kuvantaminen

Kun vesi joutuu kosketuksiin superhydrofobisen eli erittäin vettähylkivän pinnan kanssa, se muodostaa pallomaisia pisaroita, jotka pyörivät helposti pois pinnalta.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet mullistavan Scanning Droplet Adhesion Microscopy (SDAM) -mittaustekniikan, jolla voidaan tutkia entistä tarkemmin superhydrofobisten materiaalien kastumisominaisuuksia eli sitä, miten neste leviää ja käyttäytyy tietyllä pinnalla. 

Uusi tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Nature Communications julkaisi juuri menetelmästä kertovan tutkimusartikkelin.

”Uuden mikroskooppimme ansiosta ymmärrämme paremmin, miten pinnan mikrorakenteet vaikuttavat kastumiseen", Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Robin Ras selittää.

"Mittausinstrumentti pystyy havaitsemaan pintojen mikroskooppisia virheitä, jotka ilmenevät pieninä vaihteluina kastumisominaisuuksissa. Tämä on erittäin tärkeää itsepuhdistuvien sekä jäätymistä, huurtumista, korroosiota ja biologisen aineksen kertymistä estävien tuotteiden kehittämisessä, sillä niissä pienetkin viat voivat haitata koko pinnan toimintaa”, 

Erittäin herkkä SDAM-tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Ne pystyvät mittaamaan pisaroiden tarttumisvoimia mikronewtonin tarkkuudella, mikä ei riitä superhydrofobisten pintojen tutkimuksessa.

SDAM-tekniikalla pystytään myös mittaamaan pintojen mikroskooppisia ominaisuuksia ja epätasaisuuksia.

”Selvitimme pinnan vedenhylkivyyttä vesipisaroiden avulla niin, että mittasimme erittäin pieniä, nanonewtonien suuruisia, voimia pisaran koskettaessa pintaa ja irrotessa siltä. Teimme mittauksia näytepinnoilla millimetrin sadasosan välein, ja pystyimme näin laatimaan pinnan vedenhylkivyydestä kaksiulotteisen kuvan – tavallaan kartan sen kastumisominaisuuksista”, kertoo Aalto-yliopiston professori Quan Zhou.

Tähän mennessä pintojen kastumisominaisuuksien tutkimisessa on käytetty kontaktikulman, eli vedenpinnan ja kiinteän pinnan kosketuskulman, mittaamista. Menetelmä on kuitenkin altis epätarkkuuksille erittäin vettähylkivillä pinnoilla.  

Uuden menetelmän etu on myös se, että toisin kuin kontaktikulman mittaaminen, se ei edellytä suoraa näköyhteyttä pisaran ja pinnan rajapinnalle, joten sillä voidaan mitata tekstiilien tai biologisten pintojen kaltaisia epätasaisia pintoja. SDAM-menetelmällä pystytään lisäksi tutkimaan pienten biosirujen, kemiallisten antureiden ja mikrosähkömekaanisten komponenttien ja järjestelmien mikroskooppisten toiminnallisten alueiden kastumista, mitä on vaikea tutkia perinteisillä menetelmillä.

Tutkimukseen osallistuivat tutkijat Ville Liimatainen, Maja Vuckovac, Ville Jokinen, Veikko Sariola, Matti Hokkanen, Quan Zhou ja Robin Ras.

Aivohalvaus johtuu joko veritulpan aiheuttamasta hapenpuutteesta tai verenvuodosta.

Näiden kahden vaihtoehdon aiheuttamat ulkoiset oireet ovat samat, mutta tarvittava hoito aivan vastakkainen: verenvuotopotilaalle ei esimerkiksi pidä antaa verta ohentavaa veritulppalääkitystä.

Siksi olisi siis tärkeää kyetä näkemään heti oireiden ilmettyä, kummasta vaihtoehdosta on kyse.

Tänään vuonna 1958 ilmestyneessä Lancet -lehdessä oli brittilääkäri Ian Donaldin kirjoittama artikkeli siitä, kuinka hän oli käyttänyt ultraääntä potilaidensa tutkimisessa. Artikkeli, "vatsansisäisten massojen tutkiminen pulssitetun ultraäänen avulla" (Investigation of Abdominal Masses by Pulsed Ultrasound) kuvasi sitä, kuinka Donald oli löytänyt naispotilaansa munasarjoista suuren kystan, joka muilla menetelmillä oli todettu vatsasyöväksi.

Alkuperäisen diagnoosin mukaan syöpä olisi ollut mahdoton leikata, mutta Donald pystyi poistamaan hyvin yksinkertaisesti kystan – sen sellaiseksi todettuaan – ja pelasti näin potilaansa hengen.

Donald oli käyttänyt ultraääntä toisen maailmansodan aikana sotilaspalveluksensa aikana ja sovelsi teollisuuden käyttöön erilaisten materiaalien heikkouksien paljastamista varten tehtyä laitteistoa oman tutkimuslaitteistonsa tekemiseen.

Lancetin artikkelin julkaisun jälkeen ultraäänen käyttö levisi erittäin nopeasti ja siitä tuli hyvin pian normaali operaatio. Vuosien varrella tekniikka on luonnollisesti parantunut ja tullut perusmuodossaankin hyvin tarkaksi, helpoksi ja tehokkaaksi. Lisäksi nyt käytössä on 3D-ultraäänilaitteistoja, joiden avulla esimerkiksi kohdussa olevasta lapsesta saa kolmiulotteiselta näyttäviä kuvia.

