Geenisiruista biosiruihin: uuden biotekniikan haasteet ja mahdollisuudet. Olli Kallioniemi

Transkriptio

1 Omiikka Geenisiruista biosiruihin: uuden biotekniikan haasteet ja mahdollisuudet Olli Kallioniemi DNA-sirutekniikka muutti biolääketieteellisen tutkimuksen mittakaavan geenistä genomiin. Nyt proteiinien tutkimuksessa puhutaan proteomiikasta. Biotekniikan uudet menetelmät ovat tuoneet perinteisille tutkimusaloille uuden, laajan näkökulman. Yhdistämällä esimerkiksi genomiikan, proteomiikan ja metabolomiikan tuloksia toivotaan tulevaisuudessa voitavan mallintaa bioinformaattisesti solujen toimintaa ja tautien syntymekanismeja. Tätä tavoitetta kutsutaan systeemibiologiaksi. Biosiruilla voidaan seuloa kerralla tuhansia biomolekyylejä (DNA, RNA, proteiinit) tai tutkia tuhansia solu- tai kudosnäytteitä. Muutos on huima verrattuna totunnaiseen fokusoituun, hypoteesipohjaiseen tutkimusasetelmaan, jossa tutkitaan yhtä geeniä, proteiinia tai näytettä kerrallaan. Biosirutekniikat laajentavat olennaisesti biolääketieteellisen tutkimuksen mahdollisuuksia ja nopeuttavat geenitiedon soveltamista diagnostiikkaan, lääkekehitykseen ja potilaiden hoitoon. Sirutekniikkojen soveltamiselle on Suomessa sinänsä hyvät mahdollisuudet, mutta onko tutkimusyhteisömme muuten valmis kohtaamaan suuren muutoksen biolääketieteen tutkimuksen periaatteissa ja laajuudessa? Biologian ja lääketieteen perinteinen tutkimus perustuu hypoteesipohjaiseen työskentelyyn, jossa tutkija valitsee tutkimuskohteen, perehtyy asiaa koskevaan kirjallisuuteen, muodostaa testattavan hypoteesin ja valitsee spesifiset menetelmät ja aineistot hypoteesin testaukseen. Esimerkiksi laboratoriolääketieteessä tärkeäksi arveltu geeni tai proteiini määritetään potilaiden ja verrokkien näytteistä. Epäselväksi jää tällöin se, missä määrin tutkittava ehdokasgeeni tai -proteiini on kliiniseltä käyttöarvoltaan parempi kuin sadat muut molekyylit. Perinteinen tutkimusasetelma tarjoaa vastauksen vain siihen, mitä halutaan. Tutkimus etenee systemaattisesti askel kerrallaan aikaisemman tutkimustiedon pohjalta. Tämä tutkimuslinja on edelleen lähes kaiken lääketieteellisen tiedon perusta, mutta sen rinnalle on syntynyt uusi, laaja-alainen»discovery-based» eli»löytöihin perustuva» tutkimuslinjaus. Löytöihin perustuva tutkimus pohjautuu laajan molekyyliseulonnan tuloksiin, jotka on saatu esimerkiksi automatisoidun biosiruanalyysin avulla. Kun lähes kaikki geenit nyt tunnetaan, on mahdollista asettaa geenikoettimet sirumuotoon, jotta genomin kaikkien geenien toimintaa voidaan tutkia samanaikaisesti. Tutkimuksen näkökulmaa voidaan laajentaa samalla tavalla mikroja nanotekniikoihin nojaten myös muussa tutkimustyössä, esimerkiksi proteiinien, metaboliittien, lääkkeiden, solujen tai kudosten laajassa tutkimuksessa. Biosiruseulonta tuottaa tavattoman määrän tutkimustuloksia, joiden analyysissä ja priorisoinnissa keskeistä on bioinformatiikka. Duodecim 2002;118:

