Hedelmöityksestä syntymään – elämän vaarallisin aika

Etelä-Suomen talvilomaviikko ja koko maa tursuaa lunta. Mikä helpotus – vai peräti unelmien täyttymys – koronakurjimuksen keskellä kaikille matkustusrajoituksista kärsiville.

Onpahan ainakin varaa valita, missä päin suksiansa ulkoiluttaa. Ja vaikka kaikkia lomalaisia sekä meitä etätyöläisiä taas kerran vahvasti kehotettiin harkitsemaan omasta kuplasta poistumista, suuntasimme oman klaanini kanssa keskemmälle pitkää Suomenmaata jäätävien sadekelien ja liukkauden ulottumattomiin.

Kesken Kimble-pelin havahduin miettimään, minkälaista onnenkauppaa tällä planeetalla pelataan. Kuinka vähän valtaa kenelläkään meistä on syntymässä saatuihin elämän pelinappuloihin.

Lähes olemattoman pienestä yksittäisestä todennäköisyydestä huolimatta monogeenisiä, noin 6 000–7 000 erilaista harvinaistautia sairastaa pelkästään Euroopassa karkeasti arvioituna 30 miljoonaa ihmistä. Tämä siitäkin huolimatta, että tuntuu mahdottomalta kuvitella hedelmöityksessä yhtyvän kaksi sukusolua, joihin molempiin on osunut sama tautia aiheuttava emäsparinmuutos tismalleen identtiselle kohdalle noin 3,2 miljardin emäsparin joukosta molempien perimää.

Montako solua alkio tarvitsee selvitäkseen hengissä?

Monet kehityksen häiriöistä aiheutuvat virheet ovat monogeenisiä tauteja yleisempiä, vaikka oireiden kirjo vaihtelee yhtä suuresti. Useimmiten lienee niin, että hedelmöitys ja alkionkehityksen ensimmäiset tapahtumat jäävät kantajaltaan huomaamatta, jos alkio varhaisen kehityshäiriön seurauksena poistuu kohdusta normaalista hieman viivästyneen kuukautiskierron mukana. Eteläafrikkalainen kehitysbiologian uranuurtaja Lewis Wolpert, joka kuoli 91 vuoden kunnioitettavassa iässä vajaa kuukausi sitten (2021), on viisaasti todennut:

”Elämäsi tärkein tapahtuma ei ole syntymä, häät tai kuolema, vaan gastrulaatio.”

Siinä muodostuvat elimistön akselit ja määräytyvät elinten aiheet oikeille paikoilleen. Keskeisen merkityksensä vuoksi gastrulaation epäonnistuminen selittää pitkälti varhaiset keskenmenot. Yksilönkehityksen varhaisimpien tapahtumien aikana syntyvät kromosomien non-disjunktiot johtavat parhaimmillaan elinkykyiseen Downin-lapseen (21 trisomia), mutta muiden kromosomien trisomioiden kohdalla elävänä syntyvä yksilö on harvinainen.

Wolpert esitti tämän päivän kehitysbiologian supertähti Magdalena Zernicka-Goetzille 15 vuotta sitten elämän perustaa käsittelevän kysymyksen:

”Kuinka monta solua alkio tarvitsee selvitäkseen hengissä?”

Zernicka-Goetz tutkimusryhmineen kiinnostui kokeneen kollegan kysymyksestä niin paljon, että tarttui toimeen ja selvitti asian. Wolpertille omistetussa Cell Reports -lehdessä (2012) julkaistussa artikkelissa vastaus paljastuu. Normaalin yksilönkehityksen jatkuminen hedelmöityksen jälkeen vaatii vähimmillään neljä alkion solua eli blastomeeriä.

Tähän tulokseen päädyttiin kokeilla, joissa elävä alkio halkaistiin eri varhaiskehityksen vaiheessa. Sen jälkeen puoliskojen kehityspotentiaalia seurattiin. Kykenevätkö eri osat tuottamaan kokonaisia eläviä yksilöitä? Vaikka kokeet tehtiin hiiren alkioilla, viimeaikaisten vertailevien tutkimusten perusteella näyttää siltä, että sama vähimmäissolumäärä tarvitaan myös ihmisen kehitykseen.

Kimerismissä kehittyvä alkio hotkaisee toisen alkion sisäänsä

Eräs kehitysohjelman virheistä johtuva erittäin mielenkiintoinen deformaatio on kimerismi. Usein kimeera saa alkunsa siten, että kaksoisraskauden alkuvaiheessa dominoivasti kehittyvä alkio imaisee toisen alkion itseensä. Imaistu alkio on lähtökohtaisesti elinkelvoton, mutta kun siitä jää solumassaa erilaistumaan dominoivan yksilön sisälle, se saa kimerismin kautta uuden elämän.

