Miltä kuulostaisi juuri sinulle sopivaksi räätälöity haavanhoitotuote? Entä jos leikkauksenyhteydessä voitaisiin antaa myös kohdistettua soluterapiaa kirurgista lankaa pitkin? Tämä saattaa olla mahdollista jo lähitulevaisuudessa.
Luonnosta saatavan nanoselluloosan soveltuvuutta solukasvatukseen ja lääkehoitoon on tutkittu Marjo Yliperttulan tutkimusryhmässä Helsingin yliopiston farmasian tiedekunnassa yli kymmenen vuoden ajan.
– Lääkehoidon yksilöllisyys on kasvava trendi, ja nanoselluloosan lääketieteelliset sovellukset voisivat vastata tähän huutoon, sanoo ryhmään kuuluva tutkija ja yliopisto-opettaja Patrick Laurén. Hän pureutui aiheeseen väitöskirjatutkimuksessaan ”Biomedical applications of nanofibrillar cellulose”
Mistä nanoselluloosaa saadaan ja mitä sillä voidaan tehdä?
Nanoselluloosa on pienenpieniä kuituja, joita voidaan valmistaa joko puumassasta tai synteettisesti bakteereiden avulla. Käsittelemätön nanoselluloosa muistuttaa koostumukseltaan lähinnä omenahilloa. Materiaalin tekee kiinnostavaksi sen rakenteen muokattavuus, joka mahdollistaa sovellusten luomisen erilaisiin käyttötarkoituksiin.
Nanoselluloosan käyttöä kosmetiikassa on tutkittu, ja tänä päivänä nanoselluloosaa sisältäviä ihonhoitotuotteita on jo markkinoilla. Sitä käytetään myös maaleissa ja biopolttoaineissa. Sen käyttöä esimerkiksi elintarvikkeiden pakkausmateriaaleissa on tutkittu Helsingin yliopistossa, ja tällaisia nanoselluloosaa sisältäviä pakkausmateriaaleja onkin jo käytössä.
Farmaseuttiseen ja biolääketieteelliseen käyttöön nanoselluloosa sopii hyvin siksi, että se ei ole peräisin ihmisestä tai eläimestä vaan kasveista. Kasviperäisessä materiaalissa ei ole niitä proteiinirakenteita, jotka saavat ihmisen elimistön hylkimään esimerkiksi toiselta ihmiseltä saatua kudossiirrännäistä.
Myrkytön ja ympäristöystävällinen materiaali
Lääketieteen käytössä biomateriaalilta edellytetään tiettyjä ominaisuuksia. Sen lisäksi, että materiaalin täytyy olla yhteensopiviaelimistön kudosten kanssa ja immuunijärjestelmä ei saa hyökätä sitä vastaan, sen pitää olla myrkytöntä.
Kun nanomateriaaleja käytetään tuotteissa, jotka ovat kosketuksissa ihmisten kanssa suoraan tai välillisesti, tutkijat haluavat olla varmoja, että niistä ei aiheudu minkäänlaista myrkyllisyyttä, niin sanottua nanotoksisuutta, ihmisen elimistössä.
– Kun mennään solutasolle, hyvin pienikokoisilla materiaaleilla saattaa olla ennalta-arvaamattomia vaikutuksia elimistössä, sanoo Patrick Laurén.
Laurénin mukaan tutkijat yllättyivät, kun solukokeissa ilmeni, että nanoselluloosa ei ole soluille lainkaan myrkyllistä. Asiaa testattiin esimerkiksi laittamalla maksasoluja, silmän epiteelikudosta ja kantasoluja kasvamaan tutkijoiden kehittämään nanoselluloosageeliin. Kaikki solut kasvoivat normaalisti ja olivat muodoltaan ja toiminnaltaan oikeanlaisia.
Myrkyttömyyden lisäksi nanoselluloosan käyttöä ihmisten hoidossa puoltaa se, että maapallon kaikista puista ja kasveista voidaan valmistaa nanoselluloosaa. Mikä parasta, nanoselluloosa on ympäristöystävällinen materiaali, eli se maatuu ja hajoaa luonnossa.
Kaikki lähti hydrogeelistä
Yliperttulan ryhmän tutkijat ovat erikoistuneet puumassasta valmistettaviin nanoselluloosasovelluksiin. Tutkimuksessa otettiin tärkeä askel, kun ryhmä vuonna 2007 keksi kokeilla solujen kasvatusta nanoselluloosasta tehdystä geelissä. Kun nanoselluloosaa on käsitelty tarpeeksi, siitä saadaan geelimäinen materiaali, niin kutsuttu hydrogeeli, joka koostuu suurimmaksi osaksi vedestä ja kuituverkosta.
Nanoselluloosasta tuotettu hydrogeeli on osoittautunut merkittäväksi innovaatioiksi esimerkiksi lääketestauksen kannalta. Geeli tarjoaa optimaalisen kasvatusalustan soluille: ne leijuvat geelissä kuten luonnollisessa ympäristössä ja asettuvat kasvaessaan luontaiseen muotoonsa kolmiulotteisesti. Lisäksi esimerkiksi maksasoluihin alkaa muodostua luontaisesti sappitiehyitä eli fysiologisia toimintoja muistuttavia rakenteita.
Tämä on oleellista, kun halutaan testata lääkkeiden myrkyllisyyttä elimistössä. Ihmisen ottamasta lääketabletista lääkeaine imeytyy ensimmäisenä maksaan käsiteltäväksi, jolloin maksa on kovimman rasituksen alla.Tavoitteena on pystyä valmistamaan lääkkeitä, jotka kuormittavat maksaa mahdollisimman vähän.