2 Arvokkaiden tutkimuslöydösten ja läpimurtojen todennäköisyys kasvaa biosirututkimuksissa merkittävästi, mutta haasteena on seuloa valtavasta tutkimustiedon määrästä esiin todelliset kultajyvät. Jos tutkija on seulonut geeniä ja siirtänyt tulokset tietokantaan, on hänen haastavana tehtävänään käydä läpi 500 sivua tulostiedostoja, joiden kullakin sivulla on 40 geenin tutkimustulokset. Tällöin ylittyy yleensä terävimpienkin ihmisaivojen kyky ymmärtää tulosten kokonaismerkitystä. Geenisirutekniikoiden kehittymisen ja yleistymisen myötä tällainen laaja seulonta on tullut tavallistenkin tutkimuslaboratorioiden ulottuville. Kilpailun kärjessä tulevat olemaan ryhmät, jotka osaavat bioinformatiikan ja suunnattujen jatkotutkimusten avulla parhaiten muuttaa biosirutulokset tiedoksi ja lääketieteellisesti hyödynnettävään muotoon. Perinteisten tutkimusalojen laajakatseisempia linjauksia on alettu kutsua omiikoiksi. Tässä erikoisnumerossa on jo käsitelty funktionaalista genomiikkaa (Monni ym.) ja proteomiikkaa (Bauman ja Meri). Muita vastaavia laaja-alaisia tieteenaloja ovat mm. farmakogenomiikka (lääkeaineiden seulonta ja kohdentaminen geenitiedon avulla),»cellomics» (solubiologinen tehoseulonta) ja metabolomiikka (metabolian kokonaisvaltainen tutkimus) (Taylor ym. 2001, Khandurina ja Guttman 2002, Phelps ym. 2002). Yhdistämällä esimerkiksi genomiikan, proteomiikan, metabolomiikan ja solubiologian tuloksia toivotaan tulevaisuudessa voitavan mallittaa bioinformaattisesti solujen toimintaa ja tautien syntymekanismeja. Tätä tavoitetta ja tutkimusstrategiaa kutsutaan systeemibiologiaksi. Taulukossa 1 on esitetty biosirutekniikalle ja omiikoille tyypillisiä piirteitä. Kaikki omiikkatutkimus ei perustu biosiruihin, vaan myös esimerkiksi massaspektrometria ja partikkelitekniikka luovat merkittäviä mahdollisuuksia. Tässä katsauksessa esitellään esimerkinomaisesti biosirutekniikoiden laajaa kirjoa ja huimia mahdollisuuksia tutkimuslaboratorioista lääkekehitykseen ja kliiniseen diagnostiikkaan. Lopussa tarkastellaan niitä haasteita, joita biotekniikan uudet menetelmät tarjoavat suomalaiselle tutkijayhteisölle. Taulukko 1. Biosirutekniikan ja siihen perustuvien laajojen tutkimusalojen ominaispiirteitä. Kokonaisvaltainen näkökulma Löydöksiin perustuva tutkimusasetelma Työhypoteesia ja tutkimuksen kohdetta ei ole etukäteen tarkasti rajattu Automaatio, robotiikka, mikro- ja nanotekniikka Usean molekyylin tai näytteen tutkimus rinnakkain mikrosirumuodossa (array) Havaintopisteitä tuhansista miljooniin Bioinformatiikka tarpeen tulosten jalostamisessa tiedoksi Tulokset kerätään Internetin tietokantoihin Omien tulosten tiedonkäsittely yhdessä tietokannoista saatavien tulosten kanssa Tekniikoiden ja tulosten laajat soveltamismahdollisuudet Tutkimustulosten hyödyntäminen ja jalostaminen tiedoksi keskeinen haaste Biosirujen kirjo DNA:sta proteiineihin ja lääkkeisiin Aiemmin laboratorion perustyökalu oli koeputki ja soluja viljeltiin maljalla. Laboratorioautomaation myötä otettiin käyttöön mikrotitterilevyt, joiden avulla voitiin suorittaa 96:ta, 384:ää ja sittemmin jopa 1 596:ta analyysiä yhtä aikaa. Seuraava askel miniatyrisaatiossa oli mikrosiru, jossa yhdellä kertaa suoriudutaan jopa kymmenistätuhansista analyyseistä. Sana mikrosiru tai biosiru rinnastetaan usein vain geenien ilmentymisen tutkimukseen DNA-siruilla (ks. Monni ym., tässä numerossa). Sirutekniikat tarjoavat kuitenkin paljon enemmän. Periaatteessa melkein mikä tahansa laboratoriomenetelmä voidaan muuttaa sirumuotoon, jossa yhden molekyylin tai näytteen sijasta tutkitaan tuhansia molekyylejä tai näytteitä rinnakkain. Edellytys sirumuotoiselle analyysille on se, että toinen reaktion osapuolista siirretään kiinteään faasiin, esimerkiksi mikroskooppilasille suihkutettuun nanolitran kokoiseen nestepisaraan. Mikroskooppilasille on valmistettu biosiruja mitä moninaisimpien molekyylien ja näytteiden analyysiin (taulukko 2). DNA-mikrosirujen käyttöalue on toistaiseksi kaikkein laajin (Monni ym., tässä numerossa). DNA-sirujen maailmanmarkkinoiden kasvu on ollut viime vuosina 1150 O. Kallioniemi

