Oulun yliopiston evolutiivisen lääketieteen dosentti Ville Pimenoff käyttää paljon CSC:n superlaskentaympäristöä ja sensitiivisen datan palveluja tutkiessaan viruspopulaatioiden genetiikkaa ja ihmisen biologisia ympäristöaltisteita. Pimenoff on erikoistunut biopankkipohjaiseen ympäristöaltisteiden ja ihmisen eksposomin tutkimiseen. Eksposomi tarkoittaa sitä kokonaisuutta, mille ihminen elinaikanaan altistuu elinympäristössään. Eksposomitutkimus pyrkii ymmärtämään, mikä vaikutus ekposomin eri osa-alueilla on ihmisen terveyteen.
Yksi Pimenoffin viimeaikaisista tutkimuksista osoitti, että HPV-rokote suojaa tehokkaasti syöpää aiheuttavilta papilloomaviruksilta, mutta muuttaa samalla merkittävästi jäljelle jäävien vähemmän syöpää aiheuttavien papilloomavirusten ekologista dynamiikkaa.
Pimenoff teki väitöskirjansa suomalaisten ja suomensukuisten kansojen geneettisestä historiasta. Tällä hetkellä hänellä on kymmenen tutkimushanketta, joissa teemana on ihmisiä infektoivien mikrobien evolutiivis-ekologinen tarkastelu.
”Minun työni keskiö on laskennallinen genetiikka ja metagenomiikka, joka tarkoittaa sitä, että tutkimusnäytteestä pyritään DNA-sekvensoinnilla analysoimaan eri eliöistä ja mikrobeista lähtöisin oleva DNA. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että tutkimusaineistot ovat datan määrältä usein kymmeniä, joskus jopa satoja teroja sekvenssidataa.”
Pimenoffin tutkimus virusten ja muiden mikrobien geneettisestä muuntelusta vaatiii paljon laskentaa ja datan käsittelyä.
Tiede tuntee jo yli 200 eri papilloomavirusta, jotka infektoivat ihmistä. Osa näistä HPV-viruksista on yleisimpiä seksin välityksellä tarttuvia viruksia, jotka aiheuttavat kohdunkaulan syöpää. Käytännössä suurin osa suomalaisista saa jossakin elämänsä vaiheessa tällaisen syöpää aiheuttavan HPV-tartunnan, yleensä nuorena. Jos infektio jää pysyväksi, se voi kehittyä syövän esiasteeksi ja lopulta muuttua syöväksi. Kohdunkaulan syöpä liittyy lähes aina pitkäkestoiseen HPV-tartuntaan.
Tämän vuoksi on kehitetty HPV-rokote, joka antaa suojaa erityisesti kohdunkaulan syöpää vastaan, mutta se tehoaa myös muiden genitaalialueiden sekä suun ja nielun alueiden HPV-infektioiden aiheuttamiin syöpiin. Pimenoffin mukaan HPV- virusten evolutiivinen tarkastelu osoittaa, että HPV-rokotteen antama laumasuoja on tehokas tapa suojata väestöä HPV:n aiheuttamilta syöviltä, etenkin kun sekä tytöt että pojat rokotetaan. Lisäksi väestön riittävä rokottaminen muuttaa jäljelle jäävien vähemmän syöpää aiheuttavien papilloomavirusten ekologista dynamiikkaa.
“Tämä johtaa siihen, että kohdunkaulan syövän seulonta HPV-infektioiden osalta tulee lähitulevaisuudessa keventää tai lopettaa rokotetuilta seulonnat kokonaan.”
Pimenoffin tutkimusala on evolutiivinen lääketiede ja genomiikka.
”Lääkäri tarkastelee papilloomavirusta infektiona, joka saattaa aiheuttaa potilaalle syövän. Epidemiologi tutkii infektion osalta, onko väestön elintavoista löydettävissä tekijöitä, jotka lisäisivät riskiä, että infektio johtaa syöpään.”
Pimenoff tarkastelee infektioita viruspopulaatioiden näkökulmasta.
“Minun näkökulma on, että väestössä kiertää aina suuri määrä viruksia. Yritän ymmärtää sitä dynamiikkaa, millä nämä miljoonat virukset väestössä leviävät ja aiheuttavat tauteja ja miten tämä viruspopulaation dynamiikka muuttuu, jos esimerkiksi iso osa väestöstä rokotetaan osaa viruksia vastaan. Eli tutkin virusten populaatiotason dynamiikkaa sekä lyhyellä että pitkällä evolutiivisella aikaskaalalla.”