Yllä olevassa kuvassa on vasemmalla eräs ensimmäisistä ultraäänikuvista ja oikealla tällainen 3D-kuva. Näiden kuvien välissä on siis 58 vuotta kestänyt tekniikan kehitys.

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.

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen NSC:n tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän enterovirusten rakenteen ja toiminnan kuvantamiseen. Menetelmän avulla saadaan uutta tietoa virusten kulkeutumisesta soluissa ja kudoksissa sekä niiden avautumismekanismeista solun sisällä, mistä on iloa esimerkiksi uusien viruslääkkeiden ja rokotteiden kehittämistyössä. Tutkimus julkaistiin eilen USA:n tiedeakatemian Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä.
 
Enterovirukset ovat ihmisiä infektoivia taudinaiheuttajia, joiden ryhmään kuuluvat poliovirukset, coxsackie-virukset, echovirukset ja rhinovirukset. Suurin osa vuosittaisista nuhakuumeista johtuu enteroviruksista. Enterovirukset aiheuttavat myös vakavia oireita kuten sydänlihastulehduksia ja halvaantumista, ja niiden on todettu olevan osallisina kroonisten sairauksien kuten diabeteksen syntymisessä.

Enterovirusten infektioreiteistä ja infektiomekanismeista tiedetään vielä suhteellisen vähän. Aikaisemmat Jyväskylässä tehdyt tukimukset ovat valottaneet muutamien enterovirusten solunsisäisiä reittejä ja solussa infektiota edistäviä tekijöitä, mutta esimerkiksi siitä, miten virus avautuu solun rakenteissa ja luovuttaa perimänsä uusien virusten valmistamiseksi, on toistaiseksi hämärän peitossa. Ymmärrys solutason mekanistisesta toiminnasta on vielä varsin vajavaista. Kudostasolla infektioprosessi tunnetaan vielä paljon huonommin. Suuri ongelma lisätiedon saamisessa on luotettavien kuvantamistyökalujen puuttuminen.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa esitellään uudenaisia menetelmiä kuvantamiseen, ja siksi se auttaa osaltaan selvittämään paremmin solujen toimintaa. Menetelmä kehitettiin Nanotiedekeskuksessa kemistien, fyysikkojen ja biologien välisenä poikkitieteellisenä yhteistyönä, johon osallistuivat Tanja Lahtinen, Kirsi Salorinne, Jaakko Koivisto ja Mika Pettersson kemian laitoksesta, Sami Malola fysiikan laitoksesta sekä Mari Martikainen ja Varpu Marjomäki bio- ja ympäristötieteiden laitoksesta. Tutkimusta koordinoivat dosentti Varpu Marjomäki ja keskuksen tieteellinen johtaja, professori Hannu Häkkinen.

Jyväskylässä on tutkittu jo aiemmin rakenteeltaan tarkasti tunnettuja, yhdestä kolmeen nanometrin kokoisia kultapartikkeleja Hannu Häkkisen, Mika Petterssonin ja Stanfordin yliopiston professorin, kemian nobelisti Roger D Kornbergin ryhmien välisenä yhteistyönä. Tutkimus sai mm. viime elokuussa EU:n PRACE-organisaatiolta 43 miljoonan tietokonetunnin edest laskenta-aikaa, mitä on käytetty ja käytetään kultapartikkelien ja enterovirusten välisten vuorovaikutusten laskennalliseen simuloimiseen. Otsikkona tässä artikkelissa on tämä tutkimuksen tuottama kuva.

Nyt kehitetyssä menetelmässä noin kahden nanometrin kokoisen Au102-kultapartikkelin orgaanista pintaa muokattiin kemiallisesti siten, että partikkeli kiinnittyi ainoastaan enterovirusten pintaproteiinien rikkiä sisältäviin osiin. Yhteen virukseen voi kiinnittyä useita kymmeniä kultapartikkeleja, jotka näkyvät elektronimikroskooppikuvassa tummina “leimoina”. Tämä leimakuvio pysyy viruksessa kiinni koko viruksen eliniän, ja sen avulla voidaan tehdä päätelmiä virusten rakenteen muutoksista virusten eliniän aikana.
 
Tutkimuksessa huomattiin, että kultapartikkeleilla leimatut virukset säilyttävät tarttuvuutensa samalla tavalla kuin leimaamattomat virukset, mikä osoittaa, että leimausmenetelmä ei muuta viruksen biologista toimintaa solun sisällä. Tämä antaa uusia mahdollisuuksia tutkia virusten rakennetta solun sisäisistä näytteistä virusinfektion edetessä, ja näin tullaan saamaan uutta rakennetietoa virusten avautumismekanismeista infektion alkuvaiheessa. Virusten leimaaminen avaa myös aivan uudenlaisen mahdollisuuden seurata luotettavasti viruksen kulkua kudoksiin. Tämä on tärkeää, jotta voidaan ymmärtää paremmin virusten aiheuttamia akuutteja ja kroonisia oireita. Rokotteina käytettävien virusten kaltaisten partikkeleiden leimaaminen auttaa näiden kehittelytyössä tehokkaammiksi rokotteiksi.

Teksti on käytännössä suoraan lainattu Suomen Akatemian 14.1. julkistamasta tiedotteesta.