• Suomi
  • English

Biocenter Oulu: teknologiapalveluja biolääketieteelliseen tutkimukseen

Biocenter Oulu tarjoaa palveluja proteiinien, solujen ja geenien tutkimisessa sekä transgeenisten eläinten luomisessa. Yksi vahvuusalueista on valo- ja elektronimikroskooppinen kudosten ja solujen kuvantaminen.

 

Biocenter Oulun infrastruktuuri-yksikön johtajan, professori Lauri Eklundin mukaan geneettisesti muokatut mallieläimet ja erityisesti muuntogeeniset hiiret ovat auttaneet tutkijoita ymmärtämään nisäkkäiden normaaliin kehitykseen ja kudosten toimintaan liittyviä ilmiöitä enemmän kuin mikään muu eliö. Ne sopivat myös ihmisellä esiintyvien tautien malliorganismeiksi.

”Useat kuvantamisprojektit Oulussa liittyvät geneettisesti muokattujen hiirten tutkimukseen. Oulussa kuvannetaan hiiren alkioita ja elimiä kokonaisina tai kudosleikkeistä yksittäisten solujen tarkkuudella. Olemme ottaneet käyttöön myös menetelmiä, joilla kuvataan soluja ja makromolekulaarisia rakenteita elävissä hiirissä, joissa kudoksia voidaan kuvata tarkalla resoluutiolla mikroskopiaikkunoiden kautta.”

Tätä tarkoitusta varten on rakennettu intravitaalikuvantamislaboratorio, joka mahdollistaa solujen tutkimisen nukutetussa eläimessä. Laboratoriossa voidaan tehdä myös pieniä kirurgisia toimenpiteitä.

”Täällä myös tehdään tuotetusta kuvadatasta 3D-mallinnusta optisten leikkeiden avulla. Motorisoitujen mikroskooppien avulla voidaan myös muodostaa pinta-alaltaan suuria kudosleikekuvia, jotka ovat mosaiikkimaisia kuvakoosteita kudoksista.”

Biocenter Oulun valomikroskopian ydinpalvelussa on erikoistuttu ns. mesoskooppiseen kuvantamiseen. Mesoskooppinen kuvantaminen auttaa ymmärtämään solujen välisiä vuorovaikutuksia monimutkaisessa kudosympäristössä tai jopa kokonaisissa eliöissä. Mesoskoppisen mittakaavan näytteet ovat tilavuudeltaan ja pinta-alaltaan tavallista suurempia: kokoluokka on muutamasta millimetristä pariin senttimetriin. Sellaisia ovat esimerkiksi hiirten alkiot, kolmiulotteiset elimiä muistuttavat organoidit ja kokonaiset pienet malliorganismit, kuten kärpäset ja kalat.

”Teknisesti mesoskooppinen kuvantaminen edellyttää mikroskopiaan sopivaa kudosviljely-ympäristöä, tarkoitukseen kehitettyä 3D -kuvantamislaitteistoa, kudosten kirkastusmenetelmiä sekä edistynyttä kuva-analyysi- ja prosessointikapasiteettia, sanoo Eklund.

Solujen ja kudosrakenteiden tapahtumien paikantaminen

Valolevymikroskoopilla kuvattu, alkiovaiheessa oleva hiiren munuainen (14.5 päivää). Kuva: Veli-Pekka Ronkainen.

Biocenter Oulussa on käytössä erilaisia mikroskooppeja, joiden ansiosta saadaan monipuolisesti kuvannettua ja paikannettuja useita erilaisia tapahtumia soluissa ja kudoksissa. Kolmiulotteisiin malleihin saadaan myös liitettyä ajallinen ulottuvuus (4D kuvantaminen) elävissä näytteissä. Voidaan laatia kuvasarjoja, joista voidaan seurata, miten solut erikoistuvat ja kasvavat esimerkiksi alkioiksi tai elimiä muistuttaviksi organoideiksi.

