Yksisoluteknologia tuo apua useaan eri tutkimukseen

Ihmisen kudokset rakentuvat erityyppisistä soluista, joiden keskinäinen yhteistyö saa aikaan kudoksen toiminnan. Uuden yksisolu-RNA-sekvensoinnin eli single-cell RNA sequencing avulla kudoksista voidaan lukea geenejä sadoistatuhansista yksittäisistä soluista. Tulevaisuudessa yksisoluteknologialla voidaan selvittää yhä tarkemmin sairauksien syitä ja kehittää uusia hoitomuotoja.

Tutkijat pyrkivät nyt globaalisti kartoittamaan kaikki ihmiskehon solut ja selvittämään niiden tehtävät. Tätä työtä tekevät myös nuoret tutkimusjohtajat Minna Kaikkonen-Määttä, Tarja Malm ja Katja Kanninen Itä-Suomen yliopiston A. I. Virtanen -instituutista, Merja Heinäniemi Itä-Suomen yliopiston lääketieteen laitoksen biolääketieteen yksiköstä sekä tutkimusjohtaja Tuija Kekarainen Kuopion geeni- ja soluterapiakeskuksesta. He ovat jo onnistuneet hyödyntämään yksisoluteknologiaa muun muassa ennen tuntemattomien solutyyppien löytämisessä. 

Tutkimus solutasolle

Yksisoluteknologiaan perustuva tutkimus käynnistyi Kuopiossa Itä-Suomen yliopiston apulaisprofessori Minna Kaikkonen-Määtän pioneerityön ansiosta. Kaikkonen-Määttä seurasi teknologian käyttöönottoa maailmalla ja lähti edistämään laitteen hankintaa.

– Halusin perustaa Itä-Suomen yliopistoon, Biokeskus Suomen alaisuuteen, yksisolu-genomiikan palveluyksikön. Vuonna 2019 saimme terveystieteiden tiedekunnalta rahoituksen solujen erittelyn mahdollistavan mikrofluidiikkalaitteen hankintaan. Nyt laitetta hyödyntävät useat tutkimusryhmämme. Ensi vuonna tarkoituksenamme on hankkia laite, jolla yksittäisten solujen geenitasot voidaan ensimmäistä kertaa mitata kudosympäristössään, Kaikkonen-Määttä kertoo.

Hänen tutkimusryhmänsä selvittää yksisolusekvensoinnilla sepelvaltimotaudin kehitysmekanismeja. Kolesterolin kertyessä verisuonten seinämiin elimistön puolustusjärjestelmän solut saapuvat paikalle, ja verisuonen seinämän normaalit solut muuttuvat kantasolujen kaltaisiksi. Nyt selvitetään, mitkä kehon solut hidastavat ja mitkä edistävät sairauden kehittymistä.

– Tutkimme yksisolu-teknologialla perintötekijöiden vaikutusta sairauden syntyyn ja hiirimalleilla ruokavalion vaikutusta taudille altistumiseen. Selvitämme, voitaisiinko tauti havaita ennen oireiden ilmaantumista, ja pystytäänkö kehittämään sairausmekanismien heikkoja kohtia hyödyntäviä hoitomuotoja, Kaikkonen-Määttä sanoo.

Tietoa aivosairauksista

Professori Tarja Malmin johtama neuroinflammaation tutkimusryhmä tutkii, miten aivojen puolustusjärjestelmän solut eli mikrogliasolut ja hermosolut vaikuttavat toisiinsa. Aivosairauksissa, kuten Alzheimerin ja Parkinsonin taudeissa, mikrogliasolujen toiminta häiriintyy. Tämä aiheuttaa puolestaan muutoksia hermosolujen toiminnassa. Malmin ryhmä identifioi yksisolutranskriptomiikkamenetelmällä, mitä solumuutoksia tapahtuu keskenään suorassa kontaktissa olevien mikroglia- ja hermosolujen välillä. Solujen toiminnan syvällisempi ymmärtäminen edesauttaa uusien lääkehoitokohteiden tunnistamista.

– Mikrogliasolujen toimintahäiriöt ovat varhaisimpia aivosairauksien aiheuttamia muutoksia. Uskomme, että mikrogliasolujen epänormaali toiminta voi jopa aiheuttaa aivosairauksia. Tutkimme Kuopion yliopistollisesta sairaalasta eli KYS:stä saamiamme aivonäytebiopsioita sekä kantasoluista viljelemiämme 3D-malleja ja pyrimme löytämään aivosairauksien varhaisen vaiheiden mekanismeja. Tavoitteenamme on, että löydöksiämme voidaan hyödyntää aivosairauksien varhaisen vaiheen lääkehoidon kehittämisessä, Malm sanoo.