3 Taulukko 2. Esimerkkejä erilaisista sirumuotoon kehitetyistä seulontamenetelmistä. Sirulle sijoitettu cdna Oligonukleotidit CpG-geenijaksot Genomiset BAC- ja PAC-kloonit Vasta-aineet Antigeenit Peptidit, proteiinit, ligandit, reseptorit, entsyymit, oligosakkaridit, lääkeaineet, muut molekyylit Solut Kudokset Analyysin tarkoitus Geenien ilmentyminen mrna-tasolla Geenien ilmentyminen mrna-tasolla, geenivariantit, mutaatiot, SNP:t Genomin metylaatio Geneettiset muutokset, vertaileva genominen hybridisaatio, transkriptiotekijöiden tutkimus, DNA:n ja proteiinien vuorovaikutukset Proteiinien pitoisuudet Autovasta-aineet Proteiinien vuorovaikutukset keskenään ja muiden molekyylien kanssa, entsyymien ja lääkkeiden kehittäminen Solujen toimintojen tutkimus in vitro, lääkemolekyylien seulonta ja vaikutusten tutkimus solutasolla DNA-, RNA- tai proteiinimolekyylien kartoitus in situ esim. potilasnäytteissä tai koe-eläinmalleissa cdna = komplementaarinen DNA, CpG = nukleotidit 5 CG-3 osana pidempää DNA-sekvenssiä, BAC = bacterial artifical chromosome, PAC = P1-derived artifical chromosome, SNP = single nucleotide polymorphism yli 100 %, ja se saavutti miljardin dollarin rajan vuonna Koska monien biologisten ilmiöiden säätely ei tapahdu transkriptiotasolla, täydentää proteiinitasojen ja niiden toiminnan (esim. fosforylaatio, interaktiot) tutkimus olennaisesti DNA-mikrosiruilla saatuja tuloksia (Madoz-Gurpide ym. 2001, Mouradian 2002, Baumann ja Meri tässä numerossa). Tulevaisuudessa toivotaan päästävän proteomiikassa ja muilla sirutekniikoilla geenisiruanalyysin kattavuuteen ja helppouteen (Lee 2001). Biosirutekniikat proteomiikassa, lääkekehitystyössä ja biolääketieteen eri aloilla ovat vasta varhaisessa kehitysvaiheessa, mutta niiden mahdollisuudet ovat merkittävät. Useimmiten DNA:n, RNA:n tai proteiinien seulonta tuottaa tulokseksi satoja ellei tuhansia varhaisvaiheen johtolankoja. Tällaisia voivat olla esimerkiksi tiedot geeneistä tai proteiinimolekyyleistä, joiden ilmentyminen tiettyä tautia sairastavien kudoksissa on muuttunut. Tämä ei vielä auta ymmärtämään kyseisten geenien tai proteiinien biologista roolia ja kliinistä merkitystä. Esimerkiksi DNA-mikrosiruilla saatujen tulosten tulikinnasta, varmistamisesta ja hyödyntämisestä onkin muodostunut uusi tutkimuksen pullonkaula. Bioinformatiikka auttaa tuottamaan DNA-sirutiedon perusteella työhypoteeseja ja poimimaan parhaat ehdokasmolekyylit jatkotutkimuksiin, mutta kuinka kukaan pystyy tutkimaan tuhannen löydetyn uuden geenin toimintaa tai kliinistä merkitystä? Näitä jatkotutkimuksia varten tarvitaan uudenlaisia biosirumenetelmiä, kuten solu- ja kudossiruja (Taylor ym. 2001, Ziauddin ja Sabatini, 2001, Mousses ym. 2002). Solusirut: teollista solubiologiaa Solujen toimintaa ei voida ymmärtää tai mallintaa matemaattisesti pelkkien RNA- tai proteiini-molekyylien ilmentymisen perusteella. Solu on yksinkertaisesti paljon monimutkaisempi kuin osiensa (molekyyliensä) summa. Molekyylien seulontatutkimukset sirutekniikoilla tuottavat yleensä tulokseksi korrelaatioita, joilla voi jo sinänsä olla välitöntä diagnostista merkitystä. Tieteellisen tutkimuksen ja lääkekehityksen kannalta on kuitenkin välttämätöntä selvittää syysuhteita. On varmistettava, että löydetty uusi geeni koodittaa proteiinia, joka toimii spesifisen signaalinvälitysketjun varrella ja on tutkittavan solutoiminnon kannalta keskeinen. Kun testattavia geenejä tai molekyylejä on satoja tai tuhansia, tarvitaan uudenlaisia menetelmiä solutason testeiksi. Solusirutekniikka on yleisnimi- Geenisiruista biosiruihin: uuden biotekniikan haasteet ja mahdollisuudet 1151

