Nousukiidossa olevat kudossirut saavat myös pohtimaan, voivatko ne mallintaa ihmisen sielun
Kudossiru eli… niin mikä?
Kudossiru on ikään kuin pikkuruinen laboratorio, joka mallintaa ihmisen elimen – tai sen osan – toimintaa. Sen keskeisiä rakennuspalikoita ovat solut. Kudosmalleja voidaan myös yhdistää, jolloin puhutaan monikudosmallinnuksesta. Siinä mallinnuksen eri kammiot edustavat eri elimiä ja näin voidaan tutkia niiden välistä vuorovaikutusta. Tällaiset mallinnukset auttavat selvittämään esimerkiksi sairauksien mekanismeja ja lääkkeiden toimivuutta.
Mallintaminen ja mekanismien selvittäminen voivat kuulostaa teoriapilveltä, mutta tavoitteet ovat hyvin konkreettiset: parempi diagnostiikka ja hoito sekä eläinkokeiden vähentäminen.
Eläinkokeista saadaan arvokasta tietoa, mutta niihin liittyy ongelmia. Eivätkä ongelmat ole vain eettisiä: eläinkokeet ovat usein myös tehottomia, sillä yhdeksän kymmenestä eläinkokeissa testatuista lääkkeistä osoittautuu toimimattomiksi potilaskäytössä. Syy tähän on varsin ilmeinen: hiiri ei ole ihminen.
Koska kudossiruteknologialla pystytään mallintamaan ihmisen biologiaa solutasolla, voidaan turhia kokeita vähentää ja päästä parempiin lopputuloksiin myös nopeammin ja halvemmalla.
– Esimerkiksi kaupallisen Emulate-maksasirun avulla tunnistettiin 87 prosenttia lääkkeistä, jotka olisivat aiheuttaneet maksavaurion ihmisellä. Herättävää oli, että testattavat lääkkeet olivat aikoinaan menneet läpi eläinkokeista ja aiheuttaneet 242 potilaan kuoleman. Jos tämä ihmisen soluihin perustunut maksasiru olisi ollut silloin olemassa, olisi kaikki potilaat yrityksen mukaan pelastettu, tutkijatohtori Miina Björninen sanoo.
Mutta eivät kudossirutkaan ole eettisistä kysymyksistä vapaita. Niiden kohdalla mietitään esimerkiksi tutkijan vastuuta siinä, kuinka tutkimustuloksista viestitään.
– Kudossirut elävät hype-vaihetta akatemiassa ja laboratoriot kehittävät lukuisia kudossiruversioita samojen tutkimuskysymysten äärelle. Hypessä on riski, että lupailee liikoja tutkimustulosten myötä, vaikka kudossiruihin toki liittyy paljon mahdollisuuksia.
Mallinnuksiin käytetään potilaista eristettyjä soluja, jotka voidaan ohjelmoida esimerkiksi aivosoluiksi. Maanläheinen eettinen kysymys näissä on, ymmärtääkö potilas, mitä hänen soluillaan tehdään.
– Kiehtovampi kysymys on, että jos mekaanisesti pystyttäisiin korvamaan ihmisen jokainen aivosolu kerrallaan, onko tämän ihmisen sielu ja minuus näissä uusissa keinotekoisissa aivoissa? Tätä pohditaan paljon erityisesti Pohjois-Amerikassa. Aivojen soluthan viestivät jatkuvasti keskenään, niin oikeissa aivoissa kuin mallinnuksissa. Voisivatko mallinnetut aivot siis ajatella?
Eettisiä kysymyksiä liittyy myös siihen, mihin kaikkeen tutkimusta ja mallinnuksia testataan. Elämme ikäviä sotaan keskittyviä aikoja – voivatko mallit päätyä esimerkiksi kemiallisten aseiden testialustoiksi?
Kudossirun valmistus – näin se hoituu
Yhtä elintä mallintava kudossiru kuulostaa ehkä yksinkertaiselta, mutta ei sitä ole. Esimerkiksi maksa ei ole pelkkää maksasolua, vaan siihen sisältyy myös verisuonitusta, hermotusta, immuunisoluja ja lymfakudosta.
Yksinkertaisimmillaan kudossiru valmistuu näin: Sirun pohja on yleensä lasia tai kovaa läpinäkyvää muovia. Näin siksi, että sirua mikroskopoidaan ja sen sisään pitää nähdä, joten sen on oltava läpinäkyvä.
Pohjan päälle tarvitaan myös tyypillisesti läpinäkyvää soluystävällistä materiaalia, johon voidaan rakentaa varsinainen työmaa. Helpoin ja edullisin materiaali on PDMS eli polydimetyylisiloksaani eli tuttavallisemmin silikoni. Tätä pehmeää, tahmeaa ja joustavaa ainetta valetaan lasin päälle ja siihen tehdään kammioita soluja varten ja kanavia nestekiertoa varten. Rakentamisessa voidaan hyödyntää esimerkiksi 3D-printtausta.
Kanavia pitkin kulkeva nestekierto on läpinäkyvyyden lisäksi toinen kudossirun peruskivi. Se saadaan helpoimmin aikaiseksi painovoimaisesti. Valetussa muotissa on keskellä mediumkammio eli ravintoliuoskammio, joka on vähän muita korkeammalla. Jätekammio tehdään toiselle puolelle, johon neste painovoiman sanelemana virtaa. Nestevirtaukseen voidaan myös käyttää pumppuja. Joissain versiossa neste pyörii keikuttimen avulla ihan kuin perinteisissä labyrinttipeleissä.
