On aja märk, et erinevad teadussuunad üha segunevad ja väljuvad oma tavapärastest raamidest. Nii näiteks püüavad tehnikaülikooli füüsikud südamelihase uuringute kaudu anda oma panuse südamehaiguste ennetamisse ja ravimisse. Seejuures ei piirdu arstiteaduse ja füüsika kokkupuutekoht vaid erinevate aparaatide loomisega, mida kasutatakse haiguste diagnoosimiseks või raviks või analüüside tegemiseks.

Igas organismis toimub ka lugematul arvul mehaanilisi ja muul moel füüsika alla liigituvaid protsesse. Kuigi need toimuvad mikrotasandil, kehtivad näiteks raku sees toimuvatele liikumistele laias laastus ikkagi üldiselt tuntud ja tunnustatud füüsikaseadused. Neid tundma õppides võivad teadlased leida mooduseid, kuidas inimkonda painavaid haigusi paremini tõrjuda.

Füüsikud, keemikud ja bioloogid ühendavad jõud

Tallinna Tehnikaülikooli Marko Vendelin uurib käimasoleva projekti raames, kuidas toimub energia ülekanne südamelihase rakkudes. Viimane omakorda mõjutab raku jõujaamu – mitokondreid, südamelihaste elektromehaanilist sidestatust ja südame jõudlust tervikuna. Katsetes kasutab ta kolleegidega eeskätt laborihiiri ja -rotte. Laborihiirelt võetud südamega saab kõigele lisaks korraldada juhitud katseid. Oma oletuste kontrollimiseks saavad teadlased luua juust selliseid tingimusi, nagu parasjagu vaja.

Laiemas vaates tegeleb Vendelini töörühma biofüüsikaga, mis liigitub alusteaduste valdkonda. "Me ei ehita konkreetseid masinaid, vaid meie ülesanne on füüsikalisi seadusi kasutades uurida, mis toimub rakus või organismis üldisemalt. Kui saame aru, mis toimub terve inimese rakus ja mis seal muutub, kui inimest tabab mingi tõbi, siis on meil võimalik juhtida organismi tervenemise poole. Tavaelus tähendab see, et tuleb võtta rohtu. Milliste haiguste puhul milline rohi aitab, saadakse aga tihtilugu teada rakutasandil protsesse uurides," selgitas Vendelin.

Teisisõnu otsivad nad küberneetika instituudi professori sõnul nn juhtimiskohti, millega suunata organismi tervenemise suunas. Sellest aru saamiseks ja tarvilike katsete tegemiseks peavad töötama füüsikud ja bioloogid külg külje kõrval. Kuigi nad omandasid kunagi oma kitsama eriala, saavad nad hästi aru, et tegeleda tuleb mõlema valdkonnaga ja lõppeks need kaks ala tahes-tahtmata segunevad.

Näiteks uurisid minevikus just biofüüsikud välja näiteks selle, kuidas jõuab elektriline signaal ioonkanalite kaudu raku sisse ja algatavad need impulsid rakkude kokkutõmbumise jmt. Tänapäeval on need juba n-ö alusteadmised.

Oma teadlasekarjääri hoopis fotosünteesi uurimisega alustanud Vendelin märkis, et füüsikut paelub bioloogia juures huvi rakutasandil toimuva süsteemi vastu. Ta on seda meelt, et kui me tahame teha teaduses laiapõhjalisi avastusi, siis peavadki erinevate valdkondade teadlased jõud ühendama.

Südamelihase rakkude saladused

Nii loodab Marko Vendelin, et bioloogide ja füüsikutega jõudude ühendamine aitab tagasi tõrjuda ühte suurimat inimkonna suurimat tapjat. Südamehaigused murravad üle ilma miljoneid inimesi. Nende diagnoosimine ja ravi edeneb samas siiani küllaltki visalt.

Lahendusteni jõudmiseks peavad andma paraku oma elu väiksemad olendid – eeskätt rotid ja hiired. Kuigi loomkatseid püütakse teha võimalikult vähe, siis häid alternatiive nendele veel pole. Teadlased ei oska südamelihase rakke veel tõhusalt katseklaasis kasvatada. Nõnda püütakse tehtavatest katsetest maksimum kätte saada.

