Uudenlainen menetelmä soluviljelyyn antaa tietoa syövän biomekaniikasta

Syöpälääkkeiden kehittäminen on kallista ja hidasta sekä samalla usein tehotonta: yli 95 prosenttia seulotuista syöpälääkevaihtoehdoista paljastuu potilaskokeissa toimimattomiksi. Aalto-yliopiston tutkijaryhmä on nyt kehittänyt 3D-soluviljelyyn uudenlaisen teknologian, jolla etsitään keinoja parantaa kemoterapialääkekandidaattien seulonnan tarkkuutta soluihin vaikuttavan mikromekaniikan eli solutason ominaisuuksien avulla.

Tutkijat ovat saaneet kilpailtua apurahaa hankkeen toteuttamiseen. Ryhmää vetää Juho Pokki, jolla on taustallaan vuosien kokemus Aalto-yliopiston lisäksi Stanfordin ja ETH Zürichin yliopistoista.

Syöpäsolujen leviämistä on tutkittu laboratorioissa pitkään 2D-soluviljelmissä, joissa syöpäsolut kasvavat litteinä maljan pinnalla. 3D-soluviljelmissä syöpäsolut taas voidaan kasvattaa kudosmateriaalissa, jolloin syöpäsolujen käyttäytyminen kuvastaa paremmin niiden toimintaa ihmisen elimistössä.

3D-soluviljelmissä pystytäänkin tutkimaan kasvainten elottoman kudosmateriaalin eli soluväliaineen biomekaanisia ominaisuuksia, jotka säätelevät sekä syövän etenemistä että lääkkeiden tehoa. Syöpäkudosten soluväliaine on biomekaniikaltaan kompleksista – ja heterogeenistä eli varsin vaihtelevaa. Tutkimusryhmän työ on uraauurtavaa, sillä nykyiset teknologiat eivät ole pystyneet ottamaan riittävästi huomioon soluväliaineen vaihtelua 3D-soluviljelmien näytteiden välillä eivätkä saman näytteen sisällä.

”Kykymme mitata biomekaniikkaa solutasolla mahdollistaa heterogeenisyysongelman ratkaisemisen. Tarkoituksemme on kartoittaa 3D-soluviljelmän kuhunkin soluun tai soluryppääseen kohdistuvat mekaaniset ominaisuudet ja yhdistää ne solujen liikkeeseen ja muuhun käyttäytymiseen. Tässä siis hyväksytään todellinen kudosmateriaalin vaihtelu, mutta otetaan se huomioon”, Pokki selittää.

Syöpäsolujen kyky liikkua soluväliaineessa on syövän leviämisen taustalla

Yleiset syöpätyypit, rintasyöpä, eturauhassyöpä sekä suolistosyöpä, tappavat Euroopan unionissa yli 300 000 ihmistä vuosittain. Pokin tutkimusryhmä keskittyy tutkimuksessaan etenkin rintasyöpään, joka on naisten yleisin syöpämuoto maailmassa. Suomessa siihen sairastuu vuosittain noin 5 000 naista.

Tutkimustaan varten Pokki ryhmineen on kehittänyt uudenlaisen, mikroskooppiin yhdistettävän laitteiston 3D-soluviljelyyn. Tämän teknologian sekä aikasarja-analyysin avulla voidaan samanaikaisesti kartoittaa solukokoluokan biomekaniikkaa sekä syöpäsolujen liikettä soluväliaineessa, mikä kuvaa syövän leviämistä.

”Syövän edetessä syöpäsolut liikkuvat tarttumalla soluväliaineeseen ja hyödyntämällä sen biomekaanisia ominaisuuksia: tämä liike ulos kasvaimesta on keskeinen syövän etenemisen mittari. Tätä tietoa on voitu hyödyntää varsin vähän merkittävyyteensä nähden, koska aiemmat laitteistot ovat mitanneet näitä ominaisuuksia rajoitetusti”, Pokki sanoo. Hänen mukaansa tärkeä esimerkki soluväliaineen biomekaniikasta on jäykkyys, jolla kuvataan, paljonko aine venyy tai puristuu voiman vaikutuksesta. Soluväliaineen jäykkyys säätelee syövän kehityksessä pahanlaatuisten solujen käyttäytymistä, ja myös lääkeresistenssiä, eli tässä tapauksessa kemoterapialääkkeen tehottomuutta syöpäsoluja vastaan.

Soluväliaine on eräänlainen älymateriaali, jossa liikkuvat syöpäsolut kokevat vauhdistaan riippuen eri jäykkyysarvoja. Ryhmän kehittämällä teknologialla on tarkoitus muunnella soluväliainetta kontrolloidusti 3D-soluviljelmiin sekä ottaa huomioon solutason mekaaniset ja rakenteelliset ominaisuudet kasvainkudoksessa ja näin mitata myös paikalliset jäykkyysvaihtelut. Jäykkyyden on viimeaikaisissa tutkimuksissa havaittu säätelevän lääkeresistenssiä, joten laitteistoa on mahdollista hyödyntää juuri syöpäsolujen lääkevasteiden tutkimukseen.

Soluviljelyteknologiat tärkeitä lääkeresistenssin torjunnassa

Pitkän ajan tavoite tutkimuksessa on tehostaa merkittävästi kemoterapiassa käytettävien syöpälääkkeiden seulontaa. Tähänastinen tutkimus on selvittänyt niitä mekanismeja, joilla mahdollisimman paljon heikennetään syöpäsolujen elinkelpoisuutta ja kasvua kudoksessa. Sen sijaan tietoa solujen liikkeestä soluväliaineessa ei samalla tavalla ole tutkittu ja hyödynnetty lääkekehityksessä, koska tarkoitukseen ei ole ollut aiemmin saatavilla 3D-soluviljelyteknologiaa.

”Lisäksi kemoterapian jälkeen kudokseen voi jäädä jäännössyöpäsoluja, jotka lähtevät liikkeelle, aiheuttaen uusiutuvan syövän. Kun pyrimme tutkimuksessamme kontrolloimaan soluväliaineen ominaisuuksia, joita syöpäsolut hyödyntävät liikkuessaan, aiomme tutkia myös, miten nämä jäännössyöpäsolut saadaan pysäytettyä”, Pokki sanoo.