”Professori Seppo Vainion tutkimusryhmän työn ansiosta voimme esimerkiksi kasvattaa elintä muistuttavan organoidin muutaman päivän aikana munuaisen eri solutyypeistä. Tämä osaaminen on kiinnostanut myös kansainvälisesti. Moni tutkija on tullut hakemaan oppia Oulusta.”

Konfokaali- ja valolevyfluoresenssimikroskoopit soveltuvat kolmiulotteisten ja elävien näytteiden kuvantamiseen. Ne skannaavat näytteet nopeasti niitä vahingoittamatta. Elektronimikroskoopeilla voidaan puolestaan löytää muutoksia solun ja soluvälitilan rakenteista, jotka ovat valomikroskopian resoluution ulottumattomissa. Tämä teknologia vaati kuitenkin näytteiden paikalleen kiinnittämistä (fiksaamista).

Vaikka valoaaltojen avulla ei saada sellaisia suurennoksia kuin elektronimikroskoopilla, laserherätevalon ja fluoresoivien leimamolekyylien kekseliäällä käytöllä ja kuvadatan käsittelyllä päästään valomikroskopiassa sellaiseen tarkkuuteen, jolla voidaan tutkia yksittäisiä soluja, soluelimiä ja makromolekyylirakenteita.

Jotta muutoin näkymättömät kohteet saataisiin 3D mikroskopiassa näkyviksi ne usein värjätään fluoresoivaksi. Fluoresoiva proteiini kiinnitetään tutkittavaan molekyyliin elävissä solussa tavallisesti geneettisesti. Fluoresoivat yhdisteet (fluoroforit) absorboivat eli ottavat vastaan herätevalon energiaa ja vapauttavat osan tästä energiasta pidempinä valon aallonpituuksina. Tätä kvanttimekaanista ihmisenkin silmällä havaittavaa ilmiötä kutsutaan fluoresenssiksi.

Haluttuja proteiineja voidaan myös etsiä soluista ja kudoksista käyttämällä vasta-aineita, joihin on liitetty fluoresoiva merkkiaine. Vasta-aine tunnistaa tietyn proteiinin ja kiinnittyy siihen. Kiinnittymisen jälkeen merkkiaine havaitaan mikroskoopilla. Käytettävä merkkiaine valitaan sen mukaan millaisella mikroskoopilla näytettä aiotaan tutkia.

”Käytössämme on mm. spektraarisilla detektoreilla ja jatkuvalla laservalolla varustettuja mikroskooppeja, jotka mahdollistavat usean fluoresoivan leiman tutkimisen samanaikaisesti. Näin voidaan tutkia monimutkaisia vuorovaikutuksia.”

Fluoresenssimikroskopiassa merkkiaineena käytetään fluoresoivia molekyylejä ja elektronimikroskopiassa esimerkiksi kultaa.

”Oulussa on myös käytössä ns. label free– kuvantamismenetelmiä, jotka eivät edellytä erityisiä leimoja tai varjoaineita. Tällaisia ovat mm. multifotoni- teknologialla näkyvä sidekudoksen kollageeni tai fotoakustisen mikroskopian avulla kuvattavat elimistön omat molekyylit, kuten hemoglobiini. Jälkimmäisessä teknologiassa yhdistämällä erilaisia herätelasereita voidaan kudoksista saada rakenteellista ja toiminnallista tietoa, esimerkiksi verisuonten rakenteesta ja veren hapetusasteesta. Nämä teknologiat ovat suureksi avuksi kuvattaessa eläviä kudoksia, jonne merkkiaineita on vaikea saada.”

Elektronimikroskopiassa Oulussa on erikoistuttu kudosten ultrastruktuuripatologiaan ja immunoelektronimikroskopiaan, joilla tutkitaan esimerkiksi geenimuokattujen hiirikudosten rakenteita tai viljeltyjä soluja. Näillä tekniikoilla saadaan tietoa hyvin pienistä yksityiskohdista sekä tutkittavien proteiinien täsmällisestä sijoittumista solu- ja kudosrakenteisiin.

