• 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, datanhallintaan 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

 

Konfokaalimikroskopia: 3D

Kuva: Veli-Pekka Ronkainen

Tavanomaisessa valo- ja fluoresenssimikroskoopissa valo valaisee koko näytteen läpi, valoaalto himmenee ja diffraktion vuoksi valo siroaa kudoksissa ja aiheuttaa kuvannettavan kohteen sumentumisen, ja huonon syvyysterävyyden paksuissa näytteissä

Konfokaalimikroskooppi puolestaan skannaa kapean lasersäteen avulla yhtä pientä osaa optista näytekerrosta kerrallaan, poistaa ei-fokustasossa olevaa valoa, ja saavuttaa paremman tarkkuuden näytteistä jotka ovat liian paksuja perinteiselle fluoresenssimikroskopialle.

Konfokaalimikroskoopissa lopullinen kuva muodostetaan pienistä kohdistetuista alueista. Kolmiulotteisia kuvia saadaan rekonstruoimalla kaksiulotteiset kuvat näytteen eri syvyyksistä. Kolmiulotteisella mallinnuksella yhdistämällä useita optisia leiketasoja voidaan visualisoida rakenteita, joita ei voi nähdä perinteisellä valomikroskopialla.

”Uusien teknologioiden käyttöönotossa on hyödynnetty Oulun yliopiston monitieteisyyttä. Esimerkiksi valolevymikroskopiassa ja fotoakustisessa mikroskopiassa kehitystyötä on tehty Oulun yliopiston optoelektroniikan ja mittaustekniikan laboratorion dosenttien Matti Kinnusen ja Teemu Myllylän kanssa, ennen kuin teknologiat ovat olleet kaupallisesti saatavilla. Tämä tuo tutkijoille kilpailuetua ”, sanoo Lauri Eklund.

Valolevyfluoresenssimikroskopia ja aikasarjat elävien näytteiden kuvaamiseksi

Kuva: Veli-Pekka Ronkainen.

Valolevyfluoresenssimikroskopian (light sheet) avulla voidaan kuvantaa valolle herkkiä näytteitä tai nopeita biologisia prosesseja mikroskooppisesti suuressa elävässä organismissa. Näyte valaistaan herätevalolla vain yhdessä tasossa kerrallaan ja näytteestä syntyvä signaali kerätään toisella objektiivilla. Mikroskoopissa on jatkuva optinen jaksotus: kun näytettä siirretään valotasolla, yksittäiset optiset tasot voidaan taltioida 3D-kuviksi. Isoja 3D-näytteitä voidaan skannata nopeammin mutta hieman huonommalla resoluutiolla kuin konfokaalimikroskoopilla.

”Biocenter Oulu oli Suomessa ensimmäinen laboratorio, joka otti käyttöön tämän teknologian. Oulussa valolevymikroskopialla voidaan kuvata mesoskooppisia kudoskirkastettuja, mutta myös eläviä kolmiulotteisia näytteitä, jolloin kuviin saadaan aikaulottuvuus. Näin voidaan kuvata esimerkiksi geneettisesti leimattujen yksittäisten solujen kasvaminen kokonaisiksi alkioiksi tai organoideiksi tietyssä ajassa”,  sanoo Eklund.

Heidelbergissä kehitetyn uuden valolevyfluoresenssimikroskoopin ansiosta, vuonna 2015 EMBL:n laboratoriossa Heidelbergissa tutkijat ensimmäistä kertaa pystyivät tarkkailemaan hiiren alkion kehittymistä muutaman ensimmäisen päivän aikana kun se alkoi kehittyä hedelmöityneestä munasolusta alkioksi.

Yhdysvalloissa (Howard Hughes Medical Institute) julkistettiin vuonna 2018 monia kuvakulmia hyödyntävä mikroskooppi, jossa voidaan tarkastella alkion kasvua yksittäisen solun tasolla. Tutkijat seurasivat solualkioita ja tarkastelivat, mitkä geenit kytkeytyivät päälle ja mitkä solut liittyivät toisiinsa.

Kaksi valotasoa valaisivat alkiota ja kaksi kameraa tallensivat varhaista elinten kehittymistä. Algoritmit jäljittivät alkion paikan ja koon. Algoritmit kartoittivat kuin valolevy liikkuu näytteessä ja sitten ratkaisee, miten saada parhaimmat kuvat, mutta samalla huolehtii kuitenkin siitä, että alkio on kiintopisteessä. Koska alkio muuttuu koko ajan, mikroskoopin pitää alituisesti mukautua ja tehdä ratkaisuja hyvin nopeasti, mitä sadoista kuvista ja aikaikkunoista otetaan huomioon.

”Tulevaisuuden kehittyneet mesoskooppiset menetelmät voivat hyödyntää ei-diffraktoituvaa herätevaloa (Bessel Beam ja Airy Beam). Poiketen tavallisesta valosta, näissä herätevaloissa intensiteetti pysyy vakiona paksuissa kudosnäytteissä. Lisäksi herätevalon asymmetrinen muoto ja uudelleen muotoutumisominaisuus parantavat kuvantamisresoluutiota ei-homogeenisissä ja valoa paljon sirottavissa kudosnäytteissä.”

Uudelleenmuotoutumisessa tarkoitaan sitä, että vaikka herätevalon säde osuu osittain esteeseen se palautuu ennalleen, toisin kuin tavallinen valo.

Lauri Eklundin mukaan elävien näytteiden nopean kolmiuloitteisen kuvantamistekniikoiden kehittymisen myötä tallennetun kuvatiedon määrä on kasvanut valtavasti. Samoin tarve kuvadatan kvantitatiivisille analyysiohjelmistoille on suuri.

”Uusista tekniikoista saadaan kaikki hyöty irti, jos osataan myös kuvankäsittely. Erityisesti mesoskooppisessa kuvantamisessa näytteiden suuri koko edellyttää tehokkaita kuva-analytiikan ja prosessoinnin työkaluja jotka esimerkiksi voivat poistaa kuvista taustahälyä ja mahdollistavat tarkkojen 3D-mallennusten tekemisen. Älykkäillä tietokoneohjelmistoilla voidaan lisäksi analysoida solujen käyttäytymistä ja tunnistaa solujen ominaisuuksia. Voidaan esimerkiksi erottaa solytyyppejä, määrittää solujen jakautumisen aktiivisuutta ja analysoida solujen liikkumis- tai elinkykyä.”