– Koska nanoselluloosageeli mahdollistaa elimistön kudoksia läheisesti muistuttavien solujen kasvatuksen, ovat solukokeiden tuloksetkin luotettavampia. Näin on helpompi nähdä, onko jokin lääke maksalle myrkyllinen. Jos menetelmää saadaan edelleen kehitettyä, tulevaisuudessa eläinkokeita voidaan toivottavasti vähentää, Laurén kertoo.
Sittemmin UPM patentoi hydrogeelikeksinnön vuonna 2010 tuotenimellä GrowDex ja kehittää sitä edelleen.
Mitä tapahtuu, kun nanoselluloosaa laitetaan ihmisen sisälle?
Viime vuosina tutkijat ovat selvittäneet esimerkiksi sitä, voisiko nanoselluloosasta valmistaa implantteja. Patrick Laurén testasi ihmisen elimistöön laitettavaa, lääkeainetta vapauttavaa nanogeeli-implanttiaväitöstutkimuksessaan vuonna 2018.
Laurénin tutkimuksessa selvisi, että geeli-implantti ei levinnyt ihonalaiskudokseen eikä lähtenyt hajoamaan. Hoidon kannalta on tärkeää, ettei implantissa tapahdu hallitsemattomia muodonmuutoksia, koska ne voivat vaikuttaa sen ominaisuuksiin mitä tulee lääkeaineen vapauttamiseen.
Houkuttelevinta Laurénin mukaan olisi, jos tällainen implantti saataisiin hajoamaan itsestään, koska sitä ei ole tarkoitus jättää elimistöön lääkeaineen annostelun jälkeen. Ihmisen elimistö ei kuitenkaan pysty hajoittamaan nanoselluloosa, joten seuraava askel tutkimuksessa olisi kehittää itsestäänhajoavaa nanoselluloosaa. Jos nanoselluloosa hajoaisi elimistössä, siitä muodostuisi lähinnä vain glukoosia eli sokeria.
– Geelillä voi kuljettaa sekä lääkeainetta että soluja, koska geeli suojaa soluja. Soluterapiassa voitaisiin käyttää geeliä mahdollisesti kuljetusvälineenä, sanoo Laurén.
Laurén on tutkinut myös, voisiko nanoselluloosaa käyttää kirurgisissa langoissa. Hän yhdisti nanoselluloosaan kokeissatoisia materiaaleja, kuten alginaattia, joka on levästä saatava luonnonpolymeeri.
Kirurgiseen lankaan tehtiin nanoselluloosa-alginaatti-sekoitteinen geelipäällyste, johon laitettiin sairautta hoitavia soluja. Idea on, että käsitellyn langan avulla kirurginen toimenpide voidaan yhdistää soluterapiaan. Silloin esimerkiksi Crohnin taudissa tehtävän suolistoleikkauksen yhteydessä kirurginen lanka kuljettaisi hoitavat solut tarvittavaan kohtaan. Tässä yhdistelmässä alginaatti hajoaa itsestään ja hydrogeeli poistuu ajan myötä suolen kautta, eli geeliä ei jää elimistöön.
Varsinaisen hoitomuodon kehittäminen on vasta tutkijoiden ajatuksissa. Tämä johtuu siitä, että esimerkiksi kirurgisten lankojen päällystys tehdään tässä vaiheessa manuaalisesti. Laurénin mukaan tarvittaisiin menetelmä, jolla voitaisiin tuottaa toistettavasti tasalaatuisia geelipäällysteitä nopeasti ja kustannustehokkaasti.
Voisiko oikean kokoisen maksan tulostus onnistua?
Nanoselluloosaa voi olla mahdollista käyttää myös 3D-tulostimissa. Yliperttulan tutkimusryhmä haluaa selvittää seuraavaksi materiaalin käyttöä 3D-tulostimen niin sanottuna biomusteena, josta voidaan tehdä elimistön rakenteita. Voisiko biomusteesta joskus tulevaisuudessa olla mahdollista tulostaa esimerkiksi kokonainen maksa? Tällainen puuperäisen nanoselluloosan tutkimus on vielä alkutekijöissään.
– Biotulostus on kasvava ala, ja toivomme, että tulevassa projektissa voisimme tarkoin määritellä geelin rakenteen ja ominaisuudet. Tarkoitus on testata nanoselluloosan toimivuus biomusteena ja tutkia myösmahdollisuuksia tuottaa esimerkiksi räätälöityjä haavanhoitotuotteita haavan tyypistä riippuen, sanoo Laurén.
– Biomateriaalina nanoselluloosa on ollut silmiemme edessä koko ajan – lähde ei Suomesta lopu. Perustutkimusta tästä kuitenkin tarvitaan ja jatketaan, Laurén summaa.
Biomateriaaleja käytettiin jo 3000 vuotta sitten
Nanoselluloosa on biomateriaali, eli ihmisen elimistön kanssa yhteensopiva materiaali. Biomateriaalien käyttö ihmisten hoitamisessa ei suinkaan ole uusi asia. Egyptissä löydettiin vuonna 2000 naispuolinen muumio, jolla oli anatomisesti oikein muotoiltu ja asennettu puinen varvasproteesi, joka mahdollisti sandaalin käytön. Muumio on 3000 vuotta vanha, joten proteesia voidaan kutsua maailman vanhimmaksi biomedikaaliseksi laitteeksi.