Kimerismi ei useimmiten aiheuta mitään ongelmia, ja jos kimerismin osuus jää alle 25 prosentin, sen havaitsemistodennäköisyys on olematon. Asia tulee helpommin ilmi, jos kimeera muodostuu eri sukupuolta olevista alkioista. Tällöin kehittyvä yksilö on geneettisesti osaksi mies ja osaksi nainen, ja se voi johtaa esimerkiksi sukupuolielinten sekavuuteen, jota toki esiintyy muistakin syistä. Joskus koko eliniän elimistössä mukana kulkenut sisarus ilmenee sattumalta vasta jonkun leikkauksen yhteydessä.

Esiintyvyydeltään harvinaisen kimerismin on nyt arveltu olevan huomattavasti yleisempää siitä syystä, että luonnollisesti alkunsa saaneista raskauksista jopa joka kahdeksas mahdollisesti on kaksosraskaus. Koska kaksosia syntyy kuitenkin huomattavasti vähemmän, kimerismin voisi olettaa olevan huomattavan yleistä.

Kehitysbiologian perusmekanismien tutkiminen selvittää elämän perustaa

Yksilön syntymä on suuri ihme, siitäkin huolimatta, kantaako uusi elämä mukanaan kehityksen virheitä. Kehitysbiologian perusmekanismien tutkiminen auttaa selvittämään elämän perustaa. Tämä tieto ensin mahdollistaa keinotekoisen elämän ja elinten luomisen. Sitten nekin helpottuvat ja muuttuvat lopulta luonnolliseksi osaksi lääketieteen käytäntöjä. Tästä hyvänä esimerkkinä on nykyinen viikonloppuharrastukseni eli vauvojen teko (huom! IVF-biologina, ei makuukamarin puolella).

Tutkimustyömme Helsingin yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa puolestaan tähtää siihen, että kehityshäiriöiden mekanismien ymmärtämisen ja hyvän diagnostiikan lisäksi osaisimme jatkossa myös korjata nykyisellään parantumattomia perinnöllisiä sairauksia tai lievittää niiden oireita.

Jaa että miten siinä Kimble-pelissä kävi? Hävisin kolme kertaa peräkkäin samalle vastustajalle. Hetken tuntui, että ”p*§ka  peli, en pelaa enää ikinä”, kunnes muistin, että elämässä on pelattava käytettävissä olevin eväin ja annetuin nappuloin. Oli siis palattava käsillä olevan apurahahakemuksen pariin, mikäli aioin ehtiä mukaan niihin arpajaisiin.

Näissä karkeloissa häviämistä on pakon edessä harjoiteltu niin paljon, että se on arkipäiväistynyt. Harjoittelumotivaatio ei entisenä kilpaurheilijanakaan loppunut kentällä koetun harvinaisen tappion jälkeen, joten nyt viimeistelin hakemuksen tyytyväisin mielin sillä aiheeseen liittyvä, yhdessä pitkäaikaisen kollegan kanssa kirjoittamamme katsausartikkeli ehti julkaistuksi juuri ennen haun takarajaa.

Kansainvälistä harvinaisten sairauksien päivää vietettiin tänä vuonna Kalevalan päivänä 28.2. Vuoden 2021 harvinaisten sairauksien päivän teemana oli yhteistyö.

Satu Kuure
tutkimusryhmän johtaja, dosentti, Helsingin yliopisto

Miksi eläimiä käytetään tutkimukseen?

Lääketieteen menneet saavutukset nojaavat pitkälti eläinkokeisiin. Ilman eläimillä tehtyjä perusbiologiaa selvittäviä kokeita sekä lääkeaihioiden testausta ennen kliinisiä kokeita olisivat sairaanhoitokeinomme monilta osin erilaiset tai jopa olemattomat.

Sattuman mukanaan tuomat löydöt, kuten penisilliinin löytyminen lääkkeeksi, olisivat todennäköisesti tuoneet avun joihinkin sairauksiin, mutta nykyihmisen eliniän ennuste olisi silti huomattavasti lyhyempi. Näin kävi myös penisilliinin kohdalla, kun Flemingin kollega Chain lopulta testasi sitä hiiressä ja totesi sen soveltuvan infektioiden torjuntaan. Ilman tätä eläinkokeen mukanaan tuomaa tietoa olisi penisilliinikin voinut jäädä ihmiskunnalta hyödyntämättä.

