optogenetiikka

Jaideep Bains (kuvassa vasemmalla) ja Toni-Lee Sterley työryhmineen ovat todenneet tutkimuksessaan, että stressi aiheuttaa muutoksia paitsi paineen alla työskentelevän myös muiden aivoissa aivan kuin kaikki kokisivat samanlaista stressiä.

Tutkimus tosin tehtiin hiirillä. Tuntuu kuitenkin luontevalta, että tuloksia voi soveltaa myös ihmisiin, sillä stressin aiheuttamat muutokset aivoissa kumoutuivat naarashiirillä sosiaalisen kanssakäymisen seurauksena. Koirashiirillä niin ei tapahtunut. Näinhän se tuppaa olemaan meillä miehilläkin.

"Stressiin liittyvät muutokset aivoissa voivat olla tekemisissä esimerkiksi posttraumaattisten stressihäiriöiden, ahdistuneisuuden ja masennuksen kanssa", Bains arvelee. "Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että stressi ja siihen liittyvät tuntemukset voivat olla 'tarttuvia'. Toistaiseksi emme tiedä, ovatko seuraukset pysyviä."

Tutkimuksessa tarkasteltiin hiiriparien käyttäytymistä. Parit erotettiin ja toinen osapuoli altistettiin lievälle stressille. Kun hiiret päästettiin taas toistensa seuraan, tutkijat tarkastelivat hiirien aivosoluja, jotka reagoivat stressiin. Kävi ilmi, että kummallakin hiirellä tapahtui solutasolla samanlaisia muutoksia.

Illinois’n yliopistossa on otettu iso askel kohti käyttökelpoista biologista robottia eli biobottia. Sen liikkuminen perustuu geneettisesti manipuloituihin lihassoluihin ja sitä ohjataan valolla.

"Valo on lempeä tapa ohjata näitä koneita", tutkimusta johtanut Rashid Bashir toteaa. "Se mahdollistaa joustavuuden sekä suunnittelussa että liikkumisessa. Pohjimmiltaan yritämme kehittää biologisten järjestelmien perusrakennetta ja mielestämme valo-ohjaus on merkittävä askel siihen suuntaan."

Bashirin ryhmä on aiemmin onnistunut kehittämään biobotteja, joita ohjataan sähkökentän avulla, mutta sähköllä on bioympäristössä erilaisia haittavaikutuksia. Sillä ei myöskään pystytä stimuloimaan tiettyä aluetta lihaskudoksessa, mitä biobotin ohjaaminen edellyttää. 

Tutkijoiden kasvattaman lihaskudoksen solut ovat peräisin hiiristä. Niihin on lisätty geeni, joka saa lihaksen supistumaan, kun siihen kohdistuu tietyn aallonpituista sinistä valoa. Tällaista tekniikkaa kutsutaan optogenetiikaksi.

Lihaskudoksen muodostamat renkaat kiinnitetään 3D-tulostettuun joustavaan "selkärankaan", jolla voi olla pituutta seitsemästä millimetristä kahteen senttimetriin. 

Keskushermoston vaurioituminen joko onnettomuudessa tai sairauden seurauksena voi johtaa pysyvään halvaantumiseen. Tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, joka – ainakin hiirellä – palauttaa lihaksen toimintakyvyn. Oleellisena elementtinä on valo.

Jo Luigi Galvanin 1700-luvulla tekemistä uraauurtavista kokeista lähtien on tiedetty, että sähköllä voidaan vaikuttaa lihasten toimintaan. Se on luonnollista, sillä hermoimpulssit ovat sähköisiä. Keinotekoisten impulssien synnyttäminen sähkön avulla ei kuitenkaan ole kovin toimiva keino lihasten toimintakyvyn palauttamisessa, sillä ne saavat lihakset supistumaan liian voimakkaasti ja saattavat aiheuttaa kipua, jos tuntohermot ovat vielä toiminnassa.

Sähköä "lempeämpi" impulssien aiheuttaja on valo. Science-tiedelehdessä 4. huhtikuuta julkaistussa brittitutkimuksessa kantasoluihin siirrettiin levästä geenejä, jotka saivat solut tuottamaan valoherkkää proteiinia ChR2 (channelrhodopsin-2). Sen jälkeen soluihin lisättiin viestimolekyylejä, jotka saivat ne kehittymään hermosoluiksi. Tuloksena oli valoherkkiä hermosoluja.

Solut siirrettiin hiiren lonkkahermoon, joka kuljettaa hermosignaaleja selkäytimestä takajalkojen lihaksiin. Kun siirre muutaman viikon kuluttua oli kytkeytynyt hermoon, siihen johdettiin valokuidulla sinistä, aallonpituudeltaan 470 nanometrin valoa. Lyhyillä valopulsseilla halvaantunut lihas saatiin aktivoitumaan ja jalka liikkumaan.

Tehdyistä kokeista on pitkä matka halvaantuneiden potilaiden toimintakyvyn palauttamiseen, mutta tulokset ovat merkittävä askel optogenetiikan alalla. Siitä toivotaan parannuskeinoa moniin keskushermoston vaurioihin ja sairauksiin. Tutkijaryhmän seuraavana tavoitteena on kehittää menetelmää siten, että sen avulla saadaan palautettua hengityksessä tarvittava lihastoiminta. Koe-eläiminä hiiristä siirrytään sikoihin.

Englanninkielinen video menetelmän toimintaperiaatteesta löytyy täältä.