Henrietta Lacks kuoli syöpään vuonna 1951 (1). Hänen kasvainpalastaan syntyi ensimmäinen solulinja, HeLa, joka on yhä tutkimuskäytössä. Hakusana ”HeLa cells” tuottaa nyt yli 110 000 artikkeliosumaa. American Type Culture Collection, joka on yksi suurista solupankeista, tarjoaa tutkijoiden käyttöön nykyään noin 1 800 ihmissolulinjaa. Mitä muita mullistavia, mutta arkipäivän tutkimustyöstä syntyneitä keksintöjä meillä nyt onkaan?

Assosiaatiotutkimusten hyökyaalto ja geeniriskit

Yhdysvaltain genomiprojektin johtaja Francis Collins arvioi vuonna 2010, että ennustavia geenitestejä käytettäisiin noin tusinassa tavallisia sairauksia vuoteen 2020 mennessä. Monille olisi suunnattuja ehkäiseviä menetelmiä, ja lääkärit harjoittaisivat laajasti geneettistä lääketiedettä (2). Toiveet ovat jääneet puolitiehen, vaikka olemmekin oppineet paljon.

Innostusta ruokkivat genominlaajuiset assosiaatiotutkimukset (GWAS, genome-wide association study), joilla paikannetaan tavallisten sairauksien riskigeenejä (3). Nyt GWAS-julkaisuja on yli 51 000.

Useimmat GWAS-osumat eivät kuitenkaan kohdistu geeneihin. Sen sijaan geenien väliset alueet, joita usein kutsutaan ”roska-DNA:ksi”, selittävät potilas- ja verrokkiryhmien välisiä geneettisiä eroja. Niissä sijaitsevat niin sanotut vahvistajajaksot (enhancer), jotka vaikuttavat geeneihin (4). Vahvistajajaksojen tutkimus on nykyisiä painopistealueita.

Tavallisten sairauksien geenimerkit vaikuttavat riskiin vain vähän. Voitaisiinko tarkkuutta lisätä yhdistämällä lukuisien heikkojen geenimerkkien lukemat niin sanotuksi polygeeniseksi riskiluvuksi (polygenic risk score, PRS)?

Tutkimukset ovat osoittaneet muuta. Suomalaiseen aineistoon perustuvassa työssä analysoitiin yli 135 000 osanottajan kliinisiä ja geenitietoja (5). PRS-määritys lisäsi kliinisten riskiarvioiden tarkkuutta parhaimmillaan vain muutaman prosentin tai jopa heikensi sitä hieman. Toisessa tutkimuksessa havaittiin, että kliinisten laboratoriomittausten ja vastaavien PRS-lukujen välillä ei ollut merkitsevää korrelaatiota eliniän ennustajina (6). Seerumin pieni albumiinipitoisuus ennusti lyhyttä elinikää – arvatenkin maksan toiminnan mittarina – kun taas albumiinin PRS ei ollut elinikään yhteydessä.

Miksi geenit eivät ennusta tätä paremmin monitekijäisiä sairauksia? Geenien ja ympäristön lisäksi sattumalla on suuri vaikutus elimistön kehityksessä. Sattuman vaikutus näkyy mutaatioissa, joista syövät saavat alkunsa. Rinta- ja suolistosyöpien korkean riskin mutaatioiden seulonta voisi olla perusteltua, mutta PRS:t eivät tuo juurikaan lisäarvoa (7).

Monissa elimistön mekanismeissa lopputulokset ovat ennustamattomia. Useimmat aivojen rakennepiirteet ovat vain niukasti perinnöllisiä (8). Elimistön haarautuvat rakenteet ovat muodoltaan ennakoimattomia. Jokainen voi verrata kämmenselkiensä erilaisia laskimokuvioita. Samat geenit, sama elinympäristö.

Immuunijärjestelmä muuntuu jatkuvasti kohtaamiemme antigeenien perusteella. Lopputulos kaikkien näiden suhteen on ennakoimaton. PRS ei ennakoi sitä, milloin jokin tietty sepelvaltimon plakki tulehtuu ja repeää aiheuttaen sydäninfarktin.

