Bakteriofageihin perustuvat biosensorit osoittautuivat tehokkaiksi tautien luokittelussa (Väitös: FM Janne Kulpakko, 22.6.2022, solubiologia ja anatomia)

Bakteriofagit ovat viruksia, jotka infektoivat ja lisääntyvät vain bakteerisoluissa ja ovat näin ollen ihmisille vaarattomia. Niillä on monia etuja esimerkiksi vasta-aineisiin nähden. Bakteriofageja on käytetty jo pitkään erilaisten sitojamolekyylien etsimiseen lääketieteellisissä ja biotekniikan sovelluskohteissa.

Janne Kulpakon väitöstutkimuksessa bakteriofageja käytettiin tautien luokitteluun ja mahdollisten merkkiaineiden mittaamiseen.

– Kehitetyllä menetelmällä voidaan esiseuloa potilasnäytteitä ennen kuin niitä analysoidaan raskaammilla menetelmillä. Kun molekyylijoukkoa saadaan kavennettua, meidän on helpompi tutkia ja vertailla saatua dataa, Kulpakko kertoo.

Tutkimuksessa kehitetty testi luokitteli virtsatieinfektion minuuteissa

Tutkimuksen ensimmäiseksi biologiseksi tutkimusmateriaaliksi valittiin virtsa, koska normaalitilassa elimistö puhdistaa virtsan isommista partikkeleista ja sitä on helppo kerätä. Tutkimuksessa huomattiin, että bakteriofagit ja lantanidi-leima sopivat hyvin sekä simuloituihin näytteisiin, että potilasnäytteisiin. Ensimmäinen tutkimuskohde oli virtsatieinfektioiden luokittelu.

– Saadut tulokset olivat kilpailukykyisiä muiden yleisesti käytössä olevien menetelmien kanssa. Virtsatieinfektioiden todentamisessa käytetään yleisesti jopa kahden vuorokauden kasvatusaikaa bakteerimaljoilla. Kehitetty testi puolestaan luokitteli E.coli-infektion reilussa 10 minuutissa, Kulpakko avaa.

Bakteriofageilla entistä tehokkaampi eturauhassyövän testi?

Kulpakko kertoo, että tutkimuksen haastavampi osio oli eturauhassyövän aggressiivisuuden luokittelu. Bakteriofagit valikoitiin tunnistamaan syöpänäytteessä olevia molekyylejä.

– Testi pystyi luokittelemaan tappavat eturauhasen syövät ei-tappavista jopa paremmin kuin yleisesti käytössä oleva PSA-merkkiaine. Vaikka testiaineisto ei ollut vielä kovin suuri, tulokset antavat aiheen jatkotutkimuksiin ja menetelmän hyödyntämiseen muiden tautien mittaamisessa, tai hoitovasteen seurannassa, Kulpakko sanoo.

Menetelmällä voidaan Kulpakon mukaan kehittää testi taudin luokitteluun ennen kuin tiedetään, mitä näytteestä tarkalleen mitataan.

– Tämä voidaan myöhemmin selvittää esimerkiksi massaspektrometrialla, ydinmagneettisella spektroskopialla, erilaisilla sitoutumistutkimuksilla ja sekvensoinnilla. Tutkimukseni perusteella voi olla mahdollista tehdä testi varsinkin vaikeasti diagnosoitaville ja mitattaville taudeille. Mitä useampaa erilaista ja valikoitua bakteriofagia käytetään samassa testijärjestelyssä, sitä tarkemmaksi testi voi muodostua. Tällöin jokaisesta potilasnäytteestä muodostuu ominainen sormenjälki, tutkija kertoo.

Helppokäyttöiset ja kannettavat biosensorit hyödyllisiä tartuntatautien ehkäisyssä

Tutkimusmenetelmänä Janne Kulpakon väitöstutkimuksessa käytettiin muun muassa aikaerotteista fluorometriaa ja näytteen ympäristölle herkkää leimamolekyyliä sekä sammuttajayhdisteitä.

Biosensori on analyyttinen laite, jossa biologista tai biologisesti johdettua materiaalia on integroitu erilaisiin anturijärjestelmiin.

– Tässä väitöstutkimuksessa käytettiin biologisena tunnistajana bakteriofageja, joita voi hyödyntää monella tavalla lääketieteellisiin tutkimuksiin. Poikkeuksena muihin bakteriofageja hyödyntäviin järjestelmiin tässä väitöstutkimuksessa itse bakteriofagia ei leimattu mitenkään ja testissä ei ollut pitkiä odotteluaikoja eikä pesuvaiheita. Kaikki perustui bakteriofagien muuntumiseen itse taudin biokemiallista ympäristöä kohtaan, mutta myös herkkään lantanidi-leimaan. Tällä vapaasti liuoksessa olevalla leimalla bakteriofagien tunnistustapahtuma saadaan välitettyä aikaerotteiseen fluorometriin, jolla on monia etuja biologisten näytteiden mittaamisessa, Kulpakko sanoo.

Monia tauteja on vaikea mitata diagnoosin hankaluuden takia, tai niihin ei ole vielä löydetty toimivaa merkkiainetta, joka korreloisi taudin vakavuuden kanssa. Tällöin näytteen luokittelustakin voi olla apua.

– Helppokäyttöiset ja kannettavat biosensorit voivat olla myös tärkeitä yllättävien pandemioiden mittaamisessa ja hallinnassa. Tällöinkin riittävän hyvästä luokittelusta voi olla merkittävää hyötyä, Kulpakko kertoo.

Bakteriofagit tarjoavat uusia mahdollisuuksia infektiosairauksien tunnistamiseen ja hoitoon

Bakteriofagien käyttö tulee todennäköisesti yleistymään erilaisten infektiosairauksien hoitokokeiluissa, mutta myös tautien havaitsemisessa. Kulpakon tutkimuksessa raapaistiin pintaa siitä, mihin kaikkeen bakteriofagit soveltuvat, kun niihin liitetään sopiva havaintojärjestelmä.

– On vielä paljon selvitettävää sen suhteen, mitä molekyylejä bakteriofageihin perustuva järjestelmä mittaa ja mihin kaikkeen sitä voi hyödyntää. Tiedämme jo nyt, että kehittämämme menetelmä sopii myös muihin biologisiin näytetyyppeihin. Esimerkiksi hoitovasteen mittaaminen olisi hyvin kiinnostava ja tärkeä alue. Menetelmää täytyy vielä vertailla suurella potilasjoukolla tunnettuihin merkkiaineisiin ja tehdä erilaisia datavertailuja, Kulpakko päättää.

***

FM Janne Kulpakko esittää väitöskirjansa ”Phage-based biosensors for detection of microbes and biomarkers” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa keskiviikkona 22.6.2022 klo 12.00 (Turun yliopisto, Medisiina D, Säätiö-sali, Kiinamyllynkatu 10, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Seppo Vainio (Oulun yliopisto) ja kustoksena professori Pekka Hänninen (Turun yliopisto). Tilaisuus on suomenkielinen. Väitöksen alana on solubiologia ja anatomia.

Turun yliopisto seuraa aktiivisesti koronavirustilannetta ja viranomaisten ohjeita. Yliopisto päivittää ohjeitaan tilanteen mukaan. Ohjeet ja linkit löytyvät osoitteesta: utu.fi/koronavirus

Väittelijän yhteystiedot: jkkulp@utu.fi