Terveydenhuollolle on ensiarvoisen tärkeää kyetä tutkimaan, mikä on potilaiden oireiden aiheuttaja. Potilaan parantaminen vaatii tiedon siitä, mihin hän on sairastunut. Tämän vuoksi lääketieteellisten diagnostisten testien kehitys on koko ajan pinnalla oleva ja kehittyvä tutkimusala, jonka ympärille muodostuu jatkuvasti myös Suomessa uusia yrityksiä.

Nykyiset diagnostiset menetelmät nojaavat vahvasti verestä saatavaan tietoon, minkä vuoksi potilaat lähetetään usein verta ottavalle hoitajalle. Kerätty veri lähetetään laboratorioon, jossa siitä etsitään kemiallisten testien avulla mahdollisiin tauteihin liittyviä molekyylejä, biomarkkereita.

Biomarkkereiksi kutsutaan molekyylejä, joiden määrä analysoitavassa näytteessä, tässä tapauksessa veressä, muuttuu sairauden takia. Esimerkiksi sydänkohtauksessa sydänlihaksesta vapautuu verenkiertoon tiettyä proteiinia, jota terveiden henkilöiden veressä on vain hyvin vähän. Siten esimerkiksi rintakivuista ja heikosta olosta kärsivällä potilaalla voidaan epäillä sydänkohtausta, mikäli hänen verikokeessaan havaitaan keskimääräistä enemmän kyseistä proteiinia.

Tavoitteena entistä herkemmät havaitsemismenetelmät

Diagnostisia testejä kehitetään jatkuvasti, koska kaikille biomarkkereille ei ole vielä tarpeeksi herkkiä mittaustapoja. Hyvin herkkä testi havaitsee erittäin pieniä määriä biomarkkeria, jopa vain muutamia molekyylejä pienestä määrästä verta. Entistä herkempien testien kehitys ei auta pelkästään lääkäriä diagnosoinnissa, vaan myös potilasta, koska mitä herkempiä testit ovat, sitä vähemmän verta potilaan pitää luovuttaa sairauden selville saamiseksi. Eikö olisi mahtavaa, jos verikokeessa usean putken sijaan otettaisiinkin vain muutama pisara verta sormenpäästä?

Teemme Turun yliopiston bioteknologian laitoksella uraauurtavaa kehitystyötä käyttämällä uudenlaista, äärimmäisen lupaavaa teknologiaa: käänteisviritteisiä nanopartikkeleita. Vain muutamassa yliopistossa maailmassa tutkitaan niiden käyttöä tautien havaitsemisessa.

Useimmat biomarkkerien analyysitekniikat perustuvat pieniin, valoa tuottaviin rakenteisiin, joita kutsutaan leimoiksi. Nämä rakenteet kiinnitetään molekyyleihin, jotka osaavat sitoutua vain ja ainoastaan juuri haluttuun biomarkkeriin. Näin saadaan leimattua verinäytteessä olevat biomarkkerit, jonka jälkeen voidaan mitata valon määrä. Valon määrän perusteella voidaan laskea biomarkkerin määrä veressä.

Valon tuotanto näissä leimoissa perustuu fluoresenssi-ilmiöön. Tämän ymmärtämistä helpottaa, jos ajattelee valoa fotoneina, eli valoenergiapaketteina.  Leimat pystyvät vastaanottamaan fotoneja, joiden avulla ne voivat itse hohtaa valoa ympäristöönsä, tällöin ne siis vapauttavat fotoneja. Valon väri, jota leimat kykenevät vastaanottamaan ja väri, jota ne hohtavat, riippuu aina käytetystä leimasta.  Suurin osa leimoista vaatii hyvin korkeaenergisiä valopaketteja kyetäkseen vapauttamaan niitä itse, ja vapautetut valopaketit sisältävät aina vähemmän energiaa kuin vastaanotetut valopaketit.

Haasteena on, että jotkin komponentit veressä kykenevät myös vastaanottamaan korkeaenergisiä valopaketteja ja vapauttamaan niiden voimalla omiaan. Tällöin voi olla hankalaa erottaa nimenomaan leiman tuottama valo näistä muiden komponenttien tuottamasta valosta. Diagnostiikan alalla tämä ”taustavalo”, niin kutsuttu autofluoresenssi, on hyvin tunnettu ja merkittävä ongelma, kun halutaan havaita pieniä määriä biomarkkereita.

