• Suomi
  • English

Kuvantaminen auttaa havainnoimaan datan merkitystä

Bioinformatiikan avulla on selvitetty ihmisen perimä. Nyt uusien kuvantamistekniikoiden avulla päästään katsomaan suoraan, miten geenit vuorovaikuttavat toistensa ja ympäristön kanssa.

 

Nykyaikaisilla kuvantamismenetelmillä saadaan tarkkoja rakennekuvia elimistöstä. Niiden perusteella voidaan diagnosoida sairauksia, suunnitella hoitoa ja seurata hoidon tehokkuutta. Kuvantaminen on kehittynyt huimasti. Nykyisin voidaan tutkia ja analysoida myös eläviä soluja jopa yksittäisen molekyylien tarkkuudella.

Turun yliopiston ja Åbo Akademin yhteinen Turku BioImaging (TBI)  tarjoaa huippuluokan kuvantamisteknologiaa tutkijoiden käyttöön. TBI myös kouluttaa tutkijoita moderneihin biolääketieteen kuvantamistekniikoihin sekä kehittää alan kansainvälisiä infrastruktuureja. Tietokonemallinnusta ja ohjelmistokehitystä tarvitaan kuvallisen datan käsittelemiseksi ja sen analysoimiseksi.

”Osa menetelmistä keksittiin jo 1950-luvulla, mutta tekninen valmius ei vielä pitkään riittänyt siihen,  että tutkijat olisivat voineet niitä käyttää. Nyt tilanne on toinen. Menetelmien käyttö on ollut räjähdysmäisessä kasvussa. Tämän on mahdollistanut lasereiden ja tietokoneiden kehittyminen ja tiettyjen itsevalaisevien molekyylien löytyminen sekä superresoluutiotekniikat. Näiden kehittyneiden menetelmien ja tekniikoiden ansiosta voimme nähdä sellaisia asioita, jotka aiemmin olivat lähinnä tieteiskirjallisuutta”, sanoo TBI:n hallintojohtaja Pasi Kankaanpää.

Kuvantamisessa hyödynnetään eri tekniikoita. Turussa tarjotaan kuvantamispalveluja mm. valomikroskopiasta, elektromikroskopiasta ja atomivoimamikroskopiasta positroniemissiotomografiaan (PET) ja magneettiresonanssikuvantamiseen (MRI). Turussa voidaan analysoida myös tuhansia soluja ja niiden ominaisuuksia virtaussytometrialla.Kerätyn datan analysointiin on tarjolla useita vapaan lähdekoodin ohjelmistoja.

”Kuvantamisen merkitys on tutkimukselle suuri. Liioittelematta voi sanoa, että se on nykyään yksi tärkeimpiä osa-alueita kaikessa biologisessa ja lääketieteellisessä tutkimuksessa,” sanoo Kankaanpää.

Kankaanpää viittaa mm. Suomessa tehtyihin kyselyihin, jossa on selvitetty tärkeimpiä biolääketieteen tutkimusmenetelmiä ja niiden käyttöä. Vaikka bioinformatiikan ansiosta ihmisen ja monien muiden lajien geeniperimä on selvitetty ja biolääketieteellinen tutkimus on edistynyt huomattavasti, se ei vielä Kankaanpään mukaan riitä. Tutkimus edellyttää myös kuvantamista.

”Nyt täytyy saada tietää, mitä geenit tekevät ja miten ne vuorovaikuttavat kaikkien muiden geenien ja ympäristön kanssa.  Ja mikä olisikaan parempi keino tähän kuin yksinkertaisesti katsoa, mitä tapahtuu.”

Kuvamateriaali ei Kankaanpään mukaan itsessään kuitenkaan vielä riitä tulosten saamiseksi. Viime vuosina on kehittynyt uusi tieteenala, jota kutsutaan biokuvien informatiikaksi (bioimage informatics). Se tarkoittaa menetelmiä, joilla kuvia hallitaan ja ennen kaikkea analysoidaan kvantitatiivisesti.  Pelkästään yhden kolmiulotteisen solun mallin koko voi olla useita gigatavuja. Valtavaa määrää kuvadataa käsitellään siten, että siitä saadaan irti todellista informaatiota ja ymmärretään, mitä kuvissa tapahtuu. Analysointia voidaan myös automatisoida mm. koneoppimisen avulla.

”Biokuvainformatiikalle on ennustettu vastaavaa mullistavaa potentiaalia kuin mitä geenitekniikalla oli muutamia vuosikymmeniä sitten. Nyt voidaan myös kuvantamisen perusteella analysoida sairauksien syntyä ja solujen toimintaa.”

TBI tarjoaa esimerkiksi solukuvantamispalveluja, joissa hyödynnetään huippuluokan valomikroskopiaa. Laitteilla voidaan kuvantaa yksittäisiä molekyylejä tai vaikka kokonaisia pieniä, eläviä eliöitä.