4 tys erilaisille tutkimusmenetelmille, joita käytetään genomitason solubiologiseen testaukseen. Kehitteillä on lukuisia erilaisia solusirumenetelmiä, joista kuvassa 1 on esitetty esimerkinomaisesti eräs hiljattain julkaistu (Ziauddin ja Sabatini 2001). Mikroskooppilasille asetetaan sirumuotoon geenikirjasto, joka on kloonattu sopivaan vektoriin geenien ilmentämiseksi soluissa. Solut asetetaan kasvamaan geenisirun päälle, jolloin geenit siirtyvät solujen sisään ja koodittavat vastaavaa proteiinia. Menetelmän avulla voidaan tutkia samanaikaisesti yksi kerrallaan jopa tuhansien geenien merkitystä solun toiminnan tai ilmiasun kannalta. Vaikka menetelmä pohjautuu geenisirujen valmistukseen, sillä saatavat tulokset eroavat merkittävästi tavallisen geenisiruanalyysin tuloksista. Solusirumenetelmillä saadaan tietoa geenien ilmentymisen seuraamuksista, ei pelkästään ilmentymistasoista. Solusirumenetelmillä saadut tiedot tulevat olemaan keskeisessä asemassa molekyylitason korrelaatioiden ja bioinformaation avulla luotujen hypoteesien muuttamisessa solubiologisesti testatuksi tutkimustiedoksi. Solusirut soveltuvat erinomaisesti myös lääkekehitykseen. Lääkemolekyylien vaikutusta terapeuttisiin kohdemolekyyleihin (ks. Porkka ja Laakkonen, tässä numerossa) on totunnaisesti tutkittu liuosmuodossa molekyylitason seulonnalla (high-throughput screening). Solusirut mahdollistavat lääkeaineiden seulomisen ja vaikutusten testaamisen solutasolla (Taylor ym. 2001). Solusirut onkin jo otettu käyttöön lääketeollisuudessa uutena työvälineenä. Kudossirut: biosirut kliinisten näytteiden tutkimuksessa Kudokset koostuvat eri solutyypeistä, joiden vuorovaikutukset ovat keskeisiä mm. kehityksen, kasvun, vanhenemisen ja tautien synnyn kannalta. Siten geenien tai proteiinien ilmentymisen muutokset vaativat usein jatkoselvittelyä kudostasolla potilasnäytteistä in situ -tekniikoilla. Kudosnäytteiden preparointi, värjäys ja analyysi totunnaisin menetelmin on kuitenkin työlästä silloin, kun tutkittavia geenituotteita on sadoittain. Kudossirutekniikka (Kononen ym. 1998, Kallioniemi ym. 2001) mahdollistaa satojen kudosnäytteiden nopean analyysin. Kudossiruja valmistettaessa kudosnäytteistä otetaan histologisesti edustavalta alueelta noin puolen millimetrin läpimittainen»biopsianäyte» ja se siirretään kudossirublokkiin, johon saadaan mahtumaan näytettä. Sirublokista voi- Kuva 1. Solusiruanalyysi Ziauddinin ja Sabatinin (2001) tekniikan avulla. Mikroskooppilasille asetetaan ensin tutkittavien geenien kloonit. Geenisiru siirretään soluviljelymaljalle, ja solut asetetaan kasvamaan geenisirun päälle (A). Geenit siirtyvät transfektiotapahtumassa solujen sisään ja koodittavat haluttua kohdeproteiinia. Esimerkissä solut ilmensivät vihreää fluoresenssia tuottavaa GFP-proteiinia (B). Sadoissa sirun pisteissä voidaan kussakin»syöttää» soluille eri geeni tai muu biomolekyyli ja tutkia tämän aikaansaamia muutoksia esimerkiksi solujen toiminnassa, signaalinvälityksessä tai lääkeaineherkkyydessä O. Kallioniemi

