Nutikatest disainerrakkudest tõuseb kasu nii ravimiarenduses kui ka keskkonnaseires ({{contentCtrl.commentsTotal}})

Fiibermatid
Fiibermatid

Elusaid mikroobirakke saab kasutada tööriistana, mis annavad infot keemilistest või füüsikalistest protsessidest. Tartu Ülikoolis töötatakse välja bakterirakke, mille abil on võimalik uurida antibiootikumide toimeid bakteritele organismis.

Juba aastakümneid on teadlased laboris n-ö jumalat mänginud, olgu selleks siis loomade kloonimine või taimeliikide geneetiline muundamine s.t GMO, et need oleksid haigustele ja karmidele keskkonnatingimustele vastupidavamad, kirjutab Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi molekulaarse mikrobioloogia nooremteadur Mariliis Hinnu.

Vähem kõlapinda on pakkunud aga geneetiliselt muundatud mikroorganismid. Ometi on nutikalt disainitud imepisikesed mikroobirakud väga olulised töövahendid nii ravimiarenduses, keemiatööstuses kui ka keskkonnaseires. Ka Tartus käib uurimistöö, tänu millele võib tulevikus antibiootikumravi efektiivsemaks muuta.

Mikroobid kui mõõtevahendid
Üheks valdkonnaks disainerrakkude maailmas on reporterrakud. Nendesse on viidud vastavad geenid koos regulaatorsüsteemiga, mis töötavad justkui lülitid. Kui keskkonnas on mingi kindel kemikaal või toimub rakus mõni sündmus, näiteks saab kahjustada raku DNA, lülitub geen sisse ja annab signaali, näiteks tekib värvimuutus või hakkavad rakud helendama.

Näiteks on olemas test, kus saab palja silmaga jälgida värvitu lahuse muutumist siniseks juhul, kui lahuses olevates bakterirakkudes tekib DNA-kahjustus. Värvi intensiivsus sõltub toime tugevusest ja nii saab ravimi- ja keemiatööstus uute molekulide väljatöötamisel kõigest tundidega infot aine toimete kohta rakkudes.

See võimaldab valida edasiarenduseks sobivaimad kandidaadid, praakides varakult välja DNA-kahjustusi tekitavad, kuna see võib soodustada vähi ja viljakusprobleemide teket. Reportergeenidena kasutatakse sageli ensüüme, mille tootmisel muutub keskkonda lisatud algaine värvus, või helendavaid valke, mis pärinevad algselt mereelukatest või jaaniussidest.

Reporterraku tööpõhimõte. Reportergeeni võivad sisselülitada vaid lülitispetsiifilised tegurid keskkonnas, näiteks päikesevalgusest tulenev UV-kiirgus või mõni kemikaal. Signaal on sageli seda tugevam, mida rohkem on kokkupuudet vastava keskkonnateguriga. 

Helendusel ehk fluorestsentsil või luminestsentsil põhinevad reporterrakud on aga sageli palju tundlikumad ning seega eelistatumad. Luminestsentsi korral tekib rakus helendus keemilise reaktsiooni tulemusena. Fluorestsents aga vajab aktiveerimiseks kindlat värvi valgust, näiteks rohelist fluorestsentsi näeme sinises valguses. Fluorestsentsi eeliseks on see, et see võimaldab jälgida individuaalseid rakke ning samaaegselt võib ühes rakus olla mitu erinevat värvi fluorestsentsi, mis kõik annavad teavet erineva protsessi kohta.

Miks antimikroobsed ravimid ei tööta?
Minu töö Tartu Ülikooli Tehnoloogiainstituudis professor Tanel Tensoni juhitavas antibiootikumide uurimisrühmas on töötada välja ja kasutada reporterbaktereid antibiootikumide uurimiseks. Laboris on välja töötatud erinevatele antibiootikumidele vastavad fluorestseeruvad reporterbakterid, mida uuritakse nii katseklaasis kui ka erinevates nakkusmudelites. Eesmärk on uurida, kui hästi ravim oma sihtmärgini jõuab.

Aastakümneid kestnud mikroobivastaste ainete, eelkõige antibiootikumide väärkasutamine on viinud üha sagedasema resistentsuse tekkeni. See tähendab, et varasemalt lihtsasti ravitavatele nakkushaigustele ei ole enam ühtegi toimivat ravimit või on ainsad veel toimivad ravimid ohtlike kõrvaltoimetega.

