Hiilestä räätälöidään aivosairauksien hoitajaa

Tomi Laurilan tutkimuskohteilla on veikeitä nimiä.

”Nanotimantti, nanosarvi, nanosipuli…”, Aalto-yliopiston professori luettelee hiilen lukuisia nanomuotoja. Niistä hän rakentaa uusia materiaaleja: pikkuruisia, muutaman sadan nanometrin kokoisia antureita, jotka erityisominaisuuksiensa ansiosta voivat tehdä suuria asioita.

Yksi niistä on aivosairauksien hoidon tehostaminen. Sitä varten Laurila ja Helsingin yliopiston professori Tomi Taira etsivät HUSin asiantuntijoiden kanssa keinoja, joilla antureita voitaisiin käyttää biomolekyylien sähkökemiallisissa mittauksissa. Biomolekyyleihin kuuluvat muun muassa hermovälittäjäaineet, kuten glutamaatti, dopamiini ja opioidit, joiden avulla hermosolut kommunikoivat toisilleen.

”Suurin osa aivosairauksien hoitoon tarkoitetuista lääkeaineista muuttaa jollakin tapaa välittäjäaineisiin perustuvaa hermosolujen välistä viestintää. Jos meillä olisi ajantasaista ja yksilökohtaista tietoa välittäjäainejärjestelmän toiminnasta, se helpottaisi esimerkiksi täsmähoitojen suunnittelua”, Taira selittää.

Pienen koon ansiosta hiilianturi voidaan viedä aivan hermosolun viereen, jossa se kertoo, millaista välittäjäainetta solu vapauttaa ja millaisen reaktion se muissa soluissa saa aikaan.

”Käytännössä mittaamme hapetus- ja pelkistysreaktioissa liikkuvia elektroneja, eli sähkövirtaa”, Laurila selittää antureiden toimintaperiaatetta.

Kuva: Helsingin yliopisto

”Tomin ja kumppaneiden kehittämien antureiden etu on niiden nopeus ja pienuus. Nykyisissä mittausmenetelmissä käytettävät koettimet ovat solujen mittakaavassa kuin halkoja – niillä on mahdotonta saada kuvaa aivojen dynamiikasta”, Taira kiteyttää.

Palautesysteemi ja muistijälkiä

Antureiden matka lasimaljoissa ja koeputkissa tehtävistä in vitro -kokeista in vivo -kokeisiin ja kliiniseen käyttöön on pitkä. Tutkijoiden motivaatio on kuitenkin kova.

”Erilaisista aivosairauksista kärsii pelkästään Euroopassa noin 165 miljoonaa ihmistä, ja koska niiden hoito on valtavan kallista, muodostavat ne terveydenhoidon kustannuksista jopa 80 prosenttia”, Taira kertoo.

Tomi Laurila uskoo, että hiiliantureille löytyy sovelluksia esimerkiksi optogenetiikasta. Se on vauhdilla yleistynyt menetelmä, jossa hermosoluun viedään valolle herkkä molekyyli, minkä jälkeen valostimulaatiolla voidaan käynnistää tai sammuttaa solun sähköistä toimintaa. Muutama vuosi sitten joukko tutkijoita osoitti tiedelehti Naturessa onnistuneensa aktivoimaan optogenetiikan avulla aivoissa aiemmin tapahtuneen oppimisen ansiosta syntyneen muistijäljen. Samalla tekniikalla voitiin myös näyttää, että tietyssä Alzheimer-tyypissä ongelma ei ole muistijälkien muodostumattomuus vaan se, etteivät aivot pysty lukemaan niitä.

”Jäljet olivat siis olemassa, ja ne saadaan purettua valoärsytyksellä buustaamalla”, Taira selventää ja korostaa, että kliinistä sovellusta saadaan vielä odottaa. Monessa muussa taudissa ne voivat kuitenkin olla jo lähempänä. Yksi esimerkki on Parkinsonin tauti. Siinä dopamiinin määrä alkaa vähentyä tietyn aivoalueen soluissa, mikä aiheuttaa taudille tyypilliset oireet, kuten vapinan, lihasjäykkyyden ja liikkeiden hidastumisen. Antureilla dopamiinitasoa voitaisiin seurata reaaliajassa.

”Siihen voitaisiin kytkeä eräänlainen palautesysteemi, joka reagoi antamalla sähköisen tai optisen ärsytyksen soluille, jotka sitten vapauttaisivat lisää dopamiinia”, Taira visioi.

”Toinen sovellus, jolle löytyisi välittömästi kliinistä käyttöä, on tajuttomien ja koomassa olevien potilaiden seuranta. Heillä glutamaatin taso vaihtelee hyvin paljon, ja jos glutamaattia on liikaa, se vaurioittaa hermosolua – online-seuraaminen parantaisi siksi heidän hoitoaan merkittävästi.”

Atomi atomilta

Hiilianturien valmistaminen ei suju liukuhihnalla, vaan se on hidasta ja erittäin pikkutarkkaa käsityötä.

”Tässä vaiheessa ne rakennetaan käytännössä atomi atomilta”, Tomi Laurila tiivistää.

 ”Onneksi meillä on omia hiilimateriaalien huippuasiantuntijoita; esimerkiksi professori Esko Kauppisen nanonuput ja professori Jari Koskisen hiilifilmit auttavat antureiden valmistustyössä. Hiilipohjaiset materiaalit sopivat lähtökohtaisesti hyvin yhteen elimistön kanssa, mutta ne tunnetaan vielä aika huonosti, minkä vuoksi iso osa työstä on käydä läpi sähkökemiallista karakterisointia, jota on tehty hiilen eri muodoille.”

Antureiden kehittämiseen ja testaamiseen osallistuu muun muassa kemian, materiaalitieteen, mallintamisen, lääketieteen ja kuvantamisen asiantuntijoita. Materiaalien perusominaisuuksia on tutkittu jo parinkymmenen julkaisun verran; nyt haasteena on rakentaa niistä fysiologisessa ympäristössä toimivia geometrioita. Mittauksetkaan eivät ole yksinkertaisia.

”Aivokudos on herkkää eikä kauheasti tykkää, että sinne työnnetään asioita. Mutta jos tämä olisi helppoa, joku olisi jo tehnyt sen”, kaksikko toteaa.

Tutkimusyhteistyö on saanut rahoitusta Biocentrum Helsingiltä.

Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva hiilinanokuitupinnasta, jonka päällä on mallinnettu dopamiinimolekyyli. Kuva: Tomi Laurila

Lisätietoja:

Professori Tomi Laurila, Aalto-yliopisto
p. 050 341 4375
tomi.laurila@aalto.fi

Professori Tomi Taira, Helsingin yliopisto
p. 050 415 5516
tomi.taira@helsinki.fi