5 daan leikata mikrotomilla miltei identtistä leikettä spesifisten DNA-, RNA- tai proteiinimolekyylien in situ -testaukseen (kuva 2). Yhdessä analyysissä kerättävän tiedon määrä voi siis kasvaa jopa viisisataakertaisesti vanhempiin menetelmiin verrattuna. Kudossiruja voidaan käyttää terapeuttisten kohdeproteiinien ja diagnostisten merkkiaineiden tutkimuksiin laajoissa, epidemiologisesti tai kliinisesti informatiivisissa kudosmateriaaleissa, erityisesti syövän tutkimuksessa (Hoos ja Cordon-Cardo 2001, Kallioniemi ym. 2001, Ristimäki ym. 2002). Kudossiruja ovat rakentamassa sadat tutkimusryhmät eri puolilla maailmaa, ja niitä on ostettavissa lukuisilta kaupallisilta toimittajilta. Parhaimmillaan kudossirut olisivat arvokkaiden, hyvin karakterisoitujen kliinisten aineistojen tutkimuksessa, esimerkiksi kliinisten lääkekokeiden yhteydessä. Tällaisista aineistoista mitatut kudosten molekyylitason ominaisuudet voidaan suoraan muuttaa kliinisesti hyödynnettäviksi hoitovaste- ja ennustekorrelaatioiksi. Kudossirututkimukset täydentävät esimerkiksi genomiikan ja proteomiikan avulla saatavia tutkimustuloksia ja mahdollistavat parhaiksi todettujen geenituotteiden tutkimukset murtoosassa siitä ajasta, joka kuluisi vastaavien näyteaineistojen analysoimiseen tavanomaisten immuno- tai molekyylipatologian menetelmien avulla. Kudossiruanalyysit tulevat mm. osoittamaan sen, kannattako tulevaisuuden syöpädiagnostinen profilointi tehdä geenin DNAsirulla vai kenties muutamalla kymmenellä tarkoin valitun geenituotteen immuunivärjäyksellä. Kudossirutekniikka on samalla esimerkki siitä, kuinka»sirustrategiaa» voidaan soveltaa täy- Kuva 2. Kudossirutekniikan periaate (Kononen ym. 1998). Analyysin lähtöaineistona toimivat kudosnäytteet ovat tavallisesti formaliinilla fiksoituja ja parafiiniin valettuja kudosblokkeja (1), joista kudossirujen valmistukseen käytettävä laite ottaa»biopsianäytteen» ja siirtää sen kudossirublokkiin (2). Kudosnäytteiden halkaisija on yleensä noin 0,5 mm. Yhdestä kudossirublokista voidaan leikata mikrotomilla noin 200 lähes identtistä leikettä (3), joissa kussakin tutkittavat kudokset ovat samoissa kohdissa sirua. Perättäisistä kudossiruleikkeistä voidaan tutkia kudosten morfologiaa ja spesifisten DNA-, RNA- tai proteiinimolekyylien ilmentymistä. Tulokset on mahdollista korreloida kudospistettä vastaavien potilaiden taudinkuvaan, esimerkiksi hoitovasteeseen tai ennusteeseen. Geenisiruista biosiruihin: uuden biotekniikan haasteet ja mahdollisuudet 1153

6 sin uusilla alueilla, tässä tapauksessa patologiassa. Tulevaisuudessa kehitetään varmasti vastaavia sovelluksia muunkintyyppisten kliinisten näytteiden analysoimiseksi sirumuodossa. Laboratoriosirut: kliininen laboratorio sirumuodossa Kaikkia laboratoriotutkimuksia ei voida siirtää suoraan sirumuodossa tehtäviksi. Esimerkiksi DNA:n sekvenoinnissa verinäytteestä tarvitaan monia eri vaiheita, esimerkiksi valkosolujen hajottamista, DNA:n eristämistä, polymeraasiketjureaktiota ja molekyylien elektroforeettista erottelua. Laboratoriosirut ovat biosirujen ja nanotekniikan välimaastoon sijoittuvia, vielä kehityksen alkuvaiheessa olevia tutkimusvälineitä. Näille siruille voidaan rakentaa mikroskooppiseen kokoon esimerkiksi näyteliuoksen (veri, seerumi, proteiini, DNA-näyte tms.) esikäsittely, elektroforeesi ja tulosten analyysi (Khandurina ja Guttman 2002, Kriscka 2002, Mouradian 2002). Laboratoriosiruja voidaan soveltaa myös mm. diagnostiseen verisolulaskentaan tai lääkeaineiden seulontaan minikokoisissa soluviljelmissä. Alan yritykset ovat