Eläimillä tehtävää tutkimusta kyseenalaistetaan monelta suunnalta

EU esitti joitakin vuosia sitten (2010) vaatimuksen siitä, että jäsenvaltioiden tulisi päästä eroon eläinkokeista. Viimeisin EU:n eläinkokeettomien testien referenssilaboratorion (EURL ECVAM) vaatimus kuluvan vuoden keväältä edellyttää jäsenvaltioiden kieltävän eläinperäisen vasta-ainetuotannon. Monien tahojen mielestä molemmat vaatimukset ovat ennenaikaisia.

Vaikka soluperäisissä elinaiheviljelmissä pystytään tutkimaan ja testaamaan yksityiskohtaisesti monia biokemiallisia tapahtumia, ei niiden kudosspesifisen vaihtelun ymmärtäminen eri elimissä saati kokonaisessa toimivassa elimistössä ole mahdollista. Myöskään esimerkiksi kliinisissä laboratorioissa käytössä olevaa diagnostiikkaa ei pystytä hetkessä muuttamaan siten, että siinä käytettävät vasta-aineet korvattaisiin eläinten immunisaation sijasta vaihtoehtoisilla menetelmillä, joiden tuottama vasta-ainekirjo ei vastaa moninaisuudessaan eläinperäistä tuotantoa.

Eläin- ja solukokeet -vastakkainasettelu näyttäytyy tutkimustyössä harvoin

Eläinkokeiden ja niin sanottujen vaihtoehtoisten menetelmien vastakkainasettelu on pitkälti median ja poliittisten päättäjien aikaansaamaa lainehdintaa. Tämä vastakkainasettelu näyttäytyy käytännön tutkimustyössä hirveän harvoin, sillä jokainen tutkimuskysymykseensä perusteellisesti paneutuva tutkimusryhmä käyttää mahdollisimman laajaa, erilaisten menetelmien repertuaaria ennen mahdollista päätymistä eläimillä tehtävään tutkimukseen.

Esimerkkinä voidaan ajatella vaikka suomalaisen tautiperimän taakkaa. Suomalaiseen väestöön on maan asutushistorian ja eristäytyneisyyden vuoksi rikastunut harvinaisia yhden geenimutaation aiheuttamia synnynnäisiä tauteja, ja näitä niin sanottuja suomalaisen tautiperinnön tauteja on tähän mennessä kuvattu yhteensä 36. Tyypillistä näille taudeille on, että suurin osa suomalaisista kantaa jonkin taudin aiheuttavaa mutaatiota perimässään, mutta itse taudeista emme kärsi me itse, vaan ne tulevat ikävän ja suhteellisen harvinaisen sattuman seurauksena omien lastemme riesaksi.

Tautigeenit tunnistettiin pitkälti jo 90-luvun lopulla, ja tätä tietoa hyödynnetään nykyään rutiininomaisesti erikoissairaanhoidon kliinisessä diagnostiikassa. Sen sijaan harvoille näistä taudeista on pelkän geenimutaatiolöydöksen perusteella pystytty kehittämään hoitomuotoja. Ne taudit, joiden hoitomuotojen kehityksessä ollaan pisimmällä, ovat päätyneet sinne sinnikkäänä jatkuneen tutkimustyön avulla. Nämä projektit ovat hyödyntäneet solubiologisten menetelmien lisäksi tautimutaatioita mallintavia pistemutaatiohiiriä, jotka vastaavat ilmiasultaan erittäin hyvin kyseisen taudin oirekirjoa ja ovat välttämättömiä taudin patogeenisten mekanismien ymmärtämisen kannalta.

Hiirimallin avulla toivottavasti vihdoin syy liikehermotaudin aiheuttamiin kohtukuolemiin

Yksi suomalaisen tautiperimän paljon murhetta ja kärsimystä aiheuttava sairaus on letaali synnynnäinen kontraktuuraoireyhtymä (LCCS1) eli niin sanottu Hervan tauti. Se on sikiön kuolemaan johtava liikehermotauti, missä sairaana kehittyvän lapsen liikkumattomuus havaitaan yleensä keskiraskauden aikana, jonka jälkeen odottava äiti joutuu synnyttämään kuolleen lapsensa. Voi hyvinkin käydä niin, ettei sikiön kuolemaa aiheuttanutta virhettä diagnosoida ensimmäisellä kerralla ja lapsensa menettäneitä vanhempia kannustetaan yrittämään uudestaan, jolloin edessä on 25 prosentin todennäköisyydellä sama kuolemaan johtava raskaus.