Papilloomaviruksia tutkiessaan Pimenoffin aineistona oli 33 suomalaista kaupunkia, joista noin 22 000 nuorta monitoroitiin 16 vuotta sen jälkeen kun suurin osa heistä oli saanut HPV-rokotteen. Tutkimusaineisto on maailman suurin paikkakuntakohtaisesti satunnaistettu rokotus-kohortti, joka mahdollisti erinomaisen asetelman tarkastella papilloomavirusten evolutiivista dynamiikkaa siinä väestössä, joka oli rokotettu ja verrata siihen osaan väestöä, jota ei rokotettu.
”Tästä kohortti-aineistosta tietokoneavusteisesti simuloin puolen miljoonan suomalaisen nuoren naisen HPV-infektioiden prevalenssiaineiston. Tähän simulointiin ja siitä saadun synteettisen ja alkuperäisen aineiston muokkaamiseen ja tarkasteluun hyödynsin CSC:n laskentatehoa ja sensitiivisen datan virtuaalipilveä.”
Synteettistä dataa voi analysoida CSC:n kaikissa palveluissa. Sensitiivisen datan käsittelyyn on tarkoitettu oma palvelunsa.
Virusten genomiikkaan liittyvien projektien lisäksi erityisesti ympäristöaltisteiden tutkimuksessa Pimenoff käyttää paljon CSC:n palveluja.
”Olemme Suomessa rekrytoineet sata naista ympäristöaltisteiden eksposomi-tutkimukseen. Tutkimusaineistossa osa naisista on raskaana. Naiset kantavat neljän kuukauden ajan mukanaan pientä ilmapumppua, jota kutsumme eksposomi-mittariksi. Se kerää filtteriin pienhiukkasia, kuten bakteereja, sieniä ja kemiallisia hiukkasia. Eksposomi-mittareiden filtterit vaihdetaan kahden viikon välein, jolloin saadaan pitkä mahdollisten ympäristöaltisteiden näytesarja. Filttereistä eristetään mikrobien DNA, joka sekvensoidaan. Tästä saadaan ns. metagenominen seuranta-aineisto.”
Filttereistä saadaan myös massaspektrometrialla analysoituna selville erilaiset kemialliset yhdisteet, joille naiset ovat samana seuranta-aikana altistuneet. Näin, koska seurattavat on rekrytoitu eri paikkakunnilta, voimme arvioida ympäristöaltisteiden yhtäläisyyksiä ja erovuuksia Suomessa eri vuodenaikoina niin kaupungissa kuin maaseudulla.
“Käytännössä tällaisen aineiston käsittelyä ei voi tehdä muualla kuin suojatussa superlaskentaympäristössä ja CSC:n sensitiivisen datan palvelut mahdollistavat tämän. “
Pimenoff on rakentanut yhteistyössä CSC:n kanssa järjestelmän, jossa sensitiivisen datan analysointi voidaan jakaa myös yhteistyökumppaneille ulkomaille. Aineistoa siis käytetään saman CSC projektin sisällä yhteistyökumppanien kanssa eli tarvittaessa sitä voidaan jakaa vain tietyille tutkimusryhmille. Aineiston jakaminen tapahtuu SD Connect-palvelun kautta. SD Apply on työkalu, jolla voidaan myöntää lupia aineistoon.
”Voimme antaa luvan anonyymin datan analysointiin ulkomaalaisille yhteistyökumppaneillemme, mutta aineistot käsitellään vain CSC:n ympäristössä ja niitä ei voi siirtää ulkomaille. CSC:n työkalut sensitiivisen genomidatan analysoimiselle ovat nyt paremmat kuin aiemmin. CSC on tehnyt hyvää kehitystyötä,” Pimenoff kehuu.
Haasteita on kuitenkin edelleen CSC:n systeemin datan käsittelyssä ja käyttäjäystävällisyydessä. Miten käsitellä mahdollisimman jouhevasti isoja aineistoja ja miten käyttöoikeudet jaetaan eri aineistoille? Entä miten käyttöoikeuksia voi ketterästi hallinnoida, jos on CSC:n asiakkaana useissa eri projekteissa? Sensitiivisen datan palveluiden käyttöliittymää pitäisi Pimenoffin mielestä kehittää, jotta suurten data-aineistojen analysoiminen ulkomaalaisten yhteistyökumppanien kanssa tulisi joustavammaksi.
Ari Turunen
8.3.2024
Lue artikkeli PDF-muodossa
Sitaatti
Turunen, A., & Nyrönen, T. (2024). Evolutionary dynamics of viruses and other microbes affect human health. https://doi.org/10.5281/zenodo.13691466
Lisätietoja:
FIRI
Suomen Akatemia on tukenut artikkelin tuotantoa apurahalla numerolla 345591, joka on myönnetty FIRI 2021-hankkeelle ”ELIXIR European Life-Sciences Infrastructure for Biological Information”.
Oulun yliopisto
CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy
on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keski- tettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
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.
ELIXIR is partly funded by the European Commission