Mekanobiologiaa ja Teemu Ihalainen tällä viikolla @suoranalabrasta

Tiedetuubin @suoranalabrasta -twitterprojekti on tällä viikolla Tampereella! Viestien takaa löytyy Teemu Ihalainen, Suomen akatemian tutkijatohtori ja kuvantamisen asiantuntija Tampereen Yliopiston BioMediTech-instituutista.

Teemu teki aikanaan väitöskirjan molekyylibiologian alalta Jyväskylän Yliopistossa. Väitöskirja käsitteli virusinfektion aiheuttamia muutoksia solun tumassa. Sen jälkeen hän oli vähän yli kaksi vuotta kuuluisassa Sveitsin teknillisessä instituutissa ETH Zürichissä tutkijatohtorina.

"Aloin tutkia siellä solujen mekanobiologiaa, eli sitä miten mekaaninen voima ja solujen fysikaalinen ympäristö vaikuttaa solujen toimintaan", kertoo Teemu, joka sveitsinvuosien jälkeen palasi takaisin Suomeen ja Tampereelle, jossa hän on työryhmineen jatkanut mekanobiologian tutkimusta.

Viikon ainaka Teemu käyttää oma twitter-tiliään @IhisTeemu ja hastagiä #suoranalabrasta, ja kaikki twiitit tulevat niin @suoranalabrasta -tilille kuin listauksena tähän allekin. Viikon lopuksi näistä kootaan jälleen Storify-tarina.

Solu on kuin teltta

Solut, joista me muodostumme – samoin kuin kaikki eläimet ja kasvit koostuvat – ovat paitsi biologiaa ja kemiaa, niin myös mekaniikkaa: soluilla on kiinteä rakenne, ja tuoreen tutkimuksen mukaan se on olennaisesti aiemmin oletettua monimutkaisempaa.

Tampereen yliopiston BioMediTechissä toimivan Suomen Akatemian tutkijatohtori Teemu Ihalaisen yhdessä kansainvälisen tutkijaryhmän kanssa saamat yllättävät tulokset on julkaistu tällä viikolla Nature Materialsin verkkojulkaisussa.

Tutkimuksessa havaittiin ensimmäistä kertaa, että solutumaan välittyvä solun tukirangan jännitys muuttaa tuman sisäpinnan rakenteita. Nämä samat rakenteet sitovat geneettistä materiaalia, kromatiinia ja siten mekaanisella signaalilla on suoraan mahdollisuus vaikuttaa kromatiinin rakenteeseen ja geenien luentaan.

”Vertauskuvallisesti voidaan ajatella, että jos solu on teltta ja telttaa pystyssä pitävät narut ovat solun tukirankaa, niin projektissa tekemäämme havaintoa mukaillen naruista nykiminen muuttaisi teltan keskelle asetetun repun tavaroiden järjestystä", selittää Ihalainen. 

"Havaitsimme myös, että tuman sisäpinta on jakautunut kahteen osaan, ala- ja yläpintaan, jotka ovat rakenteellisesti erilaisia."

Projekti oli alusta saakka hyvin poikkitieteellinen ja siinä yhdistyi solu- ja molekyylibiologia sekä biomateriaalien tutkimus. Erilaisten biomateriaalien avulla manipuloitiin solujen mekaniikkaa, niiden jännitystä tai geometriaa. Kokeissa käytettiin hyväksi erilaisia pehmeitä solujen kasvatusalustoja (hydrogeelejä) tai esimerkiksi erilaisia ”mikrosaarekkeita”, joiden avulla soluja voitiin ohjata kasvamaan eri muotoihin. Soluja manipuloitiin mekaanisesti myös pehmeillä geelityynyillä. Kaikki menetelmät yhdistettiin korkean erotuskyvyn konfokaalimikroskopiaan, jonka avulla saatiin tarkkaa tietoa solujen rakenteista ja tuman toiminnasta.

Tähän asti on ajateltu, että solut aistivat niihin kohdistuvia voimia pääasiassa solukalvon läheisyydessä, pisteissä joissa solu kiinnittyy ympäristöönsä.

”Projektissa halusimme tutkia, miten syvällä solun sisällä voiman aistimus voi tapahtua. Tästä syystä keskityimme solun tuman toimintaan ja sen muutoksiin erilaisissa olosuhteissa. Solun tuma pitää sisällään solun geneettisen materiaalin ja lähivuosina on selvinnyt, että tuma on kiinnittynyt solun tukirankaan. Tämä kiinnittyminen mahdollistaa suoran mekaanisen jännityksen välittymisen solun pinnasta aina tumaan saakka. Jos mekaaninen voima pystyisi muuttamaan tuman rakenteita, se voisi vaikuttaa myös geenien luentaan ja sitä kautta solun toimintaan.”