Immunoelektronimikroskopiassa metallileimattu vasta-aine liittyy tutkittavaan proteiiniin, jolloin voidaan määrittää proteiinin paikka erittäin tarkasti. Näin voidaan saada uutta tietoa esimerkiksi solujen rakenteista ja proteiinien välisistä yhteyksistä.

”Hienorakenteen tutkiminen elektronimikroskooppisten menetelmien avulla on ollut erityisen hedelmällistä soluväliaineen molekyylien tutkimuksessa, joita ei valomikroskoppisessa tutkimuksessa voida nähdä. Uutena tutkimuskohteena ovat myös solunulkoiset vesikkelit, ”eksomit”, joita voidaan kuvantaa elektronimikroskopian avulla.”

Data-analyysin haasteet

Multifonimikroskopialla kuvannettuja hiiren aivojen verisuonia ja verisuoniin liittyvä soluja. Kuva: Veli-Pekka Ronkainen ja Mika Kaakinen.

Perinteisen kuvantamisen ongelmia ovat olleet huono erotuskyky, pieni kuvantamissyvyys ja kuvadatan tehokkaan analytiikan puute. Elektronimikroskopiassa näytteiden valmistaminen vaatii erikoisosaamista ja biologisen tiedon esiin saaminen kuvista vaatii tutkijoilta harjaantumista.

Oulussa on kehitetty kuvia automaattisesti tulkitsevaa ja oppivaa konenäköä. Tässä Biocenter Oulu on tehnyt yhteistyötä professori Janne Heikkilän, Oulun yliopiston konenäön ja signaalianalyysin tutkimuskeskuksesta. kanssa.

”Suurten näytteiden kolmi- ja neliulotteisessa kuvantamisessa datan tallennus, siirto ja analyysit ovat haasteellisia. Kun data siirtyy mikroskoopista käyttäjälle, sitä pitäisi pystyä analysoida. Analyysit voivat vaatia paljon laskentatehoa. Jos alkuperäinen data säilytetään kaukana, ongelmana sujuvalle kuva-aineistojen käsittelylle voi olla tiedonsiirtonopeudet.”

Lauri Eklundin mielestä Suomen ELIXIR -keskus CSC:n tarjoama infrastruktuuri on kansallisesti toimivin ratkaisu raakadatan varastointipaikaksi ja avoimen datan uudelleenkäytölle.

Vaikka metadataa liitetään kuvadataan, datanhallintaa liittyy vielä paljon ongelmia.

”Jotta kuvadata olisi uudelleen käytettävissä, sen pitäisi olla tiettyjen standardien mukaista, kuratoitua ja annotoitua. Tutkimuksen infrastruktuurit tarvitsevat kuvadatalle ”kirjastonhoitajia” ja kuvainformaatikkoja.”

Ari Turunen

Lue artikkeli PDF-muodossa.

Lisätietoja:

Biocenter Oulu

Biocenter Oulu kuuluu osana suomalaisten biokeskusten muodostamaan Biocenter Finlandin, joka kordinoi merkittävien kansallisten tutkimuksen infrastruktuurien toimintaa. Se on myös jäsenenä eurooppalaisissa tutkimusinfrastruktuureissa. Näitä ovat transgeenisten hiirten (Infrafrontier), biologisen kuvantamisen (Euro-BioImaging), ja proteiinirakennetutkimuksen (Instruct) infrastruktuurit.

https://www.oulu.fi/biocenter/

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
http://www.csc.fi
https://research.csc.fi/cloud-computing

ELIXIR

ELIXIR rakentaa infrastruktuurin bioalan tutkimuksen tueksi. Se yhdistää 21 Euroopan maan ja Euroopan molekyylibiologian laboratorion EMBL:n johtavat organisaatiot yhteiseksi biologisen informaation infrastruktuuriksi. Sen Suomen keskus on CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy.
http://www.elixir-finland.org
http://www.elixir-europe.org