LCCS1-taudin aiheuttava geenivirhe julkaistiin jo vuonna 2008, mutta vieläkään ei tiedetä tarkkaa syytä, minkä takia kehittyvä lapsi kuolee kohtuun. Uskon että tilanne vihdoin muuttuu, kunhan pääsemme analysoimaan vastikään luomaamme LCCS1-hiirimallia, joka matkii täysin ihmisen taudin aiheuttavaa perimän virhettä ja täten matkii täydellisesti virheellisen perimän ihmiselle aiheuttamaa tautia. Näin meillä on viimein mahdollisuus selvittää tautimallista eristettyjen solujen, kudosten ja elinten yksityiskohtaisella tarkastelun avulla tarkka syy siihen, mikä aiheuttaa tautimutaation perineiden lasten kohtukuolemat.

Vastaavanlaisia ei-hoidettavissa olevia sairauksia on lukematon määrä, varsinkin, kun mukaan lasketaan syntymekanismeiltaan paljon monimutkaisemmat taudit, kuten monet neurologiset sairaudet ja ne syöpätyypit, joiden ennuste on edelleen erittäin huono.

Hoitomenetelmät kelpaavat, eläinkokeet eivät

Useimmat eläinkokeita vastustavat henkilöt ja tahot hyväksyvät mielihyvin olemassa olevien hoitomenetelmien hyödyntämisen, vaikka niiden kehittämiseen olisi aikanaan käytetty eläinkokeita. Sen sijaan he eivät hyväksy sitä, että eläimillä edelleen tehdään kokeita, joilla pyritään saavuttamaan uusia, hintatasoltaan kaikille mahdollisia diagnostisia menetelmiä tai kehittämään hoitomuotoja niille potilaille, joille vielä nyt ei ole tarjolla toivoa.

Tämä tuntuu erityisen kummalliselta tänä Covid-19-pandemian aikana, jolloin eläinkokeisiin nojaavaa rokotetta odotetaan lähes henkeä pidätellen, ja yhteiskuntien tasoilla on tehty kovia, kaikkein heikoimpien yksilöiden elämää suojaamaan pyrkiviä ratkaisuja, joiden pitkäaikaisvaikutuksia jäämme vain odottelemaan.

Satu Kuure
Tutkimusryhmän johtaja, dosentti, Helsingin yliopisto

Motivaation moninaisuuden kirjo

Viimeisen kuukauden aikana aurinko on kömpinyt aamu aamulta varhaisemmin valaisemaan pihamaan maisemaa. Päivän lehteä laatikosta noutaessa lintujen aiempi vieno sirkutus on muuttunut kiihkeäksi kilpalaulannaksi, joka herättää uniset aivot uuteen päivään melkeinpä tehokkaammin kuin iso mukillinen mustaa kahvia.

Säteiden kirkkaudessa mieleen hiipii pyytämättä alkavan työpäivän ohjelma.  Kuinka paljon motivaatiota tänään tulisi kaivaa edessä olevien tehtävien suorittamiseen? Saako sen kumpuamaan silkasta sisäisestä palosta tieteen tekemiseen, uuden löytämiseen ja hypoteesien todistamiseen, vai pitääkö tekemisen ilo hakea tutkijayhteisön palvelemisesta tai opetukseen liittyvistä kiemuroista?

Synnynnäisten munuaisvikojen geneettisten, molekulaaristen ja solutason syiden ymmärtäminen on monimutkaisuudessaan kiehtovaa ja innostavaa. Se auttaa selvittämään, minkä takia Maija ja Matti Meikäläisen vastasyntyneellä pojalla on vain yksi munuainen ja samanaikaisesti selkeitä muutoksia sukuelimissä. Näin muutaman vuoden päästä voidaan Virtasen perheen tyttösikiölle tehdä jo raskausaikana diagnostinen tutkimus, josta selviää, johtuuko hänen toisen munuaisen puuttumisensa saman perinnöllisen geenivirheen aiheuttamasta kehityshäiriöstä vai pelkästä sattuman aiheuttamasta valitettavasta virheestä perintöaineksen monistumisen aikana.

Palveluyksikön vetämisessä motivaation tuo kollegoiden auttaminen heidän omissa, intohimon kohteena olevissa tutkimuskysymyksissään. Vaikka se on jo sinällään kivaa (ainakin silloin, jos pääsee osalliseksi harvoista onnistumisen hetkistä), hallinnollisten velvollisuuksien myötä työn kuormittavuutta kuvitteellisesti mittaava vaakakuppi kallistuu näiden tehtävien parissa usein pakkasen puolelle.

