Professoriluento | Urpo Lamminmäki

Jos olet sairastanut koronavirusinfektion tai saanut koronavirusrokotteen, elimistössäsi on syntynyt koronavirusta tunnistavia vasta-aineita. Vasta-aineet ovat yksi immunopuolustussysteemimme keskeisiä työkaluja, joiden avulla se hyökkää elimistöön tunkeutuneita taudinaiheuttajia vastaan. Vasta-aineiden toiminnan kannalta keskeistä on niiden kyky tunnistaa elimistölle vieraita rakenteita ja sitoutua niihin voimakkaasti. Sitoutumalla taudinaiheuttajaan vasta-aineet voivat estää sen normaalin toiminnan ja siten ehkäistä sitä leviämästä elimistössämme. Toinen vasta-aineiden tärkeä toiminnallinen ominaisuus on niiden kyky aktivoida muita immunopuolustuksen mekanismeja tuhoamaan vasta-aineiden tunnistama taudinaiheuttaja.

Elimistömme pystyy tuottamaan valtavan määrän erilaisia vasta-aineita. Tämä mahdollistaa puolustautumisen mitä erilaisimpia taudinaiheuttajia vastaan. Oheinen kuva esittää vasta-ainemolekyylin kolmiulotteisen perusrakenteen. Vasta-aineita on muutamia eri tyyppisiä, mutta ne kaikki koostuvat tällaisista Y-kirjainta muistuttavista perusrakenneyksiköistä, jotka ovat kooltaan n. millimetrin sadastuhannesosa. Kuvassa keltaisella on merkitty alueet, jotka osallistuvat kohdemolekyylien tunnistukseen. Jokainen eri kohteeseen sitoutuva vasta-aine eroaa jonkin verran näiden alueiden rakenteen osalta toisista vasta-aineista. Niinpä tietty vasta-aine sitoutuu tarkasti tiettyyn kohteeseen samaan tapaan kuin tietty avain sopii tiettyyn lukkoon. Rakenteen vaalean vihreäksi värjätyssä osassa sijaitsevat ne alueet, jotka vastaavat vuorovaikutuksista immunopuolustuksen muiden mekanismien kanssa.

Vasta-aineisiin liittyvällä lääketieteellisellä ja biokemiallisella tutkimuksella on pitkä historia. Ensimmäisten jo 1700-luvun lopulla Edward Jennerin toimesta tehtyjen isorokko-rokotekokeiluiden antamaa suojavaikutusta ei pystytty puutteellisen biokemiallisen tietämyksen vuoksi yhdistämään vasta-aineiden syntyyn. Tilanne oli sama vielä 1880-luvulla, kun Emil von Behring ja Shibasaburo Kitasato havaitsivat, että bakteerin tuottamilla toksiineilla rokotetun eläimen veren siirtäminen rokottamattomalle eläimelle suojasi sitä bakteeri-infektion aiheuttamalta taudilta. Puutteet teoreettisen taustan ymmärtämisessä eivät kuitenkaan estäneet havainnon bioteknistä soveltamista. Tutkimuksen tulosten seurauksena kurkkumätää aiheuttavan bakteerin toksiinilla rokotettujen, eli immunisoitujen, hevosten seerumia alettiin tuottaa kaupallisesti lääkkeeksi ko. bakteeri-infektioon. Itse asiassa vielä nykyäänkin monet käärmeiden pistoksien vastamyrkyt saadaan eristämällä vasta-aineita kyseisen käärmeen myrkyllä immunisoidun hevosen verestä. Ensimmäisen kerran vasta-aine-käsitteen toi esiin Paul Ehrlich vuonna 1900, vaikkakin edelleen näkemys vasta-aineen ominaisuuksista poikkesi suuresti nykyisestä. Vasta-aineiden rakenteen ja toiminnan syvälliseen ymmärtämiseen päästiin lukuisten tutkijoiden löydösten kautta käytännössä vasta 1970-luvulla. Vasta-aineiden biokemiaan ja sovelluksiin liittyvistä tutkimustuloksista on myös jaettu useita Nobel-palkintoja.

Merkittävä askel vasta-aineiden hyödyntämiselle eri sovelluksissa oli Georges Köhlerin ja Cesar Milstein 1975 julkaisema hybridomateknologia. Se mahdollisti rakenteellisesti yhdenmukaisten ja siten vain tiettyyn kemialliseen rakenteeseen sitoutuvien vasta-aineiden valmistamisen immunisoidusta hiirestä saatujen muokattujen solujen avulla. Tätä ennen vasta-aineet oli saatu seoksena immunisoidun eläimen verestä. Nämä molemmat vasta-aineiden tuottomenetelmät ovat yhä käytössä.

Tärkeä läpimurto vasta-aineiden hyödyntämiselle erityisesti lääkkeinä tuli 1980-luvulla nopeasti kehittyneen geeniteknologian myötä. Uusien menetelmien avulla pystyttiin muuntelemaan vasta-aineiden koostumuksen määrittävää geenisekvenssejä ja siten muokkaamaan vasta-aineen rakenteellisia ja toiminallisia ominaisuuksia tiettyyn käyttötarkoitukseen sopiviksi. Näin voitiin esimerkiksi voimistaa vasta-aineen kykyä tunnistaa kohdemolekyyli tai tehdä kooltaan pienempiä vasta-aineita. Geeniteknologia teki myös mahdolliseksi valmistaa ihmisen vasta-aineita laboratoriossa ja bioreaktoreissa mm. bakteereita ja soluviljelmiä hyödyntäen.

