Kantasolututkimus

Kantasolututkimus on vielä nuori biologian tutkimusala. Monia suuria läpimurtoja, kuten ihmisen alkion ja kudoskantasolujen tunnistaminen, on tehty vasta viimeisen 25 vuoden aikana.

Kantasolututkimuksen ansiosta tunnetaan nykyään esimerkiksi ihmisen kehityksen alkuvaiheet, osataan laboratoriossa erilaistaa kantasoluista erilasia soluja ja minikudoksia ja monen aiemmin huonosti tunnetun sairauden syyt ovat paremmin selvillä. Joidenkin sairauksien kohdalla ollaan kantasolututkimuksen ansiosta edetty jo hoitoihin.

Kantasolututkimuksen juuret yltävät yli sadan vuoden takaiseen kehitysbiologiseen tutkimukseen asti. Vuonna 1885 Hans Driesch osoitti, että merisiilin 2-soluvaiheen alkion molemmat solut pystyvät muodostamaan kokonaisen merisiilin, todistaen että solut ovat totipotentteja. Hans Spemann osoitti selkärankaisen eläimen (salamanterin) varhaisalkion solujen pluripotenssin vastaavilla kokeilla 1900-luvun alussa.

Saatiin kuitenkin odottaa puoli vuosisataa, vuoteen 1962, ennen kuin John B. Gurdon ensimmäisenä osoitti, että erilaistuneen solun identiteettiä voi muokata. Gurdon siirsi sammakon suolen solusta sen perimän sisältävän tuman sammakon munan tuman tilalle. Seurauksena oli normaalisti kehittyvä nuijapää. Tämä osoitti ensimmäistä kertaa, että erilaistuneen solun tuma voi palautua pluripotenttiin tilaan, tavallaan kehityksessä taaksepäin. Gurdon sai löydöksestään Fysiologian ja Lääketieteen Nobelin palkinnon yhdessä Shinya Yamanakan kanssa vuonna 2012.

1981 Martin Evans, Matthew Kaufman ja Gail Martin eristivät ensimmäisinä hiiren varhaisalkiosta pluripotenttisia alkion kantasoluja ja kasvattivat niitä laboratoriossa. Vastaavat ihmisen varhaisalkion kantasolut tunnistettiin James Thomsonin ja Jeffrey Jonesin toimesta niinkin myöhään kuin 1998. Alkion kantasolut avasivat uuden arvokkaan tutkimuslinjan, jonka kautta opittiin ymmärtämään ihmisen kehityksen varhaisvaiheita.

Vuonna 1997 Keith Campbellin ja Ian Wilmutin tutkimuksen ansiosta syntyi maailman ensimmäinen erilaistuneesta solusta kloonattu nisäkäs, lammas Dolly. Dolly sai alkuunsa rintarauhasen solusta, jonka tuma siirrettiin munasolun tuman tilalle. 

Vuonna 2006 Shinya Yamanakan johtama tutkimus osoitti, että hiiren erilaistuneita soluja on mahdollista ohjelmoida takaisin pluripotenttiin tilaan indusoiduiksi pluripotenteiksi kantasoluiksi, iPS-soluiksi.

Tällä vuosituhannella on opittu erilaistamaan, ensin hiirten ja myöhemmin ihmisten, alkion kantasoluista sekä iPS-soluista kudossoluja muistuttavia soluja. Nykyään voidaan saada aikaan laboratoriossa esimerkiksi sykkiviä sydänlihassoluja, insuliinia erittäviä haiman soluja ja aivokuoren rakenteita omaavia mini-aivoja. Vaikka pluripotenteista kantasoluista erilaistettuja soluja on siirretty eläimiin lupaavin tuloksin, on näiden kantasolujen hyödyntäminen ihmisten sairauksien hoidossa vasta alkamassa. 

 

Jo 1900 luvun alussa, Alexander Maximov esitti hypoteesin, jonka mukaan veren kaikki solut olisivat lähtöisin yhteisestä kantasolusta. Puoli vuosisataa myöhemmin, 1960-luvun alussa James Till ja Ernest McCulloch todistivat veren kantasolujen olemassaolon kokeissa, joissa siirsivät uutta luuydintä hiirille, joiden oma luuydin oli tuhottu säteilyllä. Tämä oli ensimmäinen osoitus aikuisen kudoskantasolujen olemassaolosta. Luuydinsiirtoja ollaan tehty onnistuneesti myös ihmisille 1960-luvulta asti.

1970-luvulla Howard Green onnistui tietämättään ensimmäisenä kasvattamaan kudoskantasoluja laboratoriossa ja loi samalla pohjan ihonsiirtomenetelmien kehittämiseen. Ihon kantasolujen olemassaolo todistettiin kuitenkin vasta yli 30 vuotta myöhemmin.

1990-luvun alussa James Rheinwald onnistui puolestaan kasvattamaan ihmisen sarveiskalvon koepaloja niissä sijaitsevien kantasolujen ansiosta. Muutama vuosi myöhemmin Michele De Lucan johtama ryhmä teki jo ensimmäiset onnistuneet sarveiskalvonsiirrot ihmisille.

