JYUnity

Virushoitoja kehitetään rokotteiden ohessa vanhoihin vitsauksiin ja uusiin virusepidemioihin. Tässä työssä tarvitaan edistyneitä kuvantamismenetelmiä. Niillä nähdään tarkasti solujen sisälle: miten koronavirus pääsee soluun sisälle tai herpesvirus purkautuu tuhovoimaisena solun tumasta ulos. Dosentti Maija Vihinen-Ranta Jyväskylän yliopistosta tutkii virusten solunsisäistä liikettä ja vuorovaikutuksia suuressa eurooppalaisessa tutkimushankkeessa.

Virustutkijoiden tueksi ovat viime vuosina tulleet pehmeään röntgensäteilyyn perustuvat biokuvantamismenetelmät. Niiden etuna on, että tutkijat pääsevät kuvaamaan jäädytettyjä viruksia ja soluja kolmiulotteisina ilman solujen värjäämistä tai muita rakennetta vaurioittavia käsittelyjä.

Pehmeällä röntgensäteilyllä tarkoitetaan matalaenergistä säteilyä, joka absorboituu solurakeiden hiileen ja typpeen.  Absorboitumisesta saadun tiedon avulla voidaan muodostaa kolmiulotteinen kuva, josta nähdään solun rakenneosien jakaantuminen ja tiheys.

Pehmeän röntgensäteilyn avulla voidaan nähdä solulimassa olevien kalvojen rakenne tai solun tumassa sijaitsevan perimän eli kromatiinin jakauma. Tämän tekniikan avulla on mahdollista analysoida viruksen aiheuttamia solumuutoksia.

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää viruksen lisääntymisen vaiheita ja mekanismeja solussa.

”Saatujen tulosten avulla on mahdollista kohdentaa viruslääkkeet virukselle elintärkeisiin kohtiin, ja samalla heikentää niiden elinkiertoa tai pysäyttää viruksen lisääntyminen solussa”, sanoo dosentti Maija Vihinen-Ranta Jyväskylän yliopistosta.

Hän on mukana eurooppalaisessa yhteistutkimuksessa (CoCID), jossa virusten aiheuttamia solutason muutoksia tutkitaan pehmeään röntgensäteilyyn perustuvan mikroskopian lisäksi muilla fluoresenssimikroskopian ja biokemian menetelmillä.

”Tutkimuksessamme selvitämme myös syöpäsolujen tuhoamisessa käytettävien virusten lisääntymisen yksityiskohtia isäntäsoluissa. Nykyajan syöpähoidoissa käytetään hyväksi muokattujen ja harmittomaksi tehtyjen virusten kykyä tunkeutua kohdennetusti syöpäsoluun ja hajottaa ne”, kertoo Vihinen-Ranta EU:n Horizon 2020 -ohjelman rahoittamasta tutkimuksesta.

Pehmeä röntgenmikroskopia näyttää kromatiinin rakenteen

CoCID-tutkimusta tehdään kuudessa tutkimusryhmässä eri puolilla Eurooppaa.

Yhteistyöhankkeessa tutkijat ovat kiinnostuneet neljästä tärkeästä taudinaiheuttajaviruksesta. Tutkimuskohteena on kolme RNA-virusta: maksasyöpää aiheuttavat hepatiitti C ja E -virukset, joille ei ole toimivia rokotteita, sekä parhaillaan jylläävä SARS-CoV-2 -virus. DNA-viruksista tutkimuskohteena on herpes simplex 1 -virus, jota käytetään syöpähoidoissa syöpäsolujen tuhoajana.

Vihinen-Ranta kiteyttää yhteiset tavoitteet:

”RNA-virusten osalta meitä kiinnostaa, miten virukset muuttavat isäntäsolun kalvorakenteita soluun sisääntulon aikana. Tutkimuksen tavoitteena on seurata virusten sisääntunkeutumisen vaiheita ja selvittää voidaanko lupaavien lääkeainemolekyylien avulla estää viruksen pääsy soluun, eli toimivatko molekyylit infektion heikentäjinä tai pysäyttäjinä.”

”Pehmeään röntgensäteilyyn perustuva kuvantaminen soveltuu erinomaisesti solukalvojen tarkan kolmiulotteisen rakenteen analysointiin ja vertailuun infektion ja lääkealtistuksen aikana”, Vihinen-Ranta kertoo.

