Mitä yhteistä on Alzheimerin taudilla ja teknillisellä fysiikalla?

Muistisairaudet yleistyvät ripeää vauhtia. Valtaosa muistisairaista potee todettua dementiaa. Dementian yleisin aiheuttaja on Alzheimerin tauti.

Tautiin ei ole löydetty parannuskeinoja, mutta sen etenemistä voidaan hidastaa erilaisin lääkkein. Alzheimerin taudin perimmäinen syy on kuitenkin edelleen selvittämättä. Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa taudin syntyä selvitetään teknillisen fysiikan avulla.

LUT:ssä meneillään oleva tutkimus perustuu spektroskopiaan, missä hyödynnetään ultralyhyitä laserpulsseja. Ultralyhyet laserpulssit ovat suurella taajuudella, yleensä n. 80 megaherziä, sykkiviä  valopulsseja, joiden kesto on muutamista femtosekunneista muutamiin kymmeniin femtosekunteihin. Yksi femtosekunti on 0,000000000000001 sekuntia.

Toisin kuin tavallisen laserin valo, joka on yksiväristä, ultralyhyt laserpulssi koostuu useista aallonpituuksista – toisin sanoen se sisältää leveän aallonpituusjakauman eli spektrin.

Tämä mahdollistaa ultranopean mikrospektroskopian, jossa laserpulssit keskitetään mikroskoopin avulla tutkittavaan aineeseen. Aineen molekyylit muuttavat laserpulssin spektriä, eli mikroskoopin avulla voidaan havainnoida, kuinka valo vuorovaikuttaa molekyylien kanssa eri aallonpituuksilla.

Spektreihin perustuvassa mikroskopiassa eli mikrospektroskopiassa ultralyhyitä laserpulsseja käytetään biologisten näytteiden analysoimiseen. Analysoimalla näin syntyviä spektrejä voidaan selvittää esimerkiksi solunäytteissä tapahtuvia muutoksia.

Sakkaa aivoissa

Alzheimerin taudissa ihmisen aivoissa tapahtuu pienen pieniä muutoksia, joiden seurauksena aivoihin kertyy plakkia. Plakkia syntyy, kun aivoissa kaksi proteiinia – amyloid-beta ja tau – hajoavat ja kertyvät aivoihin laajoiksi saostumiksi.

Tämä on yksi hypoteesi taudin syntymisestä. Edelleen on epäselvää, mikä aiheuttaa proteiinien hajoamisen. Tätä tutkitaan LUT:ssä fysiikan laitoksella.

”Mittaamme proteiineja, joiden arvellaan liittyvän läheisesti Alzheimerin taudin syntyyn. Proteiniit liittyvät kaikkiin toimintoihin ihmisen biologiassa, kuten myös sairauksien syntyyn. Alustavien tutkimusten mukaan CARS-mikrospektroskopia on varteenotettava menetelmä Alzheimerin taudin kemiaa tutkittaessa”, kertoo tutkijaopettaja Erik Vartiainen.

Coherent Anti-Stokes Raman Scattering – eli CARS-menetelmässä kohdetta valaistaan kahdella eri laserpulssilla, joiden aallonpituudet ja siten myös vastaavien fotonien energiat ovat hieman erisuuruiset.

Fotonien energiaero säädetään siten, että se vastaa näytteessä kiinnostuksen kohteena olevan molekyylin jotain värähtelymoodin energiaa. Tällöin molekyyli voi ottaa vastaa kyseisen energiaeron ja alkaa värähdellä hieman voimakkaammin.

CARS-signaali syntyy nyt kun mittauksessa käytettävän lyhempiaaltoisen laserin fotonit vuorovaikuttavat voimakkaammin värähtelevien molekyylien kanssa ja nappavat niiden  värähtelyenergialisän.

Näin muodostuvien CARS-pulssien fotonien energia on siten tarkasteltavan molekyylin jonkin värähtelymoodin energian verran suurempi kuin näytteen valaisuun käytettävän lyhempi aaltoisen laserin fotonien energia.

Kun nyt laserpulsseista pidempi aaltoinen on leveäkaistainen ja lyhempi aaltoinen kapeakaistainen, saadaan ulos CARS-spektri, joka sisältää tietoa molekyylien useista eri värähtelytiloista.