Solut pystyvät kehittämään monimutkaisen solutukirankansa avulla mekaanisia voimia. Tämä soluissa syntynyt mekaaninen jännitys voi välittyä suoraan soluista soluihin tai epäsuorasti solujen välillä soluväliaineen kautta. Näiden lisäksi soluihin kohdistuu muita voimia kuten leikkausvoimia ja osmoottisista ilmiöistä muodostuvaa painetta.

Nykyisin tiedetään, että solut pystyvät aistimaan niihin kohdistuvia mekaanisia voimia sekä ympäristönsä fysikaalisia ominaisuuksia kuten jäykkyyttä ja elastisuutta. Nämä ”mekaaniset signaalit” vaikuttavat solujen toimintaan, kuten kantasolujen erilaistumiseen, alkion kehitykseen ja syövän syntyyn.

”Tällä hetkellä emme kuitenkaan ymmärrä tämän niin kutsutun mekanotransduktion yksityiskohtia, esimerkiksi sitä, millä mekanismilla mekaaninen voima voi vaikuttaa vaikkapa geenien luentaan. Prosessin yksityiskohtainen ymmärtäminen on laaja-alaisesti tärkeää ja helpottaisi huomattavasti esimerkiksi biomateriaalien kehittämistä sekä niiden soveltamista mm. kantasoluteknologiassa”, selittää Ihalainen.

Juttu perustuu Suomen Akatemian lähettämään tiedotteeseen.

Proteesi kasvohalvausten korjaamiseen?

Tampereen teknillisen yliopiston ja Tampereen yliopiston tutkijat kehittävät teknologiaa, jolla voidaan helpottaa muun muassa pysyvästä toispuoleisesta kasvohalvauksesta johtuvia hankaluuksia. Parhaimmillaan tutkimuksessa syntyy kasvoproteesi kasvohalvauksesta kärsiville.

Tutkijat etsivät apukeinoja kasvojen toiminnallisuuteen (syöminen, puhuminen), sosiaaliseen vuorovaikutukseen ja kasvojen ilmeiden tuottamiseen (hymyily) liittyviin ongelmiin.

Kasvohalvaus, eli Bellin halvaus on äkisti puhkeava kasvohermon toimintahäiriö, johon sairastuu arviolta jopa yksi 65:sta ihmisestä elinaikanaan. Suurin osa halvauksen saaneista toipuu ennalleen viikkojen kuluessa, mutta joillain toipumisprosessi saattaa olla huomattavasti hitaampi. Osalla toipuneista sairastettu Bellin halvaus aiheuttaa kroonisia komplikaatioita, kuten kasvojen epämuodostuman tai makuaistin menetyksen, ja osa saattaa sairastua toiseen, vakavampaan kasvohermohalvaukseen, Ramsay-Hunt -oireyhtymään. Jos halvaus on täydellinen ja potilas on kykenemätön sulkemaan silmäänsä tai liikuttamaan suutaan sairaalla puolella, voidaan toiminnallisuutta saada aikaan jossain määrin lääkinnällä.

Äärimmäisissä tapauksissa vaihtoehtona on esimerkiksi nyt kehitettävä proteesi.

Hankkeen toteuttaa kolmen eri tutkimusryhmän muodostama monitieteinen tutkimuskonsortio jossa on edustettuna asiantuntijoita ihminen-teknologia vuorovaikutustutkimuksesta, psykologiasta, kasvojen toiminnan psykologiasta ja fysiologiasta, insinööritieteistä, lääketieteestä ja kasvohalvauksen kliinisestä hoidosta. Hankkeessa tavoitellaan myös kansainvälistä yhteistyötä Kiinaan ja Yhdysvaltoihin.  

Professori Jukka Lekkala Tampereen teknillisen yliopiston systeemitekniikan laitokselta vastaa tutkimushankkeen teknologiakehityksestä ja siihen liittyvien prototyyppitestien suorittamisesta. Professori Veikko Surakka Tampereen yliopiston Informaatiotieteiden yksiköstä on hankkeen vastuullinen johtaja, ja hän tutkimusryhmineen vastaa myös hankkeessa tehtävästä kokeellisesta tutkimuksesta. Professori Markus Rautiainen Tampereen yliopiston Lääketieteen yksiköstä vastaa hankkeessa tehtävästä kliinisestä tutkimuksesta.  

Mimetic Interfaces -hanketta (MIMEFACE) rahoittaa Suomen Akatemia. Mimetic Interfaces -konsepti viittaa aivan uudenlaisiin käyttöliittymäteknologioihin, jotka samanaikaisesti mittaavat ja jäljittelevät ihmisen toimintaa siten, että esimerkiksi eri syistä menetetty toiminnallisuus tai käyttäytyminen voidaan palauttaa digitaalisesti.

Hankkeen kokonaisbudjetti on noin 1,8 miljoonaa euroa josta Suomen Akatemian rahoitus osuus on hieman alle 1,3 miljoonaa euroa.

Teksti perustuu Tampereen yliopistojen tiedotteeseen.