirteen sisään pitäisi saada oikeasti verisuonitus, jotta sinne menisi ravintoaineita ja happea ja että hiilidioksidi sekä kuona-aineet saadaan sieltä pois, Teemu Ihalainen sanoo.
Tutkimushankkeessa selvitetään pehmytrobotiikan mahdollisuuksia kudosteknologiassa. Tampereella kudosteknologinen tutkimus ja kudossiirteiden kehitystyö on aktiivista. Yhtenä esimerkkinä on Soile Nymarkin tutkimusryhmän työ silmänpohjan epiteelin parissa, joka yhteistyössä muiden ryhmien kanssa tähtää siihen, että verkkokalvoa ylläpitävä vioittunut kudos voitaisiin korvata terveellä kudoksella. Kudossiirteet voivat liittyä myös ihon osan korvaamiseen tai selkäytimen hermovaurion korvaamiseen.
– Kokonaisten toimivien elimien tuottaminen laboratoriossa on kuitenkin vielä hyvin kaukana, Ihalainen sanoo.