Kuopiossa neurotieteet ovat erittäin vahva tutkimusala. Itä-Suomen Yliopistossa on useita neurotieteiden tutkimusryhmiä, jotka tekevät tiivistä yhteistyötä sekä toistensa että KYSin kanssa, mutta myös kansainvälisesti. Mikrofluidiikkalaitteen mahdollisuuksia hyödyntää Alzheimerin taudin tutkimuksessa myös apulaisprofessori Katja Kannisen aivosairauksien neurobiologian tutkimusryhmä. 

Kannisen ryhmä on kerännyt ensimmäistä kertaa maailmassa hajuepiteelinäytteitä Alzheimerin tautia sairastavilta potilailta. Alzheimerin taudin hyvin varhaisessa vaiheessa potilaiden kyky haistaa ja tunnista hajuja heikentyy. Tutkimalla hajuepiteelinäytteitä yksisolusekvensoinnilla voidaan selvittää, millaisia varhaisia solumuutoksia Alzheimerin tauti aiheuttaa hajuepiteeleihin ja mitä aivoissa tapahtuu molekyylitasolla tautiin sairastuttaessa.

---

Ratkaisuja syövän vastaiseen taisteluun

Yksisoluteknologiaa on hyödynnetty myös syöpätutkimuksessa. Kuopion geeni- ja soluterapiakeskuksen, KCT:n dosentin Tuija Kekaraisen tutkimusryhmä kehittää soluhoitoja syöpäsairauksiin yhteistyössä Itä-Suomen yliopiston ja Kuopion yliopistollisen sairaalan kanssa. Tutkimustyössä mikrofluidiikka on keskeisessä osassa. 

Kekaraisen mukaan kiinteät syöpäkasvaimet ovat biologisesti hyvin monimuotoisia ja pystyvät piiloutumaan immuunijärjestelmältä. Kehitteillä on soluterapiahoitoja, joissa käytetään immuunijärjestelmän soluja syöpäkasvaimen tuhoamisessa. Immuunisolujen tutkimisessa avainasemassa ovat yksisoluteknologiat ja 3D-kasvainmallit.

– Tutkimme, millaisia immuunisoluja pahanlaatuisilla munasarjasyövillä ja aivokasvaimilla on sekä selvitämme, miten ne toimivat. Tavoitteenamme on oppia tuntemaan sairaus paremmin. Pyrimme myös löytämään sellaiset ihmisen omat immuunisolut, jotka pystyvät parhaiten taistelemaan syöpäkasvainta vastaan. Tukimustietoa voidaan hyödyntää geeni- ja soluterapian sekä lääkehoitojen kehittämisessä, Kekarainen sanoo.

Yksisoluteknologiaan perustuvaa syöpätutkimusta tehdään myös Itä-Suomen yliopiston lääketieteen laitoksen biolääketieteen yksikössä. Apulaisprofessori Merja Heinäniemen systeemitason genomiikan tutkimusryhmä selvittää eri tyyppisten sairauksien syntymekanismeja, jotka liittyvät solujen tilan säätelyn häiriöihin. Yhtenä keskeisenä tutkimuskohteena on lasten leukemia.

– Pyrimme selvittämään, miten luuytimessä oleva, valtava solukirjo muuttuu verisyöpien puhjetessa ja lääkehoidon aikana. Yksisoluteknologialla pystymme tutkimaan, miksi tietyt syöpäsolut selviytyvät lääkehoidosta ja toiset eivät. Tavoitteenamme on muun muassa löytää keinoja estää lääkeresistenttien solumuotojen syntyminen.

Yksisoluteknologia tuo uusia haasteita tutkimustulosten tulkintaan. Aiemminkin biolääketieteen tutkimuksessa saatiin geeniluennasta valtavan suuria tulostaulukoita, mutta solutasoisen tutkimuksen myötä datamassan määrä voidaan kertoa kymmenillä tai sadoilla tuhansilla. Tutkimuksessa tarvitaankin avuksi kehittyneitä bioinformatiikan työkaluja ja data-analyysia.

–  Itä-Suomen yliopiston Bioinformatiikkakeskuksen tarjoamat data-analytiikan, menetelmäkehityksen ja tiedonhallinnan asiantuntijapalvelut tukevat tutkijoita yksisoluteknologian hyödyntämisessä. Keskus kehittää monitasoisen tulosten tulkinnan mahdollistavia ja koneälyyn perustuvia ratkaisuja yhteistyössä  yliopiston datatieteen ja kansainvälisen yhteistyöverkoston kanssa, Heinäniemi kertoo.