Harvinaisista mutaatioista apu lääkekehitykselle

Suuria potilaskohortteja sekvensoimalla löytyy harvinaisia mutaatioita, jotka voivat paljastaa uusia säätelytoimintoja.

Perimän vaikutuksia painoindeksiin tutkittiin yli 650 000 osanottajan aineistolla (9). 228:lla oli harvinainen GPR75-geenin mutaatio ja kaksi yksikköä keskimääräistä pienempi painoindeksi. Koko joukosta ylipainoisia oli yli 30 %, mutaation kantajista 20 %. Mutaation kantajista yli 40 % oli normaalipainoisia, muista hieman alle 30 %.

Tutkijat poistivat vastaavan GPR75-geenin hiiriltä ja altistivat ne 14 viikon ajan rasvapitoiselle ruokavaliolle. Verrokkihiiret kaksinkertaistivat painonsa, kun poistogeenisten painonnousu oli alle puolet tästä.

GPR75-geeni ilmentyy aivoissa. Se kuuluu G-proteiinikytkentäisten reseptorien (GPR) yli 800 geenin perheeseen. Ne ovat tavallisia lääkevaikutuskohteita; yli 100 lääkettä kohdistuu eri GPR-geeniperheen jäseniin. GPR75:n estolääkkeet voisivat toimia yleisesti painonhallintaa auttavina lääkkeinä, vaikka geenimutaatiot ovat harvinaisia.

Tutkimalla geenien harvinaisia koodaavia mutaatioita kahden maan aineistoissa löydettiin satoja vihjeitä lääkekehityksen kohteista (10). Lääketeollisuus rahoittaa monia tämänkaltaisia hankkeita myös toivoen, että kliinisten kokeiden suuri hävikki heikon tehon vuoksi voitaisiin näin välttää (11).

Soluviljelyn kehitys ja solujen uudelleenohjelmointi

HeLa-soluja, kuten monia muitakin, viljellään usein muovin tai eläinperäisen valkuaisaineen päällä. Solujen väliaineella on kuitenkin monia säätelyvaikutuksia kasvutekijöiden lisäksi.

Soluviljelymenetelmiä on kehitetty kohti luonnollisempia olosuhteita. Alkion kantasolut kasvavat parhaiten oikeiden tyvikalvovalkuaisten pinnalla (12). Soluja voidaan kasvattaa kolmiulotteiseksi rakenteiksi geelissä, jolloin ne voivat muodostaa pieniä ”minielimiä”, esimerkkinä aivo-organoidit (13). Niiden tutkimus on samalla herättänyt uusia eettisiä kysymyksiä: voiko soluviljelmissä syntyä tiedostavia hermokudoksia (14).

Solujen erilaistumisen on ajateltu olevan peruuttamatonta. Shinya Yamanaka työtovereineen onnistui kuitenkin ohjelmoimaan uudelleen hiiren ja myös ihmisen fibroblasteja alkiosolujen kaltaisiksi, monikykyisiksi kantasoluiksi (induced pluripotent stem cells, iPSC) (15). Yamanaka ja Sir John Gurdon – joka kumosi sammakon tumansiirron avulla erilaistumisen peruuttamattomuuden dogmin – saivat tutkimuksistaan jaetun Nobel-palkinnon (16).

Solujen uudelleenohjelmoinnin avulla voidaan kasvattaa monia lääketieteellisesti kiinnostavia solutyyppejä, kuten insuliinia tuottavia beetasoluja, jotka ovat hormonaalisesti toiminnallisia (17). Varhaisalkion geenien tuntemus auttoi ohjelmoimaan uudelleen ihmisalkion 8-soluvaiheen kaltaisia soluja (18). Niiden avulla voidaan tutkia varhaisten alkiosolujen säätelyä ja erilaistumista.