Tutkimusmenetelmien kehityksen ansiosta 2000-luvun alussa pystyttiin lopulta osoittamaan kudosten kantasolujen olemassaolo lähes kaikissa elimissä. Tämä johti mm. suolen, keuhkojen, vatsan ja maksan kantasolujen tunnistamiseen. Läpimurto liittyi niin sanottuihin linjajäljennöskokeisiin (engl. lineage tracing), joissa kantasolu laitetaan ilmentämään merkkiainetta, ja tämän ominaisuuden periytymistä seuraamalla voidaan selvittää mitä soluja kyseinen kantasolu pystyy kudokseen tuottamaan. Näin voidaan osoittaa mikä solu vastaa muiden solujen tuotosta ja koko kudoksen uusiutumisesta.

Nykyään ajatellaan, että kudoksen uusiutumiseen kykeneväisiä kantasoluja tai esisoluja esiintyy suurimassa osassa, ellei kaikissa, aikuisen kudoksissa. Aivoistakin löytyy kantasoluominaisuuksia omaavia soluja, mutta niiden toiminta hermosolujen uudistajina ihmisen aivoissa on edelleen kiistanalaista ja aivojen uusiutumiskyky on ihmisillä joka tapauksessa hyvin vähäistä. 

Toinen tärkeä menetelmä kudoskantasolututkimuksessa ovat organoidiviljelmät. Organoidit ovat kudoksien rakennetta muistuttavia 3D-soluviljelmiä, joissa kantasoluja ja niiden naapurisoluja voidaan ylläpitää yleensä pitkiäkin aikoja. Tutkimuksellisesti hyödyllinen tapa osoittaa yksittäisen solun kyky toimia kudoskantasoluna onkin testata sen kyky muodostaa organoidi. Mikäli syntynyt organoidi sisältää kaikki kyseisen kudoksen solutyypit oikeissa suhteissaan, pystyy sen aloittanut solu tuottamaan uutta kudosta tasapainottamalla uusiutumista ja erilaistumista. Organoidiviljelmät ovat vasta hieman yli kymmenen vuotta vanha menetelmä kantasolubiologiassa, mutta niitä käytetään jo paljon esimerkiksi lääkeainetestejä varten yksilöllisessä lääketieteessä sekä kudosten korjautumista selvittävässä tutkimuksessa.

Kantasolututkimukseen lasketaan sekä biologian ymmärtämiseen tähtäävä perustutkimus että tähän pohjautuva soveltava tutkimus, jossa tavoitteena on kehittää uusia hoitomuotoja. Kantasolututkimuksen ansiosta esimerkiksi ihmisen kehityksen alkuvaiheet tunnetaan nykyään jo melko hyvin, minkä ansiosta laboratoriossa osataan erilaistaa kantasoluista erilaisia soluja ja minikudoksia. Kantasolututkimuksen ansiosta myös monen aiemmin huonosti tunnetun sairauden syyt ovat nykyään paremmin selvillä ja ollaan askeleen lähempänä uusia hoitoja.

Nisäkkäiden alkion kantasolujen löytyminen viime vuosituhannen loppupuolella mahdollisti yksilönkehityksen ensimmäisten vaiheiden tutkimisen täysin uudella tavalla. Näistä arvokkaista soluista tehtiin myös paljon niin sanottuja solulinjoja (ES-solulinjoja), joita voi pakastaa ja sulattaa uudelleen, mikä vähensi uusien alkioiden tarvetta. Alkion kantasolujen ansiosta esimerkiksi yksilönkehityksen alkuvaiheita ohjaavia geenisäätelymekanismeja tunnetaan nykyään paljon entistä tarkemmin. Alkion kantasoluilla tehtävästä tutkimuksesta on ollut myös paljon hyötyä esimerkiksi kehittäessä lapsettomuushoitoja.

Pian alkion kantasolujen löytymisen jälkeen, niitä opittiin myös erilaistamaan laboratoriossa toiminnallisiksi soluiksi, esimerkiksi sydänlihas- tai hermosoluiksi. Ennen tätä tutkimuksessa käytetyt ihmissolut olivat lähinnä peräisin kasvaimista. Kasvainsoluja hyödyntämällä on tehty paljon arvokkaita löydöksiä, mutta vasta kantasolujen erilaistamismetodit ovat mahdollistaneet monien sairauksien, kuten esimerkiksi hermostosairauksien, tutkimisen asianmukaisissa ihmissolumalleissa. Tällaisessa tautimallinnuksessa käytetään nykyään alkion kantasoluista lähtöisin olevien solujen lisäksi enenevissä määrin iPS-soluista erilaistettuja soluja.

iPS-solujen suosio tutkimuksessa johtuu osittain niiden helposta saatavuudesta verrattuna alkion kantasoluihin, mutta iPS-solujen suurin arvo on se, että niitä voidaan tehdä potilaan omista soluista. iPS-teknologian ansiosta pystytään nykyään tutkimaan esimerkiksi hermoston tautimekanismeja hermosoluissa, jotka ovat peräisin potilaan omista iho- tai verisoluista, ja täten ne vastaavat potilaan soluja myös geneettisesti. Potilaan omia iPS-soluja käyttämällä voidaan siis selvittää sairauden syyt yksilöllisellä tasolla.