kehittäneet mitä mielikuvituksellisimpia tekniikoita ja sovelluksia. Esimerkiksi CD-levyn valmistustekniikalla voidaan tuottaa halvalla ja nopeasti kullekin levylle satoja mikroskooppisia laboratoriosiruja, joissa näytenesteiden ja reagenssien kulkua ohjaillaan levyä pyörittämällä ja tulokset luetaan laserpohjaisella CD-lukijalla. Suomessakin on kehitetty nopeita partikkelitekniikkaan pohjautuvia menetelmiä, joiden avulla monipuoliset kliiniset laboratorioanalyysit voidaan suorittaa nopeasti nanolitrojen nestetilavuuksissa (Hänninen ym. 2001). Lupaava pikadiagnostinen vaihtoehto ovat myös bioelektroniset sensorit, joilla molekyyli-interaktiot luetaan suoraan sähkövirran muutosten avulla. Mikroskooppisen laboratorioautomaation rakentamisessa on suuria haasteita nesteiden viskositeetin ja pintajännityksen takia. Pieni reaktiotilavuus tarjoaa kuitenkin suuria etuja. Normaalisti tunteja kestävistä analyyseistä voidaan suoriutua kymmenissä sekunneissa. Vierekkäisiä»laboratorioita» saattaa olla satoja yhdellä sirulla, jolloin rinnakkain suoritetaan samanaikaisesti lukuisia analyysejä ja saavutetaan tyypilliset sirustrategian edut. Laboratoriosiruanalyysi mahdollistaisi periaatteessa kokonaisen diagnostisen testipatterin siirron keskuslaboratoriotasolta lähemmäs potilasta tai lääkäriä, kuten vastaanottohuoneeseen tai osastolle. Uusien tekniikoiden tuottamat tulokset tulevat tietoon muutamissa minuuteissa, mikä mahdollistaisi tulevaisuudessa esimerkiksi lääkehoidon valinnan ja annosten määrityksen potilaan geenistön tai proteiinien perusteella vastaanottotilanteessa. Uuden biotekniikan haasteet suomalaiselle tutkijayhteisölle Biosirutekniikat avaavat biolääketieteelliselle tutkimukselle ja tulevaisuuden kliiniselle diagnostiikalle huimia näkymiä, joista tässä on ollut mahdollista esittää vain muutamia esimerkkejä. DNA-sirutekniikan suosio osoittaa, kuinka muutamassa vuodessa voi syntyä uusi, maailmanlaajuista mielenkiintoa herättävä tieteenala, josta julkaistaan tuhansia artikkeleja vuodessa. Biosirutekniikat havainnollistavat muutenkin erinomaisesti nykyaikaisen biotekniikan nopeaa kehitystä. Tärkeämpää kuin yksittäiset menetelmät ja niiden hyödyntämismahdollisuudet ovat kuitenkin merkittävät periaatteelliset muutokset. Tutkimuksen strategiat uusiutuvat, laaja-alaiset lähestymistavat yleistyvät ja bioinformaation määrä kasvaa eksponentiaalisesti. Biologian alallakin voidaan puhua Mooren laista, kun tutkimusmenetelmien teho ja biologisten löydösten määrä kasvavat tietokoneiden tehon kasvuakin nopeammin. Uusia tekniikoita keksitään kiihtyvällä tahdilla, ja ne lisäävät läpimurtohavaintojen todennäköisyyttä. Lupaavimpienkin menetelmien, tutkimusstrategioiden tai kokonaisten tutkimusalojen elinkaari on samalla lyhentynyt. Tutkimusyhteisön kyky ennakoida tulevaa kehitystä ja reagoida muutoksiin on keskeinen kilpailuetu. Parhaat tulokset saadaan muutaman ensimmäisen vuoden aikana uuden tekniikan tai alkuperäisjulkaisun ilmestymisestä viiden vuoden ku O. Kallioniemi