Geenien muokkaus

Bakteerit ovat kehittäneet omat puolustusmekanisminsa viruksia vastaan. Emmanuel Charpentier löysi mekanismin, jonka avulla bakteerit pilkkovat virusten DNA:ta. Mekanismi tunnetaan lyhenteellä CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein). Yhdessä Jennifer Doudnan kanssa Charpentier kehitti sitten menetelmän minkä tahansa DNA-kohdan muokkaukseen soluissa; tämä tunnetaan parhaiten ”geenisaksina” (19).

Geenisaksista on toivottu keinoja perimän korjaukseen perinnöllisissä sairauksissa, mutta esimerkkejä on vähän joidenkin veritautien kokeellisten hoitojen lisäksi. Toisaalta ituradan perimän muokkaus ei edes ole sallittua. Menetelmää käytetään jatkuvasti tutkimuksen työkaluna. Sen avulla voidaan myös ohjata soluissa olevien geenien toimintaa vaikkapa solujen uudelleenohjelmointia varten (20).

Tutkimuskohteina yksittäiset solut

Soluja on vanhastaan luokiteltu niiden mikroskooppisen ulkonäön ja tyypillisiä valkuaisaineita tunnistavien vasta-aineiden avulla. Yksittäisten solujen ilmentämät geenit voidaan nyt luetteloida lähetti-RNA:n (mRNA) sekvensoinnin avulla (21). Näin olemme voineet selvittää alkiossa ensimmäisinä ilmentyvät geenit (22) ja ihmisen munasarjan solutyypit (23).

Käynnissä on suuri kansainvälinen hanke, Human Cell Atlas (24), jonka tavoitteena on luonnehtia elimistön kaikki solutyypit niiden mRNA-profiilien perusteella. Hankkeessa on tällä hetkellä mukana yli 2 000 tutkijaa 75 maasta. Ymmärryksemme ihmisen fysiologiasta kasvaa nopeasti.

Yhä tarkempia kuvia ja keinoäly tulkinnan apuna

Kuvantaminen on kauan ollut keskeisiä tutkimuksen ja kliinisen päätöksenteon menetelmiä. Turun yliopistossa ensimmäiset mallilaitteensa rakentanut Stefan Hell onnistui murtamaan erotuskyvyn maagisen alarajan, valon aallonpituuden STED (stimulated emission depletion) -mikroskopialla. Se huomioitiin Nobel-palkinnolla (25).

Mikroskooppikuvien tulkinta on patologien ominta alaa. Viime vuosina avuksi ovat tulleet kuvien laskennallinen tulkinta ja keinoäly. Kuvatiedostoja voidaan kerätä suurista kudospinnoista. Kuvien analysoinnissa käytetään hyväksi solujen toistuvia piirteitä ja silmän erotuskykyä tarkempaa värien tunnistamista. Keinoäly ja koneoppiminen löytävät yhteiset ja erottavat vähäiset piirteet (26,27). Yhdistämällä yhden solun RNA-sekvensointitekniikat kuvantulkintaan voimme ymmärtää kudosten hienorakennetta ja toimintaa paljon nykyistä tarkemmin.

Myös makroskooppinen kuvantaminen magneettikuvauksen sekä kerroskuvauksen avulla on saanut uutta tarkkuutta. Angiografiset kuvantamismenetelmät voivat toimia paljon PRS-lukuja parempina ja toimenpiteitä ohjaavina ensilinjan menetelminä sydäninfarktien ehkäisyssä (28). Uusimmat PET (positron emission tomography) -laitteistot voivat kuvantaa yhtaikaa koko vartalon ja mahdollistavat elimistön nopeasti muuttuvien ilmiöiden tutkimuksen suurella ajallisella tarkkuudella.

Veri voi kertoa enemmän

Verestä analysoidaan yhä uusia aineosia: tuhansia valkuaisaineita tai aineenvaihdunnan tuotteita kerralla tai vereen liuenneen DNA:n, cfDNA:n (cell-free DNA) ominaisuuksia.

