• Suomi
  • English

Koira haistaa sairauksia

Metabolomiikka tutkii elimistön aineenvaihduntatuotteita, niiden rakennetta ja toimintaa soluissa, veressä ja eritteissä. Olennaista on selvittää aineenvaihduntatuotteiden eli metaboliittien merkitystä ja vaikutusta ihmisen hyvinvointiin ja terveyteen. Soile Rummukainen tutkii koirien ja ihmisten syöpiä metabolomiikan avulla. Tavoitteena on tunnistaa syövän hajun molekyylit.

 

Koirien hajuerottelukoulutukseen erikoistuneen Wise Nosen eli Suomen hajuerottelu ry:n toiminnanjohtaja Susanna Paavilainen huomasi, että hänen Kössi-koiransa haisteli toisesta koirasta tiettyä kohtaa sen iholla. Paavilainen huomasi, että jotain on vialla. Lopulta paljastui, että toisella koiralla oli iensyöpä. Paavilainen päätteli, että koulutettu koira voisi hajuaistinsa avulla havaita lajitovereiltaan syövän.

Syövän havaitseminen 100 prosentin tarkkuudella

Monitieteinen tutkimushanke käynnistyi Helsingin yliopiston eläinlääketieteellisen tiedekunnan, Wise Nosen, Aqsens Health Oy:n ja Itä-Suomen yliopiston välillä. Ensin koirat koulutettiin tunnistamaan koirien nisäsyövän merkkiaineita virtsanäytteistä. Testien mukaan hajukoirien tulokset olivat hyviä ja syöpäsairauksien havaitsemisaste oli lähes 100 prosenttia Nyt tätä menetelmää aletaan laajentaa miesten eturauhassyövän ja naisten rintasyövän havaitsemiseen.

Koirien hajuaisti on erinomainen. Keskikokoisella koiralla on jopa 220 miljoonaa hajureseptoria nenässään, kun ihmisellä on vain 5 miljoonaa. Koirat haistavat tuhansia kertoja paremmin kuin ihmiset. Orgaanisten aineiden tunnistamiseen käytettävä massaspektrometri tarvitsee yleensä noin kymmenen miljardia molekyyliä, ennen kuin mitään näkyy mittauksissa. Koira voi haistaa sairauden huomattavasti pienemmästä määrästä. Itä-Suomen yliopiston mittauksissa Kössi-koiralle riitti näyte, jossa oli vain kymmenen molekyyliä.

Massaspektrometri tarvitsee yleensä noin kymmenen miljardia molekyyliä, ennen kuin mitään näkyy mittauksissa. Koira voi haistaa sairauden huomattavasti pienemmästä määrästä. Itä-Suomen yliopiston mittauksissa koiralle riitti näyte, jossa oli vain kymmenen molekyyliä.

Koirien löytämät näytteet analysoidaan massaspektrometrilla

Aineenvaihduntatuotteet eli metaboliitit ovat yhdisteitä, joilla on pieni molekyylipaino ja jotka osallistuvat erilaisiin toimintoihin solujen aineenvaihdunnassa. Näitä pieniä molekyylejä ei voi nähdä eikä havaita suoraan, vaan tarvitaan mittalaitteita, kuten massaspektrometrejä, joiden tuottamia signaaleja analysoidaan.

Itä-Suomen yliopiston farmasian laitoksen nuorempi tutkija Soile Rummukainen tutkii Kuopiossa koirien haistamia ja löytämiä syöpänäytteitä massaspektrometrilla.

“Tarkastelemme näitä syöpänäytteitä ja kontrolliryhmän näytteitä käyttämällä ensin kohdentamattoman metabolomiikan menetelmää. Massaspektrometrin avulla näemme virtsanäytteiden aineenvaihduntatuotteista kymmeniä tuhansia molekyylipiirteitä. Tilastotieteen avulla vertailemme ryhmien välisiä eroja ja pyrimme tunnistamaan mielenkiintoisimmat metaboliitit eli ne, jotka eroavat ryhmien välillä.”

Massaspektrometrin ja nestekromatografian avulla näytteestä voidaan erottaa siinä olevat yhdisteet ja muodostaa niille kullekin massaspektri. Massaspektrin piikkien sijainnista (x-akseli) käy ilmi molekyyleistä muodostuneiden ionien massa ja piikkien korkeudesta (y-akseli) niiden suhteellinen runsaus. Molekyylin pilkkoutumistuotteista voidaan puolestaan päätellä molekyylin rakenne. Nestekromatografia (LC) yhdistettynä massaspektrometriaan (MS) on tehokas analyysitekniikka metaboliittien määritykseen. LC-MS -menetelmiä käytetään paljon lääketutkimuksessa sekä kliinisessä diagnostiikassa.

