Väitös

Kantasolututkijoille mikroelektrodeja mittatilaustyönä

Tampereen yliopiston monikudosmallintamisen huippuyksikössä (Centre of Excellence in Body-on-Chip Research, CoEBoC) biologit ja insinöörit tekevät yhteistyötä uusien kantasolupohjaisten solumallien sekä niiden kasvattamisen ja tutkimisen mahdollistavan teknologian kehittämiseksi. Fyysikkotaustainen Tomi Ryynänen on biolääketieteen tekniikan alan väitöstutkimuksessaan perehtynyt solujen toimintaa sähköisesti mittaavien mikroelektrodimatriisien (microelectrode array, MEA) vaihtoehtoisiin materiaaliratkaisuihin sekä kehittyneiden solumallien tarpeisiin räätälöityjen MEA-prototyyppien kustannustehokkaaseen valmistamiseen.

Kantasolupohjaisia solumalleja voidaan käyttää sekä eri tautien ja vammojen toimintamekanismien tutkimiseen että tulevaisuudessa myös muun muassa korvaamaan eläinkokeita lääke- ja myrkyllisyystestauksessa tai jopa tarjoamaan potilaskohtaisia hoitoratkaisuja.

Ennen biologin työvälineiksi riittivät solumalja, pipetti ja mikroskooppi, mutta solumallien kehittyessä on tullut kasvavaa tarvetta myös muulle tekniikalle. Mikrotunnelit ohjaavat solujen kasvua halutun muotoisiksi soluverkostoiksi, anturit mittaavat solujen kasvuolosuhteita, lääkeaineiden ja kaasujen syöttö voidaan toteuttaa hallitusti jne.

- Ja tietenkin halutaan tietää, kuinka olosuhteiden muuttuminen tai lääkeaine vaikuttaa esimerkiksi sydänsolun sykintään tai hermosoluverkostossa solujen väliseen kommunikointiin. Yksi yleinen tapa tähän on mitata solujen tuottamia jännitesignaaleja solumaljan pohjalla olevien mikroelektrodien avulla, Ryynänen kertoo.

Yksinkertaisten solukasvatusten tapauksessa voidaan käyttää kaupallisia vakiomallisia MEA-levyjä, mutta solumallien monimutkaistuessa ja teknisten lisäosien lisääntyessä parhaat tulokset ovat saavutettavissa solumallin tarpeisiin räätälöidyllä MEA:lla.

Näin ajateltiin Tampereellakin reilut 10 vuotta sitten, kun nykyisen monikudosmallintamisen huippuyksikön muodostavat biologi- ja insinööriryhmät aloittivat yhteistyönsä ja sen seurauksena Ryynänen lähti kehittämään omaa prosessia MEA-prototyyppien valmistamista ja piensarjatuotantoa varten.

Tuolloin Ryynäsen laitoksella ei kuitenkaan ollut vielä läheskään kaikkia MEA:jen valmistamiseen tarvittavia mikrovalmistuslaitteita, vaan puuttuvien ohutkalvoprosessien saatavuus, yhteensopivuus muiden prosessivaiheiden kanssa, kustannustekijät sekä tietenkin orastava julkaisupotentiaali saivat tutkijan kokeilemaan tavanomaisten elektrodimateriaalien sijaan joko MEA-käytössä kokonaan uusia elektrodimateriaaleja tai uusia tapoja valmistaa elektrodeja aiemmin yleisesti käytetyistä materiaaleista.

Titaanin, ALD-atomikerroskasvatusmenetelmällä valmistetun iridiumoksidin sekä ionisuihkuavusteisella elektronisuihkuhöyrystyksellä (ion beam assisted e-beam deposition, IBAD) valmistetun titaaninitridin (TiN) käytöstä mikroelektrodimatriaaleina saadut tulokset hyödyttävät CoEBoC:n sisäisen MEA-tuotannon ohella erityisesti muita rajallisilla resursseilla MEA-valmistuksen aloittelevia ryhmiä.

Lisäksi tällaiset vaihtoehtoiset materiaaliratkaisut saattavat hyvinkin olla tarpeen myös tulevaisuuden kolmiulotteisia monikudosmalleja ja niiden vaatimia teknisiä ratkaisuja yhteensovitettaessa. Esimerkkinä räätälöidyn MEA:n tarpeesta on, että Ryynänen vastasi väitöskirjansa lopuksi sydänsolututkijoiden toiveeseen saada työläälle ja soluja vaurioittavalle patch clamp -menetelmälle helppokäyttöisempi ja pitkäkestoisemmat solukokeet mahdollistava vaihtoehto yksittäisten sydänsolujen tutkimisessa.

Tomi Ryynänen on kotoisin Keuruulta ja työskentelee nykyisin tutkijana Tampereen yliopiston CoEBoC-huippuyksikössä.

Filosofian maisteri Tomi Ryynäsen biolääketieteen tekniikan alaan kuuluva väitöskirja Alternative Electrode Materials for Prototyping Cell Model-Specific Microelectrode Arrays tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnassa perjantaina 8.11.2019 klo 12 alkaen Hervannan kampuksen Tietotalon luentosalissa TB109, Korkeakoulunkatu 1. Vastaväittäjänä toimii professori Andreas Offenhäusser Jülichin tutkimuskeskuksesta Saksasta. Tilaisuutta valvoo professori emeritus Jukka Lekkala lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1231-2

Kuva: Esa Ryynänen