Pienen pieni anturi, suuren suuri tehtävä

Akatemiatutkija Emilia Peltola pitää kädessään anturia, jolla on tulevaisuudessa merkittävä tehtävä aivosairauksien hoidossa. Useat sairaudet, kuten masennus, krooninen kipu, Parkinsonin tauti ja epilepsia, aiheutuvat aivojen hermovälittäjäaineiden häiriöistä. Hermovälittäjäaineiden avulla solut muun muassa viestivät keskenään. Ongelmat aineiden tuotannossa aiheuttavat Parkinsonin taudissa esimerkiksi käsien vapinaa.

Parkinsonin taudin ja epilepsian hoidossa on saatu hyviä tuloksia syväaivostimulaatiolla. Siinä potilaan aivoja stimuloidaan sähköisesti tuottamaan hermovälittäjäaineita, kuten dopamiinia. Jos aivoihin asennettavaan hoitolaitteeseen lisättäisiin anturi, lääkäri saisi tietää reaaliajassa, miten välittäjäaineet reagoivat annettuun hoitoon. Hermovälittäjäaineet ovat niin pieniä, että niitä ei pysty näkemään. Niinpä mikään laite ei voi tuoda niiden toimintaa silmiemme eteen, vaan tietoa pitää kerätä muulla tavoin.

”Anturin ehdoton etu olisi sen tuottaman tiedon reaaliaikaisuus. Hermovälittäjäaineet liikkuvat hyvin nopeasti solusta toiseen ja vain tosiaikaisella menetelmällä saamme tietää, miten paljon ainetta kulloinkin on. Hoidosta tulisi tehokkaampaa ja haittavaikutusten riskit pienenisivät”, Peltola kertoo.

Peltola on sekä tekniikan tohtori että lääketieteen tutkija. Monitieteisestä taustasta on hyötyä tekniikkaa ja biologiaa yhdistävässä työssä. Keväällä 2019 saadun akatemiarahoituksen sekä Jane ja Aatos Erkon säätiön rahoituksen turvin hän etsii parasta mahdollista keinotekoista materiaalia hermovälittäjäainetta mittaaviin antureihin.

Kohti uusia hoitomuotoja

Hermovälittäjäaineiden pitoisuuksien lisäksi on tärkeää tietää, missä kohtaa hermovälittäjäainetta vapautuu, miten nopeasti ainetta vapautuu solusta ja miten nopeasti solu ottaa aineen takaisin talteen. Nykyisillä menetelmillä tätä tietoa ei saada.

Mittauspaikka aivoissa vaikuttaa siihen, mitä hermovälittäjäainetta voidaan mitata. Esimerkiksi oppimiseen ja muistiin vaikuttavan hermovälittäjäaineen glutamaatin toimintaa tutkitaan erityisesti hippokampuksessa. Paikallisilla mittauksilla saadaan uutta tietoa sairauksien mekanismeista sekä aivojen ja lääkkeiden toiminnasta.

Peltola uskoo, että jos mittaaminen olisi mahdollista kehomme sisällä, tutkijat voisivat kehittää uusia diagnostiikka- ja hoitomenetelmiä.

”Meillä voisi olla uusia hoitoja, jotka eivät vain hidasta sairauksia vaan pysäyttävät tai jopa parantavat ne.”

Oikea materiaali tekee anturista osan kehoa

Mitä tapahtuu, kun saat tikun sormeesi etkä saa sitä pois? Sinua suojellakseen kehosi kehittää arpikudoksen tikun ympärille. Tämä on hyvä asia, sillä muuten tulehdus saattaisi levitä ja olla hengenvaarallinen. Kehosi toimii samalla tavalla myös silloin, kun tikun paikalla on sinne varta vasten asennettu, sinua hoitava esine, kuten anturi.

Meitä suojeleva puolustusjärjestelmä tekee Emilia Peltolan työn haastavaksi, sillä anturin ympärille kehittyvä arpikudos estää mitattavien aineiden pääsyn sen pinnalle. Mittaus ei silloin enää onnistu.

Tutkijoiden toiveena on, että kehoon asennettavat anturit tulisivat osaksi kudosta. Näin tapahtuu silloin, kun hermosolut kiinnittyvät anturiin. Kehomme kuitenkin lähettää anturin ympärille hermotukisoluja, jotka muodostavat mittaamista haittaavan arpikudoksen. Jotta anturi houkuttelisi oikeita soluja, sen pinnan tulisi olla tietynlainen. Millainen, sitä tutkijat eivät vielä tiedä.

Hyvät, pahat proteiinit

Jo pelkästään arpikudosongelman ratkaisemisessa riittää työsarkaa. Sen lisäksi myös proteiinit tuottavat päänvaivaa.

Proteiinit ovat kaikkien solujen rakennusaineita, ja ne suorittavat lähes kaikki solun toiminnot: solujen liikkumisen, yhdistymisen, signaalivälityksen ja immuunipuolustuksen. Anturin toiminnalle nämä ihmiselle elintärkeät proteiinit ovat kuitenkin haitallisia. Ne asettuvat anturin pinnalle niin, että mitattava aine ei pääse perille. Suolaliuoksessa anturit toimivat, mutta heti kun nesteessä, kuten verinäytteessä tai soluviljelmässä, on proteiineja, mittaus ei onnistu yhtä hyvin.

Tutkimuksen tekee entistä haastavammaksi se, että pinnalle kiinnittyneet proteiinit eivät aina pilaa mittauksia. Anturin toiminnan ja proteiinien määrän välinen korrelaatio on kuitenkin yhä mysteeri. Kokeissa on nimittäin havaittu, että vaikka pinnalla olisi paljon proteiineja, anturin sähkökemia toimii. Eli paljon proteiineja ei välttämättä tarkoita sitä, että anturi ei toimisi. Tutkijoilla on vielä selvitettävänä, miten pinnan rakenteilla voisi ohjata proteiinien kiinnittymistä siten, että ne eivät häiritsisi mittausta.

Nanokuitujen paksuus ratkaisee

Emilia Peltola tekee töitä Micronovassa, missä on hyvät tilat tehdä kokeellista tutkimusta. Valmiita antureita tutkittaessa työskentelyn on oltava steriiliä, vaikka varsinaista puhdastilaa ei tarvita. Huoneen kaapissa on erilaisia tutkittavia antureiden koekappaleita, joiden materiaaleissa yhdistyy erilaisia hiilen olomuotoja. Kun anturimateriaalit ovat valmiita, on aika varsinaisten kokeiden, joissa tutkitaan hermovälittäjäaineiden mittaamista sekä solujen ja erilaisten hiilipintojen tai proteiinien ja pintojen välistä vuorovaikutusta.

Hiilinanokuituja tutkittaessa Peltola ja kollegat ovat löytäneet yhteyden nanokuitujen paksuuden ja solujen muodon välillä. Tämän yhteyden avulla he päättelevät, että paksuus vaikuttaa myös siihen, kummat solut kiinnittyvät anturin pinnalle: halutut hermosolut vai ei-toivotut hermotukisolut. 

Peltola uskoo, että viisivuotisen akatemiahankkeen aikana tutkimus voi edetä eläimillä tehtäviin kokeisiin. Vaikka lopullinen tuote olisi käytössä vasta yli kymmenen vuoden päästä, tutkimus antaa matkan varrella hyödyllistä ja sovellettavaa tietoa hermo- ja lääketutkimukseen sekä ylipäätään aivojen ja sairauksien ymmärtämiseen.

Teksti: Riikka Hopiavaara. Kuvat: Iiro Immonen.

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 25, lokakuussa 2019.