Metaboliittien tunnistaminen haastavaa

Rummukaisen mukaan metabolomiikassa molekyylien tunnistaminen on haastava osa-alue. On pystyttävä tunnistamaan pilkkoutumisspektriä vastaava molekyylirakenne. Pilkeioneja verrataan maailmanlaajuisiin tietokantoihin ja niiden spektrikirjastojen kokoelmiin sekä omiin standardeihin.

”Oma standardi-kirjastomme on täällä yliopiston laitteilla analysoitujen standardien kokoelma. Niiden avulla saamme tarkimman tunnistuksen metaboliiteille, koska ne on analysoitu samalla menetelmällä ja antavat myös tunnistukselle tärkeän retentioaikatiedon. Oma kirjastomme on kuitenkin kooltaan rajallinen, joten työssä on käytettävä myös muita tietokantoja.”

Retentioaika tarkoittaa aikaa, joka yhdisteeltä kuluu kulkiessa kromatografialaitteiston läpi detektorille.

”Biologisessa näytteessä voi olla on tuhansia aineenvaihduntatuotteita. Kun näyte analysoidaan massaspektrometrilla, saadaan dataa, joka antaa kymmeniä tuhansia molekyylipiirteitä. Nämä piirteet täytyy sitten yhdistää molekyyleiksi. Tarkan massan, pilkkoutumisspektrien ja retentioajan avulla näytteestä saadaan tunnistettua keskimäärin sadasta kahteensataan metaboliittia, mikä on aika pieni määrä.”

 

Massaspektrometrin mittausdataa. Yläkuvassa näkyvät kaikki ionisoituneet eli ioneiksi muodostuneet yhdisteet per ajanhetki (total ion chromatogram). Itse kuvasta ei voi erottaa tutkimukselle merkittyvä ja informaatioita sisältäviä ioneita muista ioneista ennen datan käsittelyä. Raakadata muutetaan ohjelmistojen avulla datamatriisiksi. Tutkijat puhuvat piikin poiminnasta. Vasta piikkien poiminnan, data-analyysin ja tilastollisten käsittelyjen jälkeen saadaan on tieto, mitkä yhdisteet ovat tärkeitä eli tässä tapauksessa ne, jotka eroavat syöpänäytteissä ja vertailunäytteissä. Alempi kuva on yhdestä ajanhetkestä (retentioaika 4.03min,), jossa näkyy, minkä massaisia ioneita täsmälleen tuossa ajassa spektrometri on havainnut. Datamatriisi sisältää yhdistetyn retentioaika- ja ionin massatiedon sekä tämän molekyylipiirteen ionin määrän (abundance tai area). Kun mielenkiintoisimmat yhdisteet on datasta löydetty, ne löytyvät myös näistä kuvaajista ohjelmiston avulla. Lisäksi tarvitaan yhdisteiden pilkkoutumisspektrit, joita käytetään yhdisteiden tunnistamiseen.

Koirat tulevat nyt taas avuksi. Seuraavaksi tehdään fraktiointeja eli näytteistä otetaan osanäytteitä. Sitten käydään uudestaan testaamassa koirilla, onko haju vieläkin osanäytteissä.

Suurin työ on Rummukaisen mukaan fraktioiden tekemisessä ja analysoinnissa.

”Jatkossa tutkimme näitä osanäytteitä ja analysoimme tarkemmin niiden sisältämiä yhdisteitä käyttäen massaspektrometrisiä menetelmiä ja ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa (NMR). Tavoitteenamme on hajukoirien ja koirien nisäsyöpänäytteiden avulla kehittää menetelmä, jota hyödynnetään myös ihmisten syöpään liittyvien metaboliittien määrittämiseen.”

Koiria koulutetaan tällä hetkellä haistamaan eturauhassyöpää ja rintasyöpää. Myös datan käsittely on tärkeää. Massaspektrometrin raakadatan käsittely tarvitsee paljon laskentakapasiteettia ja levytilaa.

”Yksittäinen metaboliitti voi liittyä kymmeniin solunsisäisiin signaalireitteihin. Tässä tarvittaisiin avuksi tietokonesimulointia, jotta löydettyjen muutosten biologinen merkitys avautuisi paremmin. Myös genomiikan ja proteomiikan antaman tiedon yhdistäminen metabolomiikkaan olisi mielenkiintoista, kunhan tarvittavat ohjelmistot ja työkalut tulevaisuudessa kehittyvät. ”

 

Ari Turunen

Lue artikkeli PDF-muodossa

 

Lisätietoja:

 

LC-MS Metabolomiikkakeskus, Itä-Suomen yliopisto

http://www.uef.fi/fi/web/metabolomics-center

 

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