7 luttua aletaan toistaa aiemmin julkaistuja havaintoja. Parhaillaan ollaan luomassa genomiprojektin jälkeistä»uutta» biologiaa ja lääketiedettä mm. sirutekniikoiden avulla. Tämä vaihe tapahtuu vain kerran ihmiskunnan historiassa, ja sen pohjalta luotavaan tietoon rakentuvat kenties koko vuosisadan biotieteiden, lääketieteen ja alan teollisuuden tulevaisuus. Biotieteiden alan tutkimushavaintoja tehdään tulevaisuudessa yhtä lailla akateemisissa laboratorioissa kuin suurissa biotekniikkayritysten toimes- samoista resursseista. Uusiutumiskyvyn puute on yleiseurooppalainen ongelma ja yksi syy siihen, miksi yhdysvaltalaiset yliopistot ja tutkimuslaitokset ovat saaneet etumatkaa eurooppalaisiin kilpailijoihin nähden tässä biotekniikan murrosvaiheessa. Infrastruktuurin kohentaminen. Suomessa suunnataan kiitettävästi varoja tutkimukseen, mutta entistä suurempi osa rahoituksesta kohdistetaan tutkimusprojektien kuluihin eikä infrastruktuurin kohentamiseen luvun»koe- ta. Miten suomalaisen putkiajan» laitteistoilla tutkimuksen ja biotekniikan Laboratoriosiruanalyysi ei menestytä enää teollisuuden on mahdollista pysyä kilpailussa mukana? Seuraavassa mahdollistaisi periaatteessa kokonaisen diagnostisen testipatterin siirron keskuslaboratoriotasolta luvun biosirujen, nanotekniikan ja bioinformatiikan maailmassa. neljä»tiedepo- lähemmäs potilasta tai lääkäriä. Tärkeää olisi sijoittaa liittista» ehdotusta: varoja laboratoriolaitteiden Koulutus ja urakehitys. Uuden muutosvaiheen hahmottamiseksi tarvitaan sekä nuorten että varttuneiden tutkijoiden kouluttamista. Nuoria tutkijoita pitäisi lähettää määrätietoisesti uusien»postgenomisten» painopistealojen koulutukseen ja tarjota heille mahdollisuudet hyödyntää sen jälkeen oppejaan Suomessa. Nykyään tutkijat tahtovat ulkomaisia koulutuspaikkoja hakiessaan pikemminkin seurata historiallisia yhteistyöperinteitä kuin etsiä uusia oppeja ja tutkimusaloja. Myös tutkijoiden meritoitumisen arvioinnissa kannustetaan lähinnä konservatiivisia tutkijoita, jotka pysyvät pitkäjänteisesti omalla alallaan eivätkä heittäydy nopeasti uusiin haasteisiin. Suomalaisen tutkimusyhteisön pitäisi pystyä myös rekrytoimaan tutkijoita ulkomailta tuomaan maahan uutta osaamista. Tiedeyhteisön muutosvalmius. Yliopistoissa, tutkimuslaitoksissa ja tutkijayhteisöissä tarvittaisiin muutosvalmiutta, uudenlaista laajakatseista ja innovatiivista ajattelua, eri alojen välistä yhteistyötä sekä kykyä kehittää uusia tekniikoita. Yliopistoillamme ei tahdo olla kykyä ja mahdollisuuksia vastata alati vaihtuviin uusiin haasteisiin. Tutkimusvarat ja -virat ovat yleensä 100-prosenttisesti sidottuja vuosiksi eteenpäin, ja vakiintuneet alat ja uudet yksiköt kilpailevat uusimiseen, var- sinkin automaation ja robotiikan tuomiseen suomalaisiin tutkimuslaboratorioihin. Bioinformatiikan kulta-ajasta huolimatta jopa tietokonehankinnat katsotaan yliopistoissamme usein sopimattomiksi tutkimusinvestoinneiksi. Tutkimus edellyttää tulevaisuudessa yhä enemmän laitekannan jatkuvaa uusimista ja kykyä tarrata strategisiin uusiin mahdollisuuksiin entistä aiemmassa vaiheessa. Paitsi laitteistojen jatkuvaa ajanmukaistamista tarvitaan tekniikoiden omaehtoista kehittämistä ja hyödyntämistä myös siinä vaiheessa, kun kaupallisia laitteita ei vielä ole saatavilla. Painopistealueiden luonti. Paradoksaalisesti ehkä vaikein haaste biotekniikan kilvassa on välttää»perässä juokseminen». Jotta emme ajautuisi»minä myös» -tutkimukseen, on strategiset alat ja vahvuudet tunnistettava. Keinoja vastata tulevaisuuden haasteisiin löytyy varmasti ainakin poikkitieteellisellä yhteistyöllä, esimerkiksi kliinisten sovellusten tutkimuksessa (diagnostiikka ja lääkekehitys) sekä informatiikan yhdistämisessä uuteen biologiaan. Maassamme on pitkät perinteet epidemiologisessa ja kliinisessä tutkimuksessa, mahdollisuus laajojen, korkeatasoisten tutkimusaineistojen käyttöön ja erinomaista osaamista mm. informaatiotekniikan alalla. Geenisiruista biosiruihin: uuden biotekniikan haasteet ja mahdollisuudet 1155