Paitsi silloin, kun palveluyksikön työn onnistuu kietomaan henkilökohtaisten tutkimusintressien työkaluksi. Tämä voi parhaimmillaan johtaa oman alan pieniin edistysaskeliin (esim. Mouse models of congenital kidney anomalies). Kun hiirimallien avulla saatua geenivirhetietoa yhdistetään menestyksekkäästi ihmisillä raportoituihin synnynnäisiin munuaishäiriöihin, voi tämä hienoimmillaan edistää diagnostiikan nopeaakin kehitystä. Puhumattakaan siitä tutkimisen riemusta, kun potilailta löytyneiden geneettisten virheiden identtisiä kopioita päästään mallintamaan hiiressä, missä tautiin johtavien patomekanististen tapahtumien ymmärtäminen kiteytyy. Se vain yksinkertaisesti on kiehtovaa!

Helsingin yliopiston muuntogeenisiä eläinmalleja tekevän GM-yksikön viimeisimpiä aluevaltauksia tutkimuksen saralla on suomalaisen tautiperimän mallintaminen hiiressä kansallisen FinnDisMice-projektin muodossa. Yhdessä oululaisten (Reetta Hinttala) ja turkulaisten kollegoiden (Petra Sipilä) johtamien ryhmien kanssa tuotamme CRISPR/Cas9-geenisaksimenetelmän avulla Suomeen rikastuneista harvinaistaudeista yhdeksän hiirimallia. Mallinnettavaan tautikirjoon päätyivät sikiö- ja lapsuusaikaiset motoneuronitauti hydroletalus, LCCS1 ja pitkäketjuisten rasvahappojen aineenvaihduntahäiriö LCHAD, lapsuusiässä epilepsiaa aiheuttavat EPMR, PEHO ja Sallan tauti sekä aikuisiässä puhkeavat CHH, FAF ja SMAJ. Tärkeimpinä kriteereinä tautivalinnoille oli niiden kliininen relevanssi eli potilaiden määrä sairaanhoitopiireittäin ja se, ettei niihin ole olemassa oirekirjon toistavaa eläinmallia.

FinnDisMic-projektin tavoitteena ei ole pelkästään edesauttaa maailmanlaajuisesti ainutlaatuisen suomalaisen tautiperinnön tutkimusta, vaan yhdessä näistä sairauksista pitkään kiinnostuneiden kollegoiden kanssa tuottaa kriittistä puuttuvaa tietoa tautien taustalla olevista mekanismeista, jolloin mahdollisuudet vaikuttaa potilaiden elämänlaatuun lääkekehityksen saralla paranevat. Tästä aiempana erinomaisena esimerkkinä meille toimii aspartylglucosaminuriaa (AGU) sairastavilla potilailla aloitettu lääketutkimus, jossa selvitetään cystadanen tehoa ja turvallisuutta tämän vaikeaan kehitysvammaisuuteen johtavan taudin hoidossa.

On tärkeää muistaa, että suomalaisen tautiperinnön sairauksia ja niiden eri muotoja esiintyy vaihtelevia määriä myös muualla maailmassa. Vielä keskeisempää on ymmärtää se, että harvinaisten sairauksien tai munuaisen kehityshäiriöiden mekanismien valottaminen edesauttaa myös yleisempien tautien, kuten vaikkapa epilepsian, ALS:n ja kystisen munuaistaudin, patomekanismien selvitystä.

Uskommekin vakaasti, että tällä post-knockout-hiirimallien aikakaudella, jolla jokainen hiiren geeni on jo inaktivoitu kansainvälisten konsortioiden toimesta, potilaiden munuaishäiriöitä aiheuttavien mutaatioiden mallintaminen hiiressä yhdessä FinnDisMice-projektin kanssa tulee viitoittamaan tietä sille, miten yleisempien sairauksien eläinmallintaminen tulisi tulevaisuudessa toteuttaa.

Kesä kiiruhtaa päivä päivältä lähemmäksi. Vielä jonkin aikaa töihin polkiessa saa nauttia mustarastaan taidokkaan laulun sekoittumisesta kuulokkeista kaikuvaan Aamulypsyyn. Sitten se vaihtuukin jo satakielen mestarilliseen liverrykseen. Toivottavasti ennen tämän monitaiturisen laulajan vaihtumista kauden seuraaviin visertäjiin koronan aiheuttamat rajoitukset ovat lieventyneet ja meillä ensimmäiset LCCS1-taudin kantaeläimet analysoitavana.

Satu Kuure
Tutkimusryhmän johtaja, dosentti, Helsingin yliopisto