Aivot johdolla kiinni tietokoneeseen?

Julkaistu: 10.07.2015 / Toimitus
Petrilaseja, joita käytetään kantasolukasvatuksessa

Suurin ongelma elektroniikan ja biologisten systeemien liittämisessä yhteen on se, että sähköjohdinta ja solua on vaikea yhdistää sähköisesti toisiinsa.

Sähköjohtoa ei voi kiinnittää hermosoluihin yhtä helposti kuin toisiin sähköjohtoihin, mutta menetelmät, joilla elektrodit voitaisiin yhdistää kätevästi ja luotettavasti toimiviin soluihin olisivat avain aivan uudenlaisiin bionisiin laitteisiin – kenties myös siihen, miten aivot ja tietokone saataisiin kiinni toisiinsa.

Vielä ei olla näin pitkällä, vaan ympäri maailmaa koetetaan ratkaista ongelmaa perustasolla. Yksi näistä tutkimuspaikoista on Tampere. Siellä muun muassa diplomi-insinööri Jani Pelto on tutkinut eilen tarkastetussa väitöstyössään solujen sähköä johtavaa pintaa.

Tarkalleen ottaen tutkimus koskee laajemmin johdepolymeerejä, jotka kaiken muun kivan ohella myös mahdollistavat biologisen ja elektronisen maailman sähköisen kytkennän.

Tutkimuksesta kertoo Tampereen teknillinen yliopisto tiedotteessaan.

Sähköllä piristettyjä kantasoluja

Kantasoluja, joilla on kyky kehittyä hyvin erilaisiksi soluiksi, voidaan ohjata sähkövirran avulla erilaistumaan ja lisääntymään esimerkiksi luukudokseksi tai sydänlihassoluiksi. Otsikkokuvassa on petrilaseja, joissa kasvatetaan kantasoluja.

Siinä missä usein kantasoluja kehitetään halutunlaisiksi pitkällä ja hankalalla prosessilla (kuten otsikkokuvassa), voidaan nyt siis sähköllä stimuloimalla ohjata niitä erikoistumaan tietyllä tavalla. Tämä tehostaa solutuotantoa kantasolulaboratoriossa ja alentaa sen kustannuksia. 

”Tehostetun soluviljelyvaiheen uskotaan lähitulevaisuudessa tuovan monia kudosteknologisia tuotteita lähemmäksi kliinisiä sovelluksia”, kertoo Pelto. 

”Tällaisia ovat esimerkiksi potilaan omista soluista ja biomateriaaleista laboratoriossa tuotetut kudokset ja kudosrakenteet, kuten luu, nivelrusto, jänteet, tai tulevaisuudessa jopa kokonaiset toiminnalliset elimet.”

Tehostetussa soluviljelyssä stimuloidaan esimerkiksi elimistöön liukeneviin kuituverkkoihin istutettuja kantasoluja sähkövirralla. Näitä kuituverkkoja käytetään esimerkiksi siihen, että laboratoriossa voidaan tuottaa ihmisen kudoksia muistuttavia varaosia, joista verkon tukirakenteen avulla muodostuu ihmisen elimistössä toiminnallista uutta kudosta. 

Huimassa tulevaisuudenkuvassa ihmiselle voidaan kasvattaa tukiverkon ja kantasolujen avulla esimerkiksi uusi maksa, joka ei hylji elimistöä siirtoelinten tapaan.

Kantasolujen sähköstimulointia voidaan käyttää myös elävän kudoksen uusiutumisen nopeuttamiseksi, vamman tai sairauden hoitamiseen metallielektrodeilta tuodulla sähkövirralla. 

Pelto selvitti väitöstyössään sitä, minkä tyyppiset pinnoitteet soveltuvat parhaiten sekä elimistöön liukeneviin varaosiin että stimulointiin käytettyihin metallielektrodeihin.

”Kun kantasolujen erilaistumista ja lisääntymistä pyrittiin stimuloimaan soluviljelyssä sähkövirran avulla, solujen tarttumapintana toimivaa sähköä johtavaa pintaa voitiin hyödyntää sekä johtimena että elektrodina.”

Väitöstyön tulokset osoittavat, että biopolymeereillä seostetut johdepolymeerit tarjoavat hyvän tarttumapinnan erilaistuville soluille kudoksissa. 

Tällä on tärkeä merkitys muun muassa metallisten ja polymeeristen implanttien ja näitä ympäröivien kudosten välisen kontaktipinnan syntymisessä. Esimerkiksi biohajoavan luuruuvin pintaan muodostuu pinnoitteen ansioista uutta lujaa luukudosta ja mekaanisesti kestävä liitos sen sijaan, että elimistö pyrkisi muodostaan heikomman arpi- tai sidekudoskapselin implantin pintaan. 

Myöskin hermo- tai lihaskudoksen sähköinen stimulointi onnistuu paremmin ja turvallisemmin kun toiminnalliset kudokset tarttuvat suoraan sähkövirtaa syöttävän elektrodin pintaan.

Jokainen tietokoneiden ja aivojen yhdistämistä haaveileva saa tästä sydämentykytystä, koska tämä saattaa auttaa elektronisen ja biologisen maailman sähköisessä yhdistämisessä. Valitettavasti tätä saa vielä odottaa – tutkimustuloksista on ensi alkuun eniten iloa esimerkiksi luunmurtumien ja jännevammojen korjaamisessa käytetyissä kiinnittimissä.

Röntgenkuvassa katkennut luu korjattuna

Temppu ja miten se tehdään?

Väitöstyössään Pelto tutki pintojen mikroskooppisia ja nanomittakaavan sähköisiä ominaisuuksia, topografiaa sekä elastisuutta atomivoimamikroskopialla (AFM). Lisäksi hän etsi pintaominaisuuksien yhteyttä ihmisen rasvasta eristettyjen kantasolujen kiinnittymiseen pinnoille.

”Erityisesti johdepolymeerin pintavarauksella, jota voidaan kontrolloida sähköisellä jännitteellä, on merkittävä vaikutus solujen kiinnittymiseen ja levittymiseen biomateriaalin pinnalla”, selittää Pelto.

Esimerkiksi rasvan kantasolut kiinnittyivät ja erilaistuivat johdepolymeereillä pinnoitetuilla kuitukankailla merkittävästi paremmin kuin pinnoittamattomilla kuitukankailla. Tämä mahdollistaa tehostetun soluviljelyvaiheen ja siksi paremman tuloksen lyhyemmässä hoitojatkossa. 

Eläinkokeissa tutkitut pinnoitteet paransivat merkittävästi uuden luun muodostusta biohajoavan polymeeriluuruuvin ympärillä, eivätkä niiden hajoamis- tai eroosiotuotteet aiheuttaneet havaittavia haitallisia vaikutuksia koe-eläimissä. Tutkitut materiaalit ja tuotetut pinnoitteet sekä pinnoitusmenetelmät soveltuvat erityisen hyvin rasvan kantasoluihin pohjautuvaan luun kudosteknologiaan, sekä biohajoavien polymeeristen luuimplanttien pinnoitteiksi. 

Ne ovat siksi lupaavia esimerkiksi luunmurtumien ja jännevammojen korjaamisessa käytetyissä kiinnittimissä.

Artikkeli perustuu TTY:n lähettämään tiedotteeseen. Tiedetuubi julkaisee tutkimuslaitosten ja yhtiöiden lähettämiä tiedotteita kuratoiden ja editoiden; nämä jutut erottaa journalistisesti toimitetusta sisällöstä punaisesta neliöstä jutun yhteydessä.

Kuvat: Flickr (cc-lisenssillä) ja toimituksen arkisto.