8 Loppupäätelmät Biosirut ovat biotekniikan painopisteala, joka tuo aivan uusia mahdollisuuksia ja myös isoja haasteita suomalaiselle tutkimusyhteisölle. On vain ajan kysymys, milloin biosirutekniikat siirtyvät tutkimuslaboratorioista kliinisiin laboratorioihin. Lähitulevaisuudessa saatamme suorittaa potilasnäytteestä nopeasti kattavan genomi-, transkriptomi- tai proteomitason analyysin sirutekniikalla. Tekniset esteet ovat entistä vähemmän laboratoriolääketieteen kehityksen tiellä. Isompi haaste ja rajoite on siinä, kuka pystyy tulkitsemaan ja hyödyntämään potilasnäytteistä kerättävissä olevien miljoonien havaintojen joukon. Tarvitsemmeko esimerkiksi»kliinisen bioinformaatiikan» spesialisteja, vai jätetäänkö tilanteen tulkinta tietokoneelle ja opetetuille neuroverkoille? Kenties potilas tulevaisuudessa kantaa mukanaan pientä henkilökohtaista biosirulaboratoriota, josta välitetään lääkärille ja potilaan bioinformaattiselle työasemalle tietoa elimistön molekyylitasapainosta. Kuinka voivat tänään potilaasi genomi ja proteomi? Kirjallisuutta Hoos A, Cordon-Cardo C. Tissue microarray profiling of cancer specimens and cell lines: opportunities and limitations. Lab Invest 2001;10: Hänninen P, Soini A, Meltola N, Soini J, Soukka J, Soini E. A new microvolume technique for bioaffinity assays using two-photon excitation. Nature Biotech 2000;18: Kallioniemi OP, Wagner U, Kononen J, Sauter G. Tissue microarray technology for high-throughput molecular profiling of cancer. Hum Mol Genet 2001;7: Khandurina J, Guttman A. Bioanalysis in microfluidic devices. J Chromatogr A 2002;18: Kononen J, Bubendorf L, Kallioniemi A, ym. Tissue microarrays for highthroughput molecular profiling of tumor specimens. Nat Med 1998;7: Kricka LJ. Microchips, microarrays, biochips and nanochips: personal laboratories for the 21st century. Clin Chim Acta 2001;307: Lee KH. Proteomics: a technology-driven and technology-limited discovery science. Trends Biotechnol 2001;19: Madoz-Gurpide J, Wang H, Misek DE, Brichory F, Hanash SM. Protein based microarrays: a tool for probing the proteome of cancer cells and tissues. Proteomics 2001;1: Mouradian S. Lab-on-a-chip: applications in proteomics. Curr Opin Chem Biol 2002;6:51 6. Mousses S, Kallioniemi A, Kauraniemi P, Elkahloun A, Kallioniemi OP. Clinical and functional target validation using tissue and cell microarrays. Curr Opin Chem Biol 2002;6: Phelps TJ, Palumbo AV, Beliaev AS. Metabolomics and microarrays for improved understanding of phenotypic characteristics controlled by both genomics and environmental constraints. Curr Opin Biotechnol 2002;13:20 4. Ristimäki A, Sivula A, Lundin J, ym. Prognostic significance of elevated cyclooxygenase-2 expression in breast cancer. Cancer Res 2002;62: Taylor DL, Woo ES, Giuliano KA. Real-time molecular and cellular analysis: the new frontier of drug discovery. Curr Opin Biotechnol 2001;12: Ziauddin J, Sabatini DM. Microarrays of cells expressing defined cdnas. Nature 2001;411: OLLI KALLIONIEMI, tutkimusprofessori okalli@nhgri.nih.gov Translational Genomics Section, Cancer Genetics Branch, National Human Genome Research Institute, National Institutes of Health 50 South Drive Building 50, Room 5318, MSC 8000 Bethesda, MD ja VTT-Biotekniikka, Lääkekehityksen Biotekniikka PharmaCity, Itäinen Pitkäkatu Turku 1156