Ihmisten kudoskantasoluja on huonosti saatavilla, joten kudoskantasolujen tutkimus perustuu laajalti malliorganismien, kuten hiiren ja banaanikärpäsen, käyttöön. Malliorganismeja hyödyntämällä ollaan pystytty oppimaan miten kokonaiset kudokset, kuten suoli, iho tai veri uusiutuvat kantasolujen ansiosta. Nämä tutkimukset ovat johtaneet paitsi kudoskantasolujen löytymiseen, myös monien sairauksien, kuten syöpien tai ikääntymisestä johtuvien rappeumien, ymmärtämiseen. Malliorganismeissa on myös mahdollista tutkia kudosten rakenteiden ja systeemisten tekijöiden, kuten verenkierron ja aineenvaihdunnan merkitystä kudosten uusiutumisessa.

Nykyään kudoskantasolututkimuksessa käytetään myös paljon eläimen tai ihmisen soluista peräisin olevia minikudoksia, eli 3D-organoideja, joissa kudosten rakenne on ainakin osittain säilynyt. Organoidimenetelmät ovat esimerkiksi avanneet mahdollisuuksia tutkia kudosten uusimisen mekanismeja yksityiskohtaisesti ja vieneet siten kantasolututkimusta lähimmäksi tulevaisuuden kantasoluhoitoja.

 

 

Kantasolubiologian ja kehitysbiologian tutkimusta tehdään monessa Suomen yliopistossa sekä Suomen Akatemian rahoittamissa huippuyksiköissä. Muun muassa täällä:

Suomen Akatemian huippuyksiköt

Kantasolumetabolian huippuyksikkö MetaStem
Kantasolumetabolian huippuyksikössä keskitytään kantasolujen aineenvaihdunnan merkitykseen kantasolujen toiminnassa ja ylläpitämisessä. Huippuyksikössä tutkitaan myös, kuinka kantasolujen toimintaa voidaan ohjata säätelemällä niiden aineenvaihduntaa ja näin edesauttaa kantasolupohjaisten hoitojen kehittämistä. Linkki verkkosivuille

Monikudosmallintamisen huippuyksikkö Body on-Chip
Huippuyksikössä tuotetaan merkittävää uutta osaamista, esimerkiksi ymmärrystä kudosten yhteistoiminnasta viljelyolosuhteissa, yhdistelmäkudosten in vitro -rakentamista sekä näiden toimintojen ohjaamista. Tavoitellulla biologiaa ja keinotekoisia rakenteita yhdistävällä konseptilla pyritään muun muassa tehostamaan lääkeainekehitystä ja tuottamaan henkilökohtaisia hoitoja. Linkki verkkosivuille

Tutkimusohjelmat ja ryhmät Helsingin yliopistossa

Kantasolujen ja metabolian tutkimusohjelma, Lääketieteellinen tiedekunta
Esimerkiksi Timo Otonkoski, Anu Suomalainen-Wartiovaara, Henna Tyynismaa, Sara Wickström, Kirmo Wartiovaara, Taneli Raivio, Satu Kuure ja Juha Kere. Linkki verkkosivuille

Helsinki Institute of Life Science, HiLIFE
Institute of Biotechnology, esimerkiksi Pekka Katajisto, Marja Mikkola, Ville Hietakangas, Anamaria Balic, Jette Lengefeld, Fredric Michon, Osamu Shimmi ja Jukka Jernvall Linkki verkkosivuille
Neuroscience Center, esimerkiksi Jari Koistinaho, Takashi Namba ja Olli Pietiläinen Linkki verkkosivuille
FIMM, esimerkiski Helena Kilpinen. Linkki verkkosivuille

Muualla Helsingin yliopistossa
Esimerkiksi Maija Castrén, Kari Alitalo, Tomi Mäkelä, Jaakko Mattila, Sanna Vuoristo ja Kirsi Sainio

Muualla Suomessa

Tampereen yliopisto, Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta
Esimerkiksi Katriina Aalto-Setälä, Heli Skottman, Keijo Viiri, Minna Kellomäki, Susanna Miettinen, ja Susanna Narkilahti. Linkki verkkosivuille

Oulun yliopisto
Biokemian ja molekyylilääketieteen tiedekunta

Esimerkiksi Seppo Vainio ja Aki Manninen. Linkki verkkosivuille
Lääketieteellinen tiedekunta
Esimerkiksi Reetta Hinttala ja Petri Lehenkari. Linkki verkkosivuille

Itä-Suomen yliopisto
Esimerkiksi Riikka Martikainen, Johanna Kuusisto, Annakaisa Haapasalo, Tarja Malm ja Sarka Lehtonen. Linkki verrkosivuille

Turun yliopisto
Esimerkiksi Riitta Lahesmaa, Riikka Lund, Terhi Heino ja Johanna Ivaska. Linkki verkkosivuille

Veripalvelu Linkki verkkosivuille