Kvanttiteknologia on avain seuraavaan lääketieteen edistysloikkaan. Kvanttitietokoneet ovat laskentakyvyltään nykyisiin supertietokoneisiin verrattuna käsittämättömän tehokkaita, ja niiden avulla monimutkaisetkin biologiset toimintaketjut avautuvat aivan uudella tavalla. Tarkkaa tietoa tarvitaan esimerkiksi uusien lääkkeiden biologisten kohteiden valintaan ja elimistön eri kudoksiin ja soluihin kohdennettavien täsmälääkkeiden suunnitteluun.
Kvanttiteknologian kehittämisessä lääketieteen käyttöön näkyy monitieteisyyden kirjo parhaimmillaan. Onnistuneeseen lopputulokseen tarvitaan asiantuntijoita monelta alalta aina perustutkimuksen kenttään kuuluvista biologisista järjestelmistä kliinisen lääketieteen eri osa-alueisiin, tietotekniikkaan ja fysiikkaan.
Kvanttiteknologian teknisenä pohjana ovat kvanttialgoritmit ja tekoäly.
– Niiden avulla pystymme jatkossa esimerkiksi ennustamaan rakenteita, simuloimaan molekyylien samankaltaisuuksia ja mallintamaan tarkasti proteiinien ja niihin sitoutuvien molekyylien kiinnittymistä, kuvaa professori Sabrina Maniscalco Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisestä tiedekunnasta.
Kvanttiteknologian hyödyt eivät ole aivan vielä poimittavissa. Sabrina Maniscalcon mukaan kansainvälinen tiedeyhteisö ennustaa kuluvan 10–15 vuotta, ennen kuin kvanttitietokoneista saadaan varmempia käyttää.
Kun kaikki osatekijät ovat kohdillaan, lääketieteeseen liittyviä merkittäviä tuloksia on odotettavissa varsinkin lääkekehityksessä ja yksilöllistetyssä lääketieteessä. Nykyisin lääkekehityksen ongelmina ovat esimerkiksi hitaus, korkeat kustannukset ja osumatarkkuuden puute.
– Vaikka panostus lääketutkimukseen on kasvanut kymmenen kertaa suuremmaksi kuin 1980-luvulla, markkinoille tuotujen uusien lääkkeiden määrä on pysytellyt suunnilleen samana. Syynä on se, että nykyiset lähestymistavat yksinkertaistavat solubiologiaa. Emme pysty ennustamaan riittävällä tarkkuudella sitä, miten mahdolliset lääkeainemolekyylit sitoutuvat tiettyyn sairauteen liittyviin proteiineihin ihmiskehossa. Tämän vuoksi 90 prosenttia lääkeaineista ei tehoa kuin puoleen niillä hoidetuista ihmisistä, Maniscalco toteaa.
Kvanttiteknologia tarjoaa Helsinki Institute of Life Sciencen johtaja Jari Koistinahon mukaan mahdollisuuden perehtyä solujen ja niihin liittyvien monimutkaisten verkostojen toimintaan paljon nykyistä kokonaisvaltaisemmin.
– Solussa on lääkeainetta sitovan reseptorin ympäristössä paljon muutakin, kuten esimerkiksi muita reseptorin kanssa vuorovaikutuksessa olevia solun molekyylejä ja solun ulkopuoliseen materiaaliin kuuluvia tai viereisistä soluista peräisin olevia proteiineja ja molekyylejä. Kaikki nämä vaikuttavat yhdessä siihen, mitä lääkeaine loppujen lopuksi saa aikaan ja missä, Koistinaho toteaa.
Esimerkkinä Koistinaho antaa jo seitsemän vuoden ajan käynnissä olleen skitsofreniaa ja psykopatiaa koskevan kantasolututkimuksensa, jota hän tekee Kuopion Niuvanniemen sairaalan ylilääkärin, Ruotsin Karoliinisen Instituutin professori Jari Tiihosen kanssa. Apuna hän käyttää tutkimusryhmänsä kehittämiä potilasperäisiä aivosoluja ja "miniaivoja", jotka on kasvatettu ihmisen veri- tai ihosoluista tuotetuista kantasoluista.
– Skitsofreniaan tällä hetkellä parhaiten toimiva lääke kehitettiin jo 1980-luvulla, mutta lääkkeen käyttö lopetettiin ja käyttöä rajoitettiin sen luuydintä vaurioittavien sivuvaikutusten takia. 1990-luvulla moni lääketehdas pyrki kehittämään parempaa lääkettä, mutta tähän asti se on ollut mahdotonta – kukaan kun ei oikein tiedä, mistä 40 vuotta sitten kehitetyn lääkkeen teho skitsofreniaan johtuu. Voiko olla, että esimerkiksi juuri solunulkoisella materiaalilla on merkittävä rooli?
Monille ihmisen sairauksille on tutkimuksia varten kehitetty hiirimalleja. Näillä sairauden syitä ja lääkitysmahdollisuuksia on tutkittu ennen kuin lääkekehityksessä on päästy etenemään ihmisillä suoritettaviin kokeisiin.
Sitä mukaa kun ihmisen iho- ja verisoluista luotujen kantasolujen ja niistä kasvatettujen ihmissolujen ja minielinten tutkimus on kehittynyt, on huomattu hiirimallien perustavanlaatuinen hankaluus: hiiren ja ihmisen aivot ovat solutasonkin toiminnoiltaan aika erilaiset. Esimerkiksi Alzheimerin taudista ei ole yrityksistä huolimatta onnistuttu luomaan täydellistä hiirimallia. Tämä on hidastanut tutkimuksen etenemistä.
Kantasolututkimuksen ja kvanttiteknologian yhdistäminen voisi auttaa kartoittamaan tarkemmin Alzheimerin tautiin sairastuneen ihmisen aivoissa tapahtuvia muutoksia ja keinoja vaikuttaa niihin.
Ennen kvanttiloikkaa Jari Koistinaho haluaa kuitenkin ensin tutkia tutkimusryhmänsä kantasoluista kasvattamat ihmisen aivosolut ja miniaivot perin pohjin.
– Olemme keskusteluyhteydessä Sabrina Maniscalcon ja hänen perustamansa Algorithmiq-startupin kanssa. Olimme jo vahvasti lähdössä hyödyntämään kvanttiteknologiaa, mutta otimme pienen aikalisän. Haluamme ensin ottaa mukaan kantasoluista tehdyt ihmisaivomallit, joista näkisimme selvästi, millaisia muutoksia Altzheimerin tautia sairastavan aivoissa tapahtuu. Olemme jo niin pitkällä, että olemme havainneet miniaivoissa asioita, joita ei ole koskaan aiemmin raportoitu, Koistinaho toteaa.