Tämän päälle voidaankin sitten alkaa rakentaa vaikkapa verisuonistoa. Mikroverisuonitusten mallinnus kuuluu Tampereen yliopiston tutkijoiden vahvuuksiin. He esimerkiksi onnistuivat ensimmäisinä rakentamaan kaksi toisiinsa yhdistynyttä verisuoniverkostoa.
– Verisuonten solut ovat siitä kivoja, että ne tietävät, mitä pitää tehdä. Meidän pitää vain osata luoda niille oikeat olosuhteet. Käytännössä me sekoitamme verisuonen seinämän soluja hydrogeelin kanssa. Hydrogeelinä toimii esimerkiksi kuten veren hyydyttäjäaine fibriini. Kun seos lisätään kudossirun kanaviin, solut alkavat järjestäytyä itsestään virtauksen avulla oikeaksi verisuonistoksi, Björninen kuvaa.
Hydrogeelien kehittämisessä on kuitenkin työsarkaa, ja sitä Tampereella kynnetään. Hydrogeelin on oltava biologisesti yhteensopiva solujen kanssa mutta myös tarjottava mekaanisilta ominaisuuksiltaan kehon kudosten kaltainen pehmeys. Se pitää pystyä myös injektoimaan sirun sisälle ja ylläpitämään kudosmallia koko kokeen ajan.
Haasteena standardointi ja hapen hallinta
Kulunutta ilmaisua käyttäen, kudossirujen rakentaminen on tällä hetkellä villi länsi. Monet kehittävät siruja omien tutkimuskysymystensä ympärille, vaikka kaikki saattavat mallintaa ihan samaa asiaa, kuten sydäntä. Olosuhteet ja termistöt voivat kaikilla olla kuitenkin erilaisia.
– Jokainen vähänkin erilainen siru, joka mallintaa samaa asiaa, on liian erilainen. Tämä tekee tulosten vertailun ja tilastollisesti merkittävän otoskoon saamisen vaikeaksi, jopa mahdottomaksi. Talonrakennuksessa on standardoinnit siihen, miten asioiden kuuluu olla. Kudossiru tarvitsee vastaavaa standardointia mikrokoossa, Björninen vertaa.
Niin kauan, kun standardointi ja sääntely eivät ole kunnossa, kudossiruja ei myöskään voida kunnolla jalkauttaa esimerkiksi lääketeollisuuden käyttöön.
Kudossiruteknologiaa, kuten kaikkea soluviljelyä, vaivaa myös systemaattinen ongelma: happipitoisuuden hallitseminen. Ympärillämme olevassa ilmassa happea on noin 20 prosenttia. Kun soluja viljellään inkubaattorissa, sen ovien aukomisen takia happipitoisuus on sielläkin lähes sama.
– Ihmiskudoksessa happea on kuitenkin selkeästi vähemmän. Ja hapella on valtava merkitys siihen, miten solut käyttäytyvät.
Joskus taas olosuhteet 3D-rakenteissa voivat aiheuttaa sen, että sisempiin osiin tuleekin liiankin alhainen happipitoisuus. Siksi verisuonitus ja huokoisuus ovat tärkeitä.
Happi on haaste, mutta se saadaan hallintaan prosessin kriittisissä vaiheissa. Varsinainen Tampereen yliopiston tutkijoiden bravuuri on kuitenkin hapenpuutteen eli hypoksian luominen. Hypoksian tutkimus liittyy erityisesti tautimallinnuksiin. Hapenpuutteella on oleellinen rooli infarkteissa, joissa verisuoni tukkeutuu ja kudosten hapensaanti estyy. Tampereella on keskitytty erityisesti aivo- ja sydäninfarktien mallinnuksiin.
– Se, että meillä on onnistuttu matkimaan infarktin aiheuttamaa hypoksiaa kudoksissa erilaisin mikrofluidistisin tekniikoin, on merkittävä saavutus.
Täällä on myös tartuttu asiaan, jota ei ole vielä juurikaan tutkittu: rasvakudoksen mallinnukseen.
– Rasvakudoksessa erityisen kiinnostavaa on rasvan ja hermosolujen välinen viestintä. Liikalihavuudessa rasvasolut kasvavat. Tämä etäännyttää verisuonia toisistaan ja näin rasvakudokseen syntyy hypoksinen tila. Koska rasvakudosta voi kehittyä muissa kudoksissa, kuten lihaksissa ja maksassa, se synnyttää hypoksiaa myös niihin. Tätä tutkimme meidän rasvakudosmallinnuksissamme.
Monikudosmallintaminen Tampereella
- Tampereen yliopiston Monikudosmallintamisen huippuyksikkö aloitti toimintansa vuonna 2018 ja toimintakausi päättyi joulukuussa 2025. Tutkimusta ja kehitystyötä kudosmallinnusten parissa tehdään jatkossakin.
- Tutkimuksessa yhdistyy solu- ja kudosteknologian, biomateriaalien, anturitekniikan, mikrosysteemien, kuvantamisen ja biomallintamisen osaaminen.
- Uraauurtavan tutkimuksen tekemisen lisäksi yksikön tutkijat ovat osallistuneet kudossirujen standardoinnin tiekartan tekemiseen Euroopan tasolla.
Näin valmistuu kudossiru
Väitöskirjatutkija Kaisa Tornberg näyttää videolla, kuinka kudossiru tehdään.
Kirjoittaja: Sari Laapotti