TBI rakentaa yleiseurooppalaista kuvantamisinfrastruktuuria (Euro-BioImaging) ja sen maailmanlaajuista laajennusta (Global BioImaging). Kuva. Ari Turunen

Nykyaikaisen valomikroskopian läpimurto Turussa

 

Mikroskopia perustuu valon tai elektronien aaltoliikkeeseen. Nimensä mukaisesti elektronimikroskooppien valonlähteenä on elektronipartikkeleista koostuva säde, jolla näytettä pommitetaan. Elektronimikroskoopissa on valomikroskooppia huomattavasti parempi erotuskyky.  Jopa tuhansia kertoja parempi erotuskyky yltää 0.2 nanometriin. Vaikka elektronimikroskoopin ansiosta saadaan kuvannettua solun sisäisiä rakenteita ja soluelimiä, sitä ei voi käyttää eläviin soluihin, sillä näytevalmistus käytännössä tuhoaa näytteen.

Turun yksiköllä on ansiokas historia mikroskopiassa. Turun biofysiikan laboratoriossa työskennellyt tukija Stefan Hell sai kemian Nobelin vuonna 2014 yhdessä Eric Betzigin ja William Moernerin kanssa erittäin tarkan valomikroskopian kehittämisessä.  Hell teki Turussa ratkaisevat kokeet vuosina 1993-1996.

Valoaaltojen avulla ei saada niin tarkkaa resoluutiota kuin elektronimikroskoopilla, mutta lasereiden ja fluoresoivien molekyylien nerokkaalla käytöllä  tämä rajoitus voidaan kiertää.  Menetelmissä hyödynnetään fluoresenssia eli molekyylin kykyä imeä valoa tietyllä aallonpituudella ja lähettää valoa takaisin korkeammalla aallonpituudella. Fluoresoiva proteiini eli fluorofori kiinnitetään tutkittavaan molekyyliin solussa esimerkiksi geenitekniikan tai vasta-aineiden avulla.  Fluoroforilla tavallaan ”värjätään” tutkittava kohde.

Käyttämällä fluoresoivia merkkiaineita niin, että niiden valoa esimerkiksi ”sytytetään” ja ”sammutetaan” eri tavoilla, voidaan uusilla valomikroskoopeilla päästä näkemään rakenteita, jotka olivat ennen nähtävissä vain elektronimikroskoopilla.  Yksi tällainen menetelmä on Turussa kehitetty STED-mikroskopia (stimulated emission depletion). Sen avulla päästään jopa muutaman nanometrin, eli millimetrin miljoonasosan tarkkuuteen. Näkyvän valon aallonpituudet ovat useita satoja nanometrejä.

 

 

STED-mikroskoopilla voidaan nähdä soluelinten rakenteet ja jopa yksittäisiä molekyylejä ja niiden toimintoja kudoksessa. STED-mikroskoopilla saadaan myös kolmiulotteista kuvadataa ja sitä voidaan käyttää elävillä näytteillä.

 

Superresoluutiossa on kyse siitä, miten fluoresoivia proteiineja eli fluoroforeja käytetään. Kuvassa on Superresoluutiomikroskoopilla (STED) kuvattuja syöpäsoluja, joissa on visualisoitu kahta eri tyyppistä solun rakennetta. Kuvassa on värjätty kaksi eri solunsisäistä rakennetta fluoresoivilla merkkiaineilla: säikeiset rakenteet ovat vimentiiniä (kuuluu solunsisäiseen tukirankaan) ja solujen kärjissä olevat rakenteet fokaaliadheesioita. Ne ovat rakenteita, joilla solu tarttuu alustaansa. Kuva: Mayank Modi, Turku Centre for Biotechnology, Eriksson Laboratory

 

”Olemme kuvanneet kehittyneillä valomikroskoopeilla esimerkiksi flunssaa aiheuttavia viruksia ja sitä, miten ne tunkeutuvat soluun. Kehittämillämme analyysiohjelmistoilla olemme voineet laskea, kuinka monta prosenttia viruksista on mennyt isäntäsolun sisälle ja kuin monta jäänyt ulkopuolelle.  Voimme seurata, mihin virukset solussa menevät, miten nopeasti ne liikkuvat ja milloin ne hajoavat.”

Kuvantamista on käytetty mallina kehittämään nanopartikkeleita, jotka voivat kuljettaa lääkeaineita täsmäohjatusti solun sisään matkimalla näiden virusten toimintamekanismia.  Esimerkiksi syövän hoitamisessa on voitu etäpesäkkeeseen laittaa katetrilla pieniä partikkeleita, joiden avulla sädehoito on kohdisteettu täsmällisesti kasvaimeen.

”Nyt saadaan kolmiulotteista kuvadataa elävästä syöpäsolusta ja nähdään, miten partikkelit liikkuvat. Samalla tavoin kuin flunssaviruksia, olemme kuvanneet, kuinka partikkelit pääsevät soluun sisälle ja miten ne hajoavat. ”

Tavoitteena on kohdistaa lääkkeen vaikutus siten, että se ei vaikuta terveisiin soluihin.

”Päämääränä on ohjata lääkeainetta suoraan  syöpäsoluun, joka halutaan tappaa, eikä muihin soluihin. Näin syöpälääkkeen haittavaikutukset radikaalisti vähentyisivät. Kuvantaminen mahdollistaa tällaisen kehitystyön. Olisi hyvin vaikea kuvitella, miten tällaista työtä voitaisiin tehdä ilman modernia kuvantamista.  ” sanoo Pasi Kankaanpää.

Ari Turunen

 

Lue artikkeli PDF-muodossa

 

Lisätietoja:

 

http://www.bioimaging.fi

 

https://www.eurobioimaging-interim.eu