Tutkimus

Solujen toimintaa voi ohjata valolla – tulevaisuuden sovellukset kuin scifi-elokuvasta

Tutkija kuvioi valoherkkiä pintoja lasersäteiden avulla fotoniikan laboratoriossa Hervannassa. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto
Tampereen yliopiston tekniikan ja lääketieteen tutkijat alkoivat muutama vuosi sitten tutkia yhdessä, miten valolla ohjattavia pintoja voi hyödyntää solututkimuksissa ja solubiologisissa sovelluksissa. Erityisesti tutkijoita kiinnosti, miten solut reagoivat pienikokoisiin, valolla tuotettuihin pintarakenteisiin. Nyt on saatu selville, että valon avulla voi ohjata solujen liikkeitä ja toimintaa.

Tähän mennessä tehty fotoniikan ja biotieteiden rajapintaan kuuluva tutkimus osoittaa, että valolla ohjattavat älymateriaalit ovat biologisesti yhteensopivia solujen kanssa. Kudosteknologialle se on hyvä uutinen. Tulokset auttavat solujen ja kudosten mekaniikan tutkimisessa.

Häiriöt solujen biofysikaalisessa toiminnassa liittyvät moniin sairauksiin. Solujen ”sähkövikoja” ei maailmalla ole aikaisemmin juuri tutkittu valon avulla.

– Valo-ohjattavien pintojen avulla päästään tutkimaan miten solujen ympäristön pinnan muodot eli topografia ja sen dynaamiset muutokset vaikuttavat solujen kasvuun, liikkeisiin ja fysiologiaan. Esimerkiksi syöpätutkimuksessa aihe on hyvin tärkeä, kertoo kemian professori Arri Priimägi, joka johtaa Smart Photonic Materials -tutkimusryhmää Tampereen yliopistossa.

Vuonna 2016 Italiassa biomateriaalitieteen alalta tohtoriksi väitellyt Chiara Fedele on tuonut ryhmään osaamista valo-ohjattavien materiaalien yhdistämisestä kudos- ja soluteknisiin sovelluksiin.

– Hankkeessamme yhdistyvä eri tutkimusryhmien osaaminen muodostaa harvinaisen kokonaisuuden, sen kaltaisia on maailmassa vähän. Sanoisin, että näin syvällinen ymmärrys valo-ohjattavien materiaalien ja mekanobiologian yhdistämisestä on globaalisti harvinaista, toteaa Chiara Fedele.

– Chiaran tulo Tampereelle, ensin vierailevana tutkijana ja myöhemmin postdoc-tutkijana, on ollut tämän tutkimussuunnan kannalta aivan keskeistä. Ilman hänen panostaan ryhmämme tuskin olisi päätynyt tälle kiehtovalle tutkimusmatkalle solujen maailmaan, sanoo Priimägi.

Tulevaisuudessa haavojen parantumista voi nopeuttaa älymateriaalilla

Valo-ohjattujen materiaalien mahdolliset sovellukset ovat kuin scifi-elokuvasta: tulevaisuudessa materiaalin avulla voi ehkä integroida valoon reagoivia komponentteja jopa kudoksiin tai kehittää mekanobiologisia kudosteknologisia siirteitä. Priimägin mukaan konkreettisista sovelluksista on kuitenkin ennenaikaista puhua.

– Äskettäin julkaistussa tutkimuksessamme osoitimme kuitenkin jo, että valoherkillä pinnoilla voi vaikuttaa ihon solukkoa muistuttavan pintasolukon liikkeisiin ja toimintaan, hän lisää.

Konsortioon kuuluvan, lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnassa Cellular Biophysics -tutkimusryhmää johtavan akatemiatutkija Teemu Ihalaisen mukaan solujen manipulointi elävän ja keinotekoisen materiaalin yhdistävässä rajapinnassa on kiehtovaa.

– Tämähän on tutkijan unelma! Valon avulla voi manipuloida hyvin pieniä solun osia tarkasti, toistuvasti ja nopeasti sekä seurata reaaliaikaisesti kokonaisuutta, Ihalainen riemuitsee.

Kuvassa on epiteelisoluja valoaktivoitavan pinnan päällä. Vihreän kalsiummerkkiaineen kirkkaus kertoo solunsisäisen kalsiumin määrän ja paljastaa solun reagoinnin pinnanmuodon muutokseen. Katkoviivalla korostetussa osiossa näytteeseen on kohdistettu pintaa muokkaava laser, mikä vapauttaa kalsiumia solussa. Kuva: Teemu Ihalainen / Tampereen yliopisto

Tulevaisuudessa valo-ohjattavia materiaaleja voitaisiin hänen mukaansa mahdollisesti käyttää esimerkiksi keinotekoisten, supistuvien verisuonten tai lihasten rakentamiseen.

Mutta edessä on kuitenkin vielä paljon tutkittavaa, Teemu Ihalainen korostaa.

Ihalaisen kollega ja konsortion kolmas osapuoli, Biophysics of the Eye -tutkimusryhmän johtaja, akatemiatutkija Soile Nymark korostaa, että kyseessä on nimenomaan perustutkimus, jonka tavoitteena on lisätä tietoa valon mahdollisuuksista yleensä ja luoda edellytyksiä käytännön sovelluksille.

– Toimivia sovelluksia on vaikea kehittää ilman vahvaa perustutkimusta, Nymark muistuttaa.

Tällä hetkellä poikkitieteellisessä tiimissä työskentelevät myös väitöskirjatutkijat Mari Isomäki ja Heidi Peussa sekä Suomen Akatemian tutkijatohtori Elina Mäntylä. Tutkimusta rahoittaa Emil Aaltosen säätiö Tampereen korkeakouluyhteisölle kohdennetun monitieteisen ABioT-tutkimushankkeen kautta. Tampereella tehdään huipputason fotoniikkatutkimusta Suomen Akatemian PREIN-lippulaivahankkeessa, johon myös Smart Photonic Materials -tutkimusryhmä osallistuu.

ABioT-tutkimusryhmään kuuluvat Chiara Fedele, Heidi Peussa, Mari Isomäki, Arri Priimägi, Teemu Ihalainen, Soile Nymark ja Elina Mäntylä. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto

Tutkimus Azobenzene-based sinusoidal surface topography drives focal adhesion confinement and guides collective migration of epithelial cells on julkaistu Nature-tiedelehdessä.

Teksti: Anna Aatinen
Kuva: Jonne Renvall

Ota yhteyttä

Aiheeseen liittyviä uutisia

Uusimmat uutiset kategoriassa Tutkimus

Uusimmat uutiset