Pildil on näha klaasist pipetid, mis kinnitatakse proovi külge selleks, et mõõta jõudu. Kasutusel on kaks piesomootorit (helehallid vasakul ja paremal), mis on istutatud mikromanipulaatoritele. See võimaldab teadlastel kinnitada pipetid ka väiksematele proovidele (suurusjärk umbes 30 µm) ning katseid teostada.

Võrreldes imetajate keskmiste rakkudega on südamerakkude läbimõõt keskmist sorti – umbes 20 mikromeetrit. Samas ulatub nende pikkus umbes 100 mikromeetrini. "Molekulide liikumine selles silindris on aeglane. Meie töö hüpotees seisneb selles, et iga rakk koosneb osakestest, mille mõõtmed on kõigis suundades üks mikromeeter. Nendes n-ö kuubikutes liiguvad molekulid kiiresti, aga kaugemale nad raku sees ei liigu, st nad ei välju oma kuubikust," tutvustas Vendelin oma töö keskset ideed.

Esmalt peab töörühm kontrollima oma oletuse õigust. "Seejärel peame aru saama, miks mõne südamehaiguse korral need väikesed kuubikud ära kaovad ja molekulid pääsevad liikuma mööda tervet rakku. Vastata tuleb küsimusele, kas see südamehaiguse seisukohalt on tähtis või mitte," lisas professor.

Sellest aimu saades saab edasi liikuda juba järgmise küsimuse juurde. On võimalik, et taoline ehituslik eripära mõjutab südamelihase toimimist ja seda teadmist arvesse võttes saab südamehaigusi ravida. Ühtlasi loodab töörühm leida võimaluse südamelihase rakkude enesetapjaliku käitumise vältimiseks, kui südame verevarustus saab mingil põhjusel häiritud.

Seega otsivad teadlased võimalusi, kuidas südamelihase rakke "ära lollitada" ehk nende väljakujunenud käitumismustrit muuta.

Tõhus ravi eeldab mehhanismide mõistmist

Töörühma teine uurimissuund puudutab südame omadust energiat nii muundada kui ka tarbida energiat. Protsessi liikuma panev jõud on mitokondrites toimuv ATP süntees. Rakuhingamise käigus lagunevad rasvhapped ja tekkinud energia salvestatakse ATP molekulidesse. Inimesele tuntavalt väljendub see kehalise pingutuse korral. Mida rohkem me pingutame, seda suuremaks paisub süda ja seda rohkem ta verd pumpama hakkab. Teadlastele pole aga lõpuni selge, kuidas jõuab info ilmnenud pingutusvajadusest raku sees mitokondritesse.

"Piltlikult öeldes püüavad teadlased aru saada masina tööpõhimõtetest, mida nad ise pole ehitanud. Masinat saab parandada ikkagi vaid siis, kui teame, kuidas see töötab," selgitas Marko Vendelin rakutasandil tehtavate südameuuringute eesmärke: "Siin saavadki kokku füüsikute, keemikute ja bioloogide tööpõllud. Kõik püüavad aru saada, kuidas mehhanismid töötavad, millised on selle kontrollpunktid jmt. Kui me neid asju teame, siis on võimalik juba ravida ehk siis masinat parandada."

Ta tunnistas, et praktilisest ehk n-ö käega katsutavast või silmaga nähtavast tulemusest ollakse veel kaugel. Esialgu ravimeetodeid ei otsitagi, vaid püütakse mõista, miks ja kuidas üks või teine protsess just toimub. Uurimistöö tulemus võiks viia meid lähemale inimese füsioloogia põhitõdede tundmaõppimisele.

Samale tulemusele võib viia ka hoopis teistsuguse metoodika kasutamine. Teadlased sooritavad mingi idee proovile panemiseks järjest juhitud katseid ja vaatavad, mis juhtub. Taoline lähenemine nõuab aga Vendelini hinnangul märksa rohkem laborihiiri ja ka teisi vahendeid. "Ma ei ütleks, et üks variant on teisest parem. Mõlemaid on vaja ja loodetavasti saavad need kusagil kokku," märgib Vendelin.