Oman tutkimusryhmämme kohteina Tampereella ovat silmän rajapinnat. Etsimme hoitokeinoja sekä sarveiskalvovaurioihin että verkkokalvosairauksiin. Jälkimmäisessä keskitymme erityisesti verkkokalvon pigmenttiepiteeliin (RPE) sekä terveessä silmässä että erilaisissa silmäsairauksissa.
Tärkein työkalumme ovat kantasolut. Kantasolu on siitä erikoinen solutyyppi, että se pystyy tuottamaan valtavan määrän kopioita itsestään ja toisaalta erilaistumaan yhdeksi tai useammaksi solutyypiksi. Työkalujamme ovat erityisesti Ihmisen kaikkikykyiset kantasolut, joilla ajatellaan olevan mahdollisuus erilaistua elimistön kaikiksi eri solutyypeiksi.
Perinteisesti kaikkikykyisiä kantasoluja on saatu ihmisen alkioista. Meilläkin on alkioperäisiä kantasolulinjoja jo noin 15 vuoden takaa, ja hyödynnämme niitä tutkimuksessa edelleen.
Kantasolututkimus mullistui täysin, kun japanilainen Shinya Yamanaka kehitti menetelmän, jolla tavallisista soluista kyetään valmistamaan indusoituja kaikkikykyisiä kantasoluja (iPSC). Yamanaka sai keksinnöstään sekä Millenium-teknologiapalkinnon että Nobel-palkinnon vuonna 2012.
Uuden teknologian myötä saimme aivan uuden kantasolulähteen. Nyt voimme tuottaa tautispesifisiä kantasolulinjoja sairauksien mallinnukseen, soluterapian suunnitteluun, lääkekehitykseen, toksikologiaan ja perustutkimukseen.
Kantasoluista erilaistettuja solu- ja kudosmalleja voidaan hyödyntää myös monissa prekliinisissä kokeissa. Esim. geenihoidossa käytettävän virusvektorin toimivuutta ja geenihoidon toiminnallisuutta voidaan testata niiden avulla laboratoriossa ennen kliinisten hoitokokeiden aloittamista.
Sairauksien mallinnus
Omaksi tutkimuskohteeksemme valikoituivat jo varhain RPE-solut, jotka ylläpitävät neuraalisen verkkokalvon hyvinvointia. Erilaistamme RPE-soluja iPSC-soluista laboratoriossamme. Todennamme erilaisin menetelmin, että tuotetut solut ovat oikeita toiminnallisia RPE-soluja. Ne mm. ilmentävät RPE-soluille tyypillisiä geenejä ja proteiineja ja huoltavat aistinsoluja kuten kuuluukin.
Sairauksien mallinnusta varten tuotamme geenivirhespesifisen solulinjan henkilöstä, jolla on tietty silmäsairauteen johtava geenivirhe. Näin pääsemme tutkimaan laboratoriossa, miten geenivirhe vaikuttaa soluun ja millä mekanismeilla se aiheuttaa sairauden. Jos mutaatiota ei vielä tunneta, solujen toiminnallisuutta verrataan terveiden ihmisten solujen toimintaan. Toiminnallisen puutoksen kautta voidaan päästä jyvälle siitä, mikä geenivirhe voisi olla sairauden taustalla.
iPSC-teknologian avulla tutkimme parhaillaan useita silmäsairauksia: verkkokalvon ikärappeumaa (AMD), tiettyjä RP-mutaatioita, Sorsbyn dystrofiaa (TIMP3) ja silmäoireitakin aiheuttavaa pyrofosfaatin puutostautia (pseudoxanthoma elasticum).
Teemme sekä kansallista että kansainvälistä yhteistyötä. Yhteistyö Retina ry:n ja Suomen Retinitisrekisterin kanssa on ollut oiva työkalu, kun olemme halunneet selvittää, mitä perinnöllisiä silmäsairauksia ja geenivirheitä Suomessa esiintyy. Näin osaamme kohdentaa tutkimuksia niihin.
Solujen välinen kommunikaatio
Yhtenä esimerkkinä Tampereella meneillään olevista tutkimuksista on Suomen Akatemian rahoittama BioMiri-hanke. Yhteistyössä akatemiatutkijoiden Soile Nymarkin ja Teemu Ihalaisen tutkimusryhmien kanssa kehittelemme laboratoriomenetelmiä, joilla voidaan tutkia tarkemmin RPE:n ja verkkokalvon välistä kommunikaatiota.
Käyttämämme menetelmä mallintaa RPE:n ja verkkokalvon rajapintaa, jossa tärkeä kommunikointi tapahtuu. Näkökulma ja tutkimusympäristö on täysin uusi ja edesauttaa monipuolisesti verkkokalvosairauksien tutkimusta ja hoitojen kehittämistä.
Olemme valinneet malliksi RP-tautimuodon, joka johtuu mutaatiosta PRPF8-geenissä. Tässä sairaudessa sekä kliininen taudinkuva että alustavat kokeet eläinmalleilla viittaavat siihen, etteivät RPE-solut kommunikoi kunnolla aistinsolujen kanssa. Potilaiden soluista on tuotettu iPSC-kantasoluja ja erilaistettu RPE-soluja. Vertaamme parhaillaan niiden toimintaa terveisiin RPE-soluihin.
Soile Nymarkin johtama silmän biofysiikkaan erikoistunut ryhmä tutkii solujen välisiä sähköisiä ionikanavia. RPE-soluissa ne osallistuvat mm. prosessiin, joka vastaa aistinsolujen uusiutumisesta eli fagosytoosista. Tämä prosessi on häiriintynyt monissa verkkokalvon rappeumataudeissa. Ionikanavat ovat herkkiä solujen kunnon ja toiminnan mittareita, ja niillä voi olla tärkeä rooli sairauksien synnyssä.
Nymarkin tutkimusryhmässä selvitetään myös silmän vuorokausirytmin säätelemiä prosesseja sekä niiden yhteyksiä verkkokalvon ja RPE:n toimintaan ja sairauksiin.
Tutkimussuuntia maailmalta
Verkkokalvon sairaudet eivät useinkaan ole vain yhden solutyypin sairauksia, vaan ongelma voi johtua solujen puutteellisesta yhteistyöstä. 3D-kudosmallit tarjoavat hyvän työkalun näihin tutkimuksiin.
Ideana on yhdistää kantasoluista tuotettuja eri solutyyppejä toisiinsa siten, että lopputulos muistuttaa ihmisen verkkokalvoa. Haasteena on verkkokalvon erikoinen rakenne. Tutkimusta hidastaa myös se, ettemme vieläkään osaa erilaistaa kaikkia verkkokalvon yli 60 eri solutyyppiä.
Ratkaisu voi löytyä organoiditeknologiasta. Organoidit ovat pallomaisia solurykelmiä. Jos verkkokalvon eri solutyyppien annetaan erilaistua tällaisissa kudosryppäissä, organoidien sisään voi syntyä verkkokalvoa muistuttavia rakenteita samaan tapaan kuin normaalin sikiönkehityksen aikana.
Näillä malleilla on kuitenkin tällä hetkellä myös omat rajoitteensa, sillä esimerkiksi RPE ei välttämättä kehity ollenkaan tai on väärässä paikassa. Tutkimus kuitenkin etenee ja esimerkiksi aivo-silmä-organoideissa on hiljattain saatu kasvamaan silmän rakennetta muistuttavia alkuja.
Hyvin varhaisessa vaiheessa olevissa prekliinisissä kokeissa verkkokalvo-organoideja on jo siirretty rotta- ja apinamalleihin. Apinaan siirretyt toiminnalliset aistinsolut ovat säilyneet elossa ainakin kaksi vuotta. Rotalla on havaittu mahdollisesti maltillinen valoaistimuksen paraneminenkin 1,5 vuoden kohdalla.
3D-biotulostusteknologialla voidaan rakentaa kerros kerrokselta verkkokalvoa. Mukana on rakennetta tukeva biomateriaalikomponentti, jota kutsutaan biomusteeksi. Tällä hetkellä tulostamme sarveiskalvon rakenteita. Tulevaisuudessa pystymme tähän toivottavasti myös verkkokalvopuolella.
Silmän kantasoluhoidot
Uuden sukupolven kantasoluhoidot ovat monesta syystä edenneet nopeimmin juuri silmäsairauksissa.
- Silmä on helposti lähestyttävissä ja leikkausmenetelmät erittäin kehittyneitä.
- Hoitoa on mahdollista kokeilla vain toiseen silmään, jolloin toinen toimii verrokkina.
- Silmän ajatellaan olevan osittain suojassa hyljintäreaktioilta.
- Hoidon toimivuutta on helppo seurata. Kuvantamismenetelmät ovat hyvin kehittyneet.
- Muilla solutyypeillä on jo osoitettu solusiirtostrategian toimivuus.
- Soluja tarvitaan suhteellisen vähän verrattuna muihin elimiin.
Pisimmällä silmän kantasoluhoidoissa ollaan sarveiskalvovammojen hoitamisessa limbaalisilla kantasoluilla. Niitä esiintyy normaalisti sarveiskalvolla, ja niiden tehtävänä on korjata syntyviä pintavaurioita. Jos limbaaliset kantasolut puuttuvat, sarveiskalvon pintaepiteeli ei uusiudu, mikä voi johtaa sokeuteen.
Kantasoluhoito soveltuu myös verkkokalvon ikärappeumaan (AMD) ja Stargardtin tautiin, joissa molemmissa on puutteellisesti toimiva RPE. Kantasoluista tuotettujen RPE-solujen siirto voidaan suorittaa joko solususpensiona tai valmiina solumattona. Solususpension injektointi on teknisesti helpompi, mutta ongelmaksi jää solujen kiinnittyminen, toimintakyky ja epiteelin muodostuminen. Solumatto taas vaatii tuekseen biomateriaalin, eikä optimaalista materiaalia ole vielä tarjolla. Useita vaihtoehtoja on kokeilussa.
Nykyiset kliiniset hoitotutkimukset ovat pääsääntöisesti vielä turvallisuuskokeita. Menetelmät ovat edelleen keskeneräisiä, mutta viitteitä niiden toimivuudesta on jo saatu.
Solulähteinä voidaan käyttää myös sikiöperäisiä verkkokalvon esisoluja, joista sikiönkehityksen aikana syntyy verkkokalvoa. Meneillään on kliinisiä hoitotutkimuksia RP-potilailla Englannissa ja USA:ssa. Verkkokalvon esisoluja on siirretty kolmelle potilaalle, joilla oli vielä osittainen näkökyky jäljellä. Seuranta-ajan alustavien tulosten mukaan kaikkien kolmen näkökyky on parantunut jonkin verran.
Artikkelin on laatinut Retina Dayn videotallenteen perusteella Outi Lehtinen, ja tekstin on tarkistanut Heli Skottman.