Ratkaisu tähän ongelmaan ovat käänteisviritteiset nanopartikkelit. Ne ovat pieniä, alle sadan nanometrin kokoisia kiteitä, joita voidaan käyttää määrityksissä leimoina, mutta jotka hohtavat valoa hyvin omaperäisellä tavalla. Muut leimat ja hohtamaan kykenevät veren komponentit vaativat korkeaenergisiä valopaketteja vapauttaakseen matalaenergisempiä valopaketteja, kun taas käänteisviritteiset nanopartikkelit voivat vapauttaa korkeaenergisempiä valopaketteja, kuin mitä ne vastaanottavat. Tämän mahdollistaa se, että vastaanottaessaan energiapaketteja, ne voivat kerätä niitä sisäänsä, säilyttää hetken, ja koota useasta paketista yhden ”suuremman” paketin. Tavallisen leiman ja käänteisviritteisen nanopartikkelin valontuotantoprosessien ero on havainnollistettu kuvassa.

Siinä missä tavallinen leima vastaanottaa hyvin energiapitoisen valoenergiapaketin (korkeaenergisen fotonin) ja sen voimalla kykenee lähettämään matalaenergisen fotonin, niin käänteisviritteinen nanopartikkeli kykenee vastaanottamaan useita matalaenergisiä fotoneja ja pinoamaan ne yhdeksi korkeaenergiseksi fotoniksi.

Koska käänteisviritteisten nanopartikkelien valontuotanto toimii päinvastaiseen suuntaan kuin muilla leimoilla ja verinäytteiden komponenteilla, niiden valo voidaan mitata siten, ettei taustavaloa havaita tuloksissa lainkaan. Tällöin voidaan teoriassa mitata äärimmäisen pieniä määriä biomarkkereita verestä.

Tavallinen leima (kuvattu sinisenä pilvenä) kykenee hohtamaan vain vastaanotettuaan korkeaenergistä valoa, mutta niin pystyvät myös eräät veren komponentit. Tästä johtuen biomarkkeria (musta pallo) mitattaessa havaitaan myös taustavaloa, joka vaikeuttaa biomarkkereista kertovan valon löytämistä mittauksessa. Käänteisviritteiset nanopartikkelit (vihreä kuusikulmio) sen sijaan hohtavat matalaenergisemmässä valossa, joka ei saa veren komponentteja hohtamaan. Tällöin biomarkkerien määrästä kertova leiman valo voidaan mitata tarkemmin. 

Käänteisviritteisten nanopartikkelien tulevaisuus

Käänteisviritteisten nanopartikkelien käytössä leimoina on kuitenkin omat ongelmansa, jotka estävät diagnostisten testien teoreettisen maksimaalisen herkkyyden saavuttamisen. Ensimmäinen ongelma on se, että partikkelit takertuvat toisiinsa muodostaen eri kokoisia kasautumia. Kun eri kokoiset leimakasautumat sitoutuvat biomarkkeriin, biomarkkeria vastaava valon määrä vaihtelee. Tämä vaikeuttaa tulosten tulkintaa. Toinen ongelma on, että partikkelit takertuvat myös mittauksessa käytetyn astian seinämiin, vaikkei siinä olisikaan biomarkkeria. Tällöin valon määrästä ei myöskään voida suoraan päätellä biomarkkerien pitoisuutta.

Nämä ongelmat voidaan ratkaista pinnoittamalla käänteisviritteiset nanopartikkelit siten, etteivät ne enää takertuisi toisiinsa tai muihin pintoihin. Tällä tavalla olemme Turun yliopistossa tekemässämme tutkimuksessa onnistuneet jo havaitsemaan hyvin yksinkertaisella tekniikalla miltei historiallisen pieniä biomarkkerien pitoisuuksia.

Käänteisviritteisiä nanopartikkeleita läpäisyelektronimikroskooppikuvassa 50 000-kertaisella suurennoksella. Vasemmalla olevien partikkelien pinta on sellainen, joka aiheuttaa niiden takertumista toisiinsa ja muihin pintoihin. Oikealla olevissa partikkeleissa on paranneltu pinta.

Pyrimme hyödyntämään saavutettuja edistysaskeleita käänteisviritteisten nanopartikkelien käytössä, jotta saisimme teknologiasta yhä edullisemman ja helppokäyttöisemmän. Tällä hetkellä optimoimme näiden leimojen käyttöä lateraalivirtauslastuille, joiden toimintaperiaate on sama kuin perinteisessä raskaustestissä, mutta jotka kykenisivät äärimmäisen hyvään herkkyyteen eri sairauksien havaitsemisessa. Tavoitteena on edistää terveydenhuollon mahdollisuuksia havaita sairauksia yhä aikaisemmassa vaiheessa ja näin parantaa potilaiden ennustetta ja ihmisten hyvinvointia.

Teksti: FM Kirsti Raiko, Molekulaarisen biotekniikan ja diagnostiikan tohtorikoulutettava / projektitutkija, Bioteknologian laitos, Turun yliopisto

Kuvat: Kirsti Raiko, Mostphotos

Kirjoitus on osa Turun yliopiston tutkijakoulun (UTUGS) ja Suomen Akatemian ”Tieteen popularisointi” -kurssin juttusarjaa. Lisätietoja Turun yliopiston verkkosivuilta.