Geeniteknologiaan perustuva vasta-ainemuokkaus on Turun yliopiston bioteknologian laitoksella toimivan tutkimusryhmämme keskeinen tutkimusalue. Bioteknologian tutkijoina olemme erityisen kiinnostuneita tutkimustulostemme sovellusmahdollisuuksista. Käytännössä kehittämme mm. uusia menetelmiä ja työkaluja vasta-aineiden valmistamista varten ja sovellamme näitä menetelmiä tiettyyn tarkoitukseen räätälöityjen vasta-aineiden tuottamiseen. Puolivakavissaan voi sanoa, että haluamme olla vasta-aineiden kehittämissä parempia kuin hiiri, eli kehittää vasta-aineita, joita hiiriä tai muita koe-eläimiä immunisoimalla ei pysty tekemään. Tutkimamme menetelmät myös mahdollistavat sen, että emme tarvitse koe-eläimiä vasta-aineen valmistamiseen.

Geeniteknologisesti tuotetut vasta-aineet ovat viime vuosikymmenien aikana mullistaneet useiden sairauksien hoidon. Vasta-ainelääkkeillä, joita usein kutsutaan biologisiksi lääkkeiksi, on useita erilaisia toimintamekanismeja: Osa lääkkeistä estää tietyn biologisen vuorovaikutuksen ja osa aktivoi immunopuolustuksen mekanismit tuhoamaan vasta-aineiden tunnistamat solut. Vasta-aineita voidaan myös käyttää muiden lääkemolekyylien kantajina kuljettamaan ne haluttuun paikkaan elimistössä. Biologisten lääkkeiden kehitys edellyttää vasta-aineen rakenteen kokonaisvaltaista suunnittelua ja muokkaamista halutunlaisten toiminallisuuksien ja ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Nykyään sairaalakäytössä on yli 100 vasta-ainelääkettä ja useita satoja vasta-ainelääkekandidaatteja on lääkekehitysprosessin vaatimissa potilaskokeissa. Kaikkiaan 1980-luvun ensimmäisistä kokeiluista käynnistynyt ja 1994 hyväksytystä ensimmäisestä lääkkeestä vauhtia saanut vasta-ainelääkkeiden voittokulku on ollut valtava. Suurin osa vasta-ainelääkkeistä on syöpätauteihin, mutta vasta-aineita käytetään myös mm. autoimmuunitautien kuten reumasairauksien sekä infektiotautien hoitoon. Myös koronavirusta vastaan on pikavauhdilla kehitetty useita vasta-ainelääkkeitä. Viime vuonna kymmenen maailman eniten myydyn lääkkeen joukossa oli viisi vasta-aineisiin pohjautuvaa lääkettä. Näiden yhteen laskettu vuosimyynti on samaa suuruusluokka kuin Suomen valtion budjetti. Vasta-aineiden tarjoamat monipuoliset mahdollisuudet uusien hoitojen kehittämiseen, yhdessä lääkkeisiin liittyvän valtavan taloudellisen potentiaalin kanssa, heijastuvat vasta-ainelääkkeiden tutkimuksen kasvuna maailmalla.

Geeniteknologian menetelmin voidaan räätälöidä vasta-aineita myös tutkimus- ja diagnostiikkasovelluksiin, joskin perinteiset koe-eläimiä immunisoimalla saadut vasta-aineet ovat näiden sovellusten kohdalla yhä keskeisessä roolissa. Vaikka tutkimusreagensseja myyvät yritykset tarjoavat tutkijoiden tilattavaksi tuhansittain erilaisia vasta-aineita, uusille tutkimusvasta-aineille on jatkuva tarve. Monet diagnostiset testit perustuvat vasta-aineiden toimintaan. Esimerkiksi kotona tehtävät koronavirustestit tai raskaustestit hyödyntävät niissä käytettyjen vasta-aineiden kykyä tunnistaa tarkasti haluttu kohde lukuisia erilaisia molekyylejä sisältävästä näytteestä. Saman tyyppisiä vasta-aineisiin perustuvia pikatestejä käytetään myös esim. haitallisten aineiden havaitsemiseen ruoka-aineissa tai ympäristössä. Myös monet sairaalan laboratoriossa tehtävistä diagnostisista testeistä perustuvat vasta-aineiden toimintaan.

Kaikkiaan geeniteknologiaan perustuvat menetelmät tarjoavat tehokkaan ja suunnitelmallisen tavan tuottaa uusia vasta-aineita moniin eri tarkoituksiin. Tarve uusille vasta-aineille syntyy pääosin eri tutkimusryhmien pitkäjänteisen tutkimustyön tai yritysten tuotekehitysprosessien tuloksena. Tekemällä yhteistyötä sekä akateemisten tutkimusryhmien että yritysten kanssa, tutkimusryhmämme pyrkii tarjoamaan eri toimijoille mahdollisuuden saada käyttöönsä korkealuokkaisia vasta-aineita tutkimustyökaluiksi, tutkimuksessa syntyneiden ideoiden testaamiseksi sekä uusien vasta-ainepohjaisten tuotteiden kehittämiseksi.