Pehmytröntgenmikroskopia-kuvia herpesviruksen infektoimista soluista. A) Infektoitu solu ja (B) sen kolmiulotteinen tiheysmalli (Aho et al. 2017). C) Viruksen muodostamia kanavia isäntäsolun kromatiinissa (Myllys et al. 2016). (Kuvaukset: National Center for X-ray Tomography, Berkeley, CA, USA).

Herpesvirustutkimuksessa tutkijat keskittyvät siihen, miten virus pääsee lisäännyttyään pois isäntäsolun tumasta. Tavoitteena on sekä selvittää herpesvirusten liikkumisen mekanismeja tumassa, että etsiä keinoja, joilla herpesviruksen ulospääsyä voidaan edistää.

”Solun tumassa herpesvirus liikkuu verkkomaisessa, tiheässä kromatiinissa joka voi estää viruksen liikettä. Pehmeä röntgenmikroskopia soveltuu ainutlaatuisesti kromatiinin rakenteen kuvantamiseen. Olemme aikaisemmin osoittaneet, että virusinfektion aikana muodostuu kromatiinin läpäiseviä kanavia, joita virukset voivat käyttää helpottamaan niiden uloskulkeutumista”, Vihinen-Ranta kertoo.

Herpesviruksen tumasta poispääsyssä piilevät avaimet sen tuhovoimaan syöpäsoluja vastaan: mitä enemmän viruksia vapautuu sitä tehokkaammin ne tuhoavat syöpäsoluja ja sitä tehokkaammin kehon immunopuolustus aktivoituu syöpäsolujen tuhoamiseen.

Tavoitteena edullinen ja laajalti käytettävä mikroskooppi

Hankkeeseen osallistuvat virustutkijat osallistuvat uudenlaisen laajaan laboratoriokäyttöön soveltuvan pehmeän röntgensäteilymikroskoopin kehittämiseen. Uusi SiriusXT Ltd:n Dublinissa kehittämä laite toisi menetelmän käyttöön yhä laajemmalle tutkijajoukolle. Mikroskoopilla voitaisiin tutkia esimerkiksi viruksen infektoimia soluja nopeasti laboratorio-olosuhteissa.

Se olisi merkittävä askel, sillä tällä hetkellä tutkijoiden käytössä Euroopassa on vain kolme pehmytröntgentomografiamikroskooppia: ”Diamond” Oxfordissa, ”Helmholtz-Zentrum Berlin” Berliinissä ja ”Alba” Barcelonassa.

”Ne sijaitsevat hiukkaskiihdyttimien yhteydessä sijaitsevissa yksiköissä, joihin kuvantamaan pääsy on hankala ja aikaa vievä prosessi”, kertoo Maija Vihinen-Ranta.

Nanotiedekeskus on mukana konfokaalimikroskopialla

Jyväskylän yliopistossa Maija Vihinen-Rannan ryhmän tutkimus käyttää muun muassa fluoresenssimikroskopiaa virus-solu -vuorovaikutusten selvittämiseen.

Herpesviruskapsidien mallinnettu liike isäntäsolun tuman kromatiinin seassa (Aho et al. 2019).

Konfokaalimikroskoopit Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa ja bio- ja ympäristötieteiden laitoksella sekä muiden kansainvälisten ja kotimaisten yhteistyöryhmien mikroskoopit mahdollistavat virusinfektoitujen solujen tarkan kolmiulotteisen kuvantamisen ja virusten liikkeen seuraamisen elävissä soluissa. Kuvantamisessa käytetään apuna fluoresoivia virus- ja soluproteiineja, joilla viruksen ja solurakenteiden vuorovaikutukset ja liike paljastuvat.

Maija Vihinen-Ranta tekee töitä Jyväskylän yliopistossa Ylistönrinteen kampuksella.

Vihinen-Rannan ryhmä onkin viime vuosina kasvanut uusien tutkijoiden myötä yhdeksänhenkiseksi. Ryhmä on saanut työnsä tueksi merkittävän Horizon 2020 –rahoituksen (830 000 euroa) lisäksi Suomen Akatemian projektirahoituksen ja Jane ja Aatos Erkon säätiön rahoituksen (yhteensä 1 200 000 euroa).

Linkki Maija Vihinen-Rannan tutkimusryhmään

Linkki Dublinin yliopiston innovaatioyksikön NovaUCD julkaisemaan tiedotteeseen CoCID-hankkeesta.