Tutkittaessa yli 4 500 plasmaproteiinin pitoisuuden yhteyttä kuolemanriskiin, noin 200 proteiinin yhdistelmä tarkensi ennustetta noin 5 %:lla kliinisiin riskitekijöihin verrattuna (29). Tärkein yksittäinen ennusteproteiini oli kasvu- ja erilaistumistekijä GDF-15, joka lisääntyy voimakkaasti tulehduksessa, säätelee aivoissa ruumiinpainoa ja ilmentyy myös endoteelisoluissa. Geeni on liitetty GWAS-tutkimuksessa raskauspahoinvointiin, mutta ei ikääntymisen ilmiasuihin. Muuttuva proteomi kertoo enemmän kuin hedelmöityshetkellä määräytyvä genomi.

Syövät alkavat useimmiten sattumanvaraisista mutaatioista solujen kasvua säätelevissä geeneissä. Syövälle ominaista on nopea kasvu, mutta myös runsas solukuolema. Hajoavista syöpäsoluista vapautuu DNA:ta, joka liukenee vereen cfDNA:ksi. Siitä suurin osa on peräisin valkosoluista, mutta muiden kudosten cfDNA:n osuus kasvaa monissa sairaustiloissa (30).

Tyypillisten syöpämutaatioiden löytyminen cfDNA:sta paljastaa jo varhain myös sellaisia syöpiä, joiden seulonta muilla keinoin on vaikeaa (31). Testi kelpaa todennäköisesti säännölliseen väestöseulontaan. Monet diagnostiikkayritykset ovat jo tuomassa sitä kliiniseen käyttöön.

Immuunijärjestelmä avuksi syövän hoidossa ja rokotteita syöpiin

Monet syöpälääkkeet ovat kohdesoluiltaan epätarkkoja, itsessään mutageenisia, ja syöpäsolujen valikoituminen johtaa kasvaimen uusiutumiseen. Sen sijaan immuunijärjestelmä voi käynnistää koko kehon laajuisen kohdennetun hyökkäyksen herkistyttyään vieraille syöpäantigeeneille.

Levinnyt melanooma on ollut yksi huonoennusteisimmista syövistä, mutta nykyään yli puolet potilaista paranee. Läpimurto saavutettiin yhdistämällä kahden eri immuunijärjestelmää säätelevän jarruproteiinin estolääkitys; näitä koodaavat geenit CTLA4 ja PD1. Niiden toimintaa estävien vasta-ainelääkkeiden avulla T-lymfosyytit saadaan aktivoitua tunnistamaan ja tuhoamaan melanoomasoluja. James Allison ja Tasuku Honjo palkittiin tutkimuksistaan Nobel-palkinnolla (32).

Tulokset ovat innostaneet myös muiden immuunijärjestelmän aktivointiin perustuvien syöpähoitojen kehittämiseen. Lupaavimpia näkymiä tarjoavat RNA-rokotteet. Syöpäsoluissa syntyy mutaatioiden seurauksena normaaleista poikkeavia valkuaisaineita (neoantigeeneja), joita kohtaan voi kehittää RNA-rokotteita. Näiden avulla voidaan herättää elimistön T-soluvaste tuhoamaan erityisesti syöpäsolukkoa (33).

Lopuksi

Samalla kun tutkimusmenetelmät ovat kehittyneet, tutkimuksen valvonta on kiristynyt. EU:n yleinen tietosuoja-asetus (General Data Protection Regulation, GDPR) koskee kaikkia lääketieteen tutkijoita. Suomessa on astunut voimaan niin kutsuttu toisiolaki (34). Sen tarkoituksena oli helpottaa tutkimustyötä, mutta käytäntö on osoittautunut muuksi.

Tutkimusalojen nopea kehitys on luonut monia mahdollisuuksia, jotka koskettavat jokseenkin kaikkia lääketieteen erikoisaloja. Silti tutkimuksen voimavarat vähenevät koko maailman epävakaassa ilmapiirissä. Tutkimus tarjoaa mahdollisuuksia, mutta ne eivät toteudu ilman arkipäivän tutkimustyötä.