Jokaisella molekyylillä on useita erilaisia tapoja värähdellä eli eri värähtelymoodeja, ja sen seurauksena kullakin molekyylillä on oma tunnusomainen värähtelyspektrinsä. Tämä spektri on kuin aineen sormenjälki, joka on tyypillinen vain tälle aineelle. CARS-spektri sisältää ”sormenjäljestä” kaiken tiedon, joka voidaan saada selville analysoimalla spektri numeerisesti tietokoneen avulla.

Tavoitteena helppokäyttöinen laskentamenetelmä

Värähtelyn synnyttämä spektri saa tutkittavan kohteen näkyviin, ja samalla saadaan tietää, mitä molekyylejä ja kuinka paljon niitä näytteen eri kohdissa on.

”Perinteisessä mikroskopiassa näyte valaistaan valkoisella valolla ja esimerkiksi läpinäkyviin solunäytteisiin laitetaan väriainetta, että niihin saadaan erottuvuutta ja kontrastia. Värjääminen kuitenkin muuttaa näytettä ja väriaineet voivat olla myös myrkyllisiä. Kun käytetään ultralyhyitä laserpulsseja CARS-mikroskopiassa, näytettä ei tarvitse värjätä, vaan näytteiden kuvantaminen perustuu molekyylien luontaisten värähtelyjen havainnointiin”, Vartiainen sanoo ja jatkaa:

Samanaikaisesti osa toisen pulssilaserin fotoneista vuorovaikuttavat näiden molekyylien kanssa vastaanottaen molekyyleiltä niiden värähtely-energian lisäyksen. Tässä syntyvä ulostulosignaalin voimakkuus on verrannollinen molekyylien eri värähtelymoodien voimakkuuksiin.

”Käyttämämme ultranopean laserin avulla tutkittavista kohteista saadaan yksityiskohtaisempaa tietoa kuin aiemmilla menetelmillä. Tiedon analysoimiseksi kehitämme laskentamenetelmiä, joilla teknologia saadaan helppokäyttöiseksi.”

Resepti lääkkeeseen taudin alkulähteestä?

Vartiaisen mukaan laskennan teho alkaa olla kohdallaan, mutta nyt haasteena on tehdä laskennasta täysin automaattista.
”Ensin kuvannamme näytteen ja sitten laskemme siitä värähtelyspektrin ulos. Laskentatuloksista analysoimme, mitä näytteessä on tapahtunut. Yksi spektri voi vaatia miljoona laskentatoimitusta.

CARS-mittaus tutkittavasta näytteestä voi sisältää tuhat spektriä, mikä nostaa tarvittavien laskutoimitusten määrän miljardiin. Silloin näytteen analysointi voi viedä jopa tunteja”, Vartiainen kertoo ja jatkaa:

”Me kehitämme nyt algoritmia, joka mahdollistaisi automaattisen ja supernopean laskennan. Eli jos analyysi tapahtui ennen puolessa tunnissa, se voi jatkossa tapahtua mikrosekunnissa ja täysin automaattisesti. Tavoitteena on saada laitteisto ja laskenta yhtä helppokäyttöiseksi kuin tavallisen mikroskoopin käyttö. ”

Tutkimuksen tavoitteena on ymmärtää, miten Alzheimer-tauti lopulta syntyy – mikä kehon proteiineissa menee vikaan, että tauti pääsee vallalle. Proteiineissa tapahtuvat muutokset ovat todennäköisesti monen muunkin sairauden takana, joten samoja laskentamenetelmiä voidaan hyödyntää myös muiden tautien syntyperän tutkimiseen.

”Kun taudin syntymekanismit pystytään tunnistamaan, voidaan siihen kehittää lääke. Nyt käy­tössä olevat lääk­keet aut­tavat lä­hinnä hidastavat taudin etenemistä ja auttavat ar­jessa pärjää­mi­sessä. Alzheimerin ohella kehittämämme menetelmän avulla voitaisiin selvittää esimerkiksi Parkinsonin taudin syntyä – sekin on yhtälailla vielä mysteeri”, Vartiainen toteaa.