Solut reagoivat nopeasti pieniin valolla aikaansaatuihin mikroympäristön liikahduksiin

Kolmen tutkimusryhmän yhteisessä projektissa tutkittiin, miten epiteeli- eli pintakudoksen solut aistivat ionikanavien avulla ympäristönsä muutoksia. Tutkimus tehtiin käyttämällä professori Arri Priimägin Smart Photonics Materials -tutkimusryhmän kehittämiä valoon reagoivia materiaaleja, joiden päällä soluja kasvatettiin. Materiaalit mahdollistavat valon avulla aikaansaatavan tarkan ja hallitun materiaalin liikkeen.

– Soluissa oli oma merkkiaine solusisäiselle kalsiumille, joten pystyimme mikroskoopilla piirtämään pintaan pieniä uria ja samanaikaisesti seuraamaan, miten elävät solut reagoivat näihin ympäristön muutoksiin kalsiumin avulla. Huomasimme, että muutaman kymmenen nanometrinkin kokoinen materiaalin liike avasi soluissa mekaanisesti säädeltäviä kalsiumkanavia, joiden kautta solut pystyivät muuttamaan kalsiumpitoisuuttaann, kertoo Teemu Ihalainen, joka toimii yliopistotutkijana Tutkijakollegiumissa ja vetää Solutason biofysiikan tutkimusryhmää lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnassa.

Kalsiumia tarvitaan soluissa hyvin monissa eri prosesseissa, joten pienilläkin kalsiumin määrän muutoksilla voi olla iso vaikutus solun toimintaan. Työ osoittaa, ehkä ensimmäistä kertaa, että solut pystyvät aistimaan niiden ympäristön pieniäkin liikahduksia ja nämä liikahdukset havaitaan muuttamalla kalsiumionien virtausta solukalvon läpi eli sähköisesti ionivirtojen kautta.

Tutkimus keskittyi mekaanisen ärsykkeen jälkeisiin sekunteihin ja sen aikana soluissa tapahtuviin kalsiummuutoksiin. Artikkeli Light-induced nanoscale deformation in azobenzene thin film triggers rapid intracellular Ca2+ increase via mechanosensitive cation channels julkaistiin marraskuussa 2023 arvostetussa Advanced Science -tiedejulkaisussa ja se on keskeinen osa väitöskirjatutkija Heidi Peussan tutkimustyötä.

Avaintekijänä mekaanisesti säädelty ionikanava

Elimistössä pintasolukko on tiukasti kiinnittynyt soluväliaineeseen, minkä ansiosta esimerkiksi ympäristön venymät välittyvät soluihin. Mekaaniset ärsykkeet ovat tärkeitä solujen normaalissa toiminnassa. Kun solujen kiinnittyminen häiriintyy, seurauksena on usein sairaus tai muita ongelmia.  

Solut aistivat ympäristönsä muutoksia monin eri tavoin, esimerkiksi mekaanisesti säädellyillä PIEZO1-ionikanavilla. Ne ovat eräänlaisia solukalvon huokosia, jotka ovat lepotilassa kiinni, mutta avautuvat solukalvon venyessä sekunnin sadasosissa ja päästävät kalsiumioneja solun sisään. Kun kalsiumpitoisuus kasvaa solun sisällä nopeasti, se käynnistää muun muassa tuntoaistin toiminnan. Mekaanisesti avautuvien ionikanavien löytäminen palkittiin Nobelin palkinnolla vuonna 2021.

Tutkimuksessa osoitettiin, että juuri PIEZO1-kanavat ovat erittäin tärkeitä nopeiden solun mikroympäristön muutosten aistimisessa.

– Havaitsimme, että solut kykenevät aistimaan niinkin pieniä kuin 40 nanometrin (0,000040 mm) muodonmuutoksia, jotka tapahtuvat sekunnin tuhannesosissa. Pystyimme ensimmäistä kertaa seuraamaan miten PIEZO1 kanava avautuu paikallisen, solun ulkopuolisen ympäristön fyysisen muutoksen seurauksena, sanoo Ihalainen.

Uusi menetelmä mahdollistaa myös silmän verkkokalvon tutkimisen

Tutkijoiden käyttämä menetelmä on uusi ja sen avulla voi tutkia erityisesti soluväliaineen mekaanista ärsykettä ja samanaikaisesti seurata solujen vasteita. Jatkotutkimuksia liittyen PIEZO1 kanavan toimintaan on jo tiedossa. Lisäksi tavoitteena on tutkia ja kehittää uusia valoon reagoivia materiaaleja.

– Seuraavaksi tutkimme näiden mekaanisesti herkkien ionikanavien säätelyä ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteenamme on myös ymmärtää laajemmin, mitä voimien aistimisessa tapahtuu ensimmäisten sekuntien jälkeen. Kehitämme uusia siirtogeenisiä solulinjoja, jolla kalsiumsignalointia solun eri kohdissa voisi tutkia entistä tarkemmin. Näiden siirtogeenisten solulinjojen avulla voimme laajentaa tutkimukset myös silmän verkkokalvon läheisyydessä olevaan pigmenttiepiteeliin ja tutkia PIEZO1 kanavien roolia verkkokalvon ylläpidossa, kertoo Soile Nymark, joka toimii bioanturitekniikan tenure -track -professorina ja johtaa Silmän biofysiikan tutkimusryhmää lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnasta.

Julkaistu tutkimus on osa kolmevuotista  ABioT-projektia, jota on rahoittanut Emil Aaltosen säätiö. Projekti on lisäksi saanut rahoitusta Suomen Akatemialta ja Tampereen yliopiston tutkijakollegiumilta.