Haigustekitajad asuvad organismis erinevates kudedes, rakkude vahel või peidavad end hoopis teatud tüüpi rakkude sisse. Seetõttu ei kohta kõik haigustekitajad ravi ajal ühesugust raviaine hulka. Kui haigustekitaja aga ei puutu kokku piisava hulga ravimiga, ei pruugi ravi õnnestuda ja pärast esialgset näilist tervenemist võib tekkida uus haigestumine.

Samuti õpib mikroob õppida ravimi kiuste ellu jääma – võib tekkida resistentsus selle või sarnaste ravimite vastu. Tavapärased meetodid ei ole hetkel väga täpsed ravimi koguste hindamisel üksikutes rakkudes ja kudedes.

Kui palju ravimit jõuab mikroobideni haiguse ajal?
Selle uurimisel tulevad appi fluorestseeruvad reporterrakud. Põhimõtteliselt nakatatakse imetajarakud katseklaasis või katseloom sobivaid reporter-lüliti süsteeme kandvate haigustekitajatega, ravitakse erinevate ainete ja kombinatsioonidega.

Näiteks saab fluorestsentsi abil samaaegselt igas reporterrakus jälgida, kas tegu on aeglaselt või kiiresti kasvavate rakkudega, kui palju ravimit jõuab rakuni ning millistes organismi piirkondades on ravi rohkem või vähem tõhus. Sellest saab teha järeldusi, kuidas inimesi mõne haiguse korral kõige efektiivsemalt ravida.

Reporterrakke kasutades saab loomkatsetest palju väärtuslikku infot, mida saab inimeste paremaks ravimiseks ära kasutada. Reporterrakkude signaalimuutuse läbi saame hinnata, millist toimet mingi raviskeem igas üksikus rakus või organismi piirkonnas omab. 

Töö reporterrakkudega Eestis
Esialgu teeme Tartus katseid ohututes laboritüvedes ning nakatamiseks kasutame peamiselt põiepõletikku tekitavat E. coli't ehk soolekepikest. Šveitsis alustasin ka reporterite ja antibiootikumravi teemalist koostööprojekti märksa raskemat haigust, tüfoidset palavikku tekitava Salmonella uurimislaboriga.

Selleks, et Tartus saaks teha ulatuslikumaid katseid, sh loomkatseid, ka ohtlikemate haigustekitajatega, ootame pikisilmi kolmanda bioohutusklassi labori lõplikku valmimist ja käivitamist. 2014. aastal TÜ Siirdemeditsiini instituudi juures valminud hoone seisis senini rahanappuses tühjalt, kuid avatakse eeldatavalt 2021. aasta esimeses pooles.

Tartu Ülikoolis väljatöötatud reporterbakterite abil saab uurida uudseid ravimvorme. Antud katses uuriti uudset haavakattematerjali, fiibermatti, mis vabastas antibiootikumi vastavalt kiiresti (vasakul) või aeglaselt (paremal). Tihedale reporterbakterite kihile asetati fiibermatt (tumeda ringi keskel). Fiibermatt hakkas vabastama antibiootikumi, mille tõttu bakterid fiibri ümber ei kasva (tume ala). Seal, kus antibiootikumi on liiga vähe, et kasvu takistada, kuid antibiootikum avaldab siiski toimet, hakkavad bakterid punaselt helendama. Roheline helendus on bakterite üldise ainevahetuse kontrolliks. Tavapäraste testimismeetoditega leiti fiibrite vahel väga suured erinevused, kuid reporterikatsest selgus, et fiibrite toimes bakterite elutegevusele pole suurt vahet. 

Reporterrakud keskkonnaseires
Lisaks kasutusele ravimiarenduses saab reporterrakke kasutada ka keskkonnauuringutes. Kuigi kemikaale saab keskkonnast määrata ka füüsikaliste aparaatide abil, on elusrakkude kasutamisel mitmeid eeliseid. Reporterrakud on palju tundlikumad ja nende abil saab tuvastada erinevate ainete koostoimeid, mis füüsikaliste mõõtevahenditega ei ole võimalik.

Näiteks saab uurida ravimijääke reoveepuhastusjaamade puhastatud vees või võimalikke lekkeid kemikaalitehaste läheduses olevates veekogudes. Samuti on väljatöötatud lõhkeaineid tuvastavad helendavad reporterrakud, mida on võimalik kasutada miiniväljade ohutuks muutmisel.

Mariliis Hinnu artikkel valmis populaarteadusliku kirjutamise kursuse raames.

Toimetaja: Jaan-Juhan Oidermaa

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: