Seeprakala tuberkuloosin tautikirjon tutkimusmallina

Alkaa
Alkaa kello
12.00
Paikka

Arvo-rakennus, keltainen sali F025, Arvo Ylpön katu 34

Milka Hammarén

FM Milka Hammarénin väitöstilaisuus

Zebrafish Model for Studying the Disease Spectrum of Tuberculosis (Seeprakala tuberkuloosin tautikirjon tutkimusmallina)

Väitöskirja kuuluu kokeellisen immunologian alaan.

Vastaväittäjänä on professori Pentti Huovinen (Turun yliopisto). Kustoksena toimii dosentti Mataleena Parikka.

Väitöstilaisuuden kieli on suomi.

Seeprakala tuberkuloosin tautikirjon tutkimusmallina

Tuberkuloosi on yksi maailman tappavimmista tartuntataudeista: vuosittain 1,8 miljoonaa ihmistä kuolee Mycobacterium tuberculosis -mykobakteerin eli tuberkuloosibakteerin aiheuttamaan tautiin. Tuberkuloosibakteeri tarttuu hengitysilman välityksellä, ja sille altistuminen voi johtaa vakavaan, välittömään infektioon tai piilevään, oireettomaan tautiin, joka saattaa kuitenkin aiheuttaa vakavan taudin jopa vuosikymmenien hiljaiselon jälkeen. Nykyisen tuberkuloosirokotteen, BCG:n, vajavaiseen tehoon nähden korkeiden riskien vuoksi rokotteen käyttöä on Suomessa rajoitettu, mutta BCG:tä parempaa rokotetta ei ole toistaiseksi onnistuttu kehittämään lukuisista yrityksistä huolimatta. Kehittyvissä maissa ja Itä-Euroopassa nopeasti yleistyvät, antibioottihoidoille vastustuskykyiset tuberkuloosikannat hankaloittavat taudin hoitoa enenevissä määrin. On todennäköistä, että antibiooteille vastustuskykyiset tuberkuloosikannat tulevat lähivuosina aiheuttamaan vaikeasti hoidettavia infektioita myös Suomessa.

Tuberkuloosi-infektioiden ehkäisyyn ja hoitoon tarvitaan kipeästi uusia keinoja.  Uudentyyppisten rokotteiden ja hoitojen kehittämiseen tarvitaan yksityiskohtaista tietoa taudilta suojaavien puolustusmekanismien eli immuunivasteiden luonteesta. Koska tuberkuloosibakteerien ja ihmisen immuunijärjestelmän solujen yhteispeli vaikuttaa infektion kulkuun monimutkaisella tavalla, laajojen tutkimuskysymysten selvittely edellyttää tarkoituksenmukaisten eläinmallien käyttöä. Tätä väitöstutkimusta varten olen kehittänyt tutkimusvälineitä ja -menetelmiä, joiden avulla voidaan hyödyntää kotiakvaarioistakin tutun seeprakalan (Danio rerio) Mycobacterium marinum -infektiota ihmisen tuberkuloosi-infektion mallina.

M. marinum on kalatuberkuloosia aiheuttava bakteeri, joka on läheistä sukua ihmisen tuberkuloosibakteerille. Tässä väitöskirjatyössä havaittiin aikuisen seeprakalan M. marinum -infektion muistuttavan läheisesti ihmisen M. tuberculosis -infektiota. Infektion seurauksena kalan sisäelimiin muodostui tuberkuloosissa nähtäviä tyypillisiä tautipesäkkeitä, granuloomia, jotka olivat rakenteiltaan lähempänä ihmisen tuberkuloosissa muodostuvia granuloomia kuin esimerkiksi hiirimallissa nähtävät tautipesäkkeet. Pienen mykobakteerimäärän siirtäminen kalaan aiheutti ihmisväestössäkin tyypillisesti kehittyvän laajan tautikirjon: n. 10 % kaloista kykeni välttämään infektion, n. 10 % sai välittömän, oireisen infektion, n. 65 % kehitti piilevän infektion ja n. 15 % itsekseen uudelleen aktivoituneen taudin piilevän vaiheen jälkeen. Piilevää infektiota kantavista kaloista pystyttiin ensi kertaa todentamaan uinuvia eli lepotilassa olevia mykobakteereja tarkoitusta varten kehittämiemme menetelmien avulla. Kun kalojen immuunipuolustusjärjestelmää heikennettiin ohimenevästi, piilevä tauti aktivoitui, ja lepotilaiset bakteerit alkoivat jälleen jakaantua. Seeprakalamallissa voidaan näin ollen tutkia tuberkuloosin koko tautikirjoa ja sen muodostumiseen ja hoidettavuuteen vaikuttavia sisäsyntyisiä ja ympäristötekijöitä.

Pystyimme myös osoittamaan, että tehokkaasta ja kohdennetusta immuunipuolustuksesta vastuussa olevat T-solut olivat keskeisessä asemassa kalan mykobakteeri-infektion hallinnassa. Havaitsimme, että T-solujen määrä ja tyyppi vaikuttivat keskeisesti yksilön kykyyn rajoittaa mykobakteerien kasvua. Tutkimusasetelmamme yhdisti erityisesti Th2-tyyppiset solut mykobakteeri-infektiolta suojautumiseen. Löydös oli yllättävä, sillä tuberkuloositutkimus ja -diagnostiikka on perinteisesti keskittynyt toiseen T-solutyyppiin, Th1-soluihin. Tiedetään, että elimistön korkeat mykobakteerimäärät piilevässä tuberkuloosi-infektiossa lisäävät oireisen taudin puhkeamisen eli reaktivaation riskiä. Mykobakteerimäärien mittaaminen piilevää infektiota sairastavista ihmisistä ei kuitenkaan ole mahdollista. Koska Th2-vaste oli luotettavasti yhteydessä taudin vakavuuteen, mykobakteerimääriin ja reaktivaatioriskiin kalan piilevässä mykobakteeri-infektiossa, Th2-vasteiden mittaaminen ihmisen verinäytteestä saattaisi tarjota lähestymistavan, jolla voitaisiin arvioida piilevän taudin reaktivoitumisriskiä. Tämän tyyppisen menetelmän avulla voitaisiin kohdentaa antibioottihoitoja niille piilevää tuberkuloosia sairastaville, joilla taudin puhkeaminen on todennäköisintä. Tulostemme valossa näyttäisi lisäksi siltä, että Th2-vasteiden mahdollista hyödyllisyyttä tuberkuloosirokotteissa olisi hyvä arvioida uudelleen.

Seeprakalamallissa testattiin myös immuunipuolustusta muokkaavia aineita, joita annosteltiin kaloihin ennen mykobakteeri-infektiota. Tarkoituksena oli löytää käsittely, joka ohjaisi immuunipuolustusta tuhoamaan mykobakteereja tehokkaammin.  Tietystä lämpökäsitellystä bakteerista valmistetun liuoksen annostelu päivää ennen M. marinum -infektiota laski mykobakteerien määrää sekä lisäsi infektoitumiselta suojautuneiden kalojen osuutta. Käsittely suojasi myös immuunipuutteisia kaloja. Käsittelyn vaikutus perustui immuunipuolustuksen lisääntyneeseen kykyyn hajottaa solunsisäisiä mykobakteereja. Löydökset ovat tärkeitä uudentyyppisten, isännän immuunipuolustusta ohjailevien hoitomuotojen kehittämisen kannalta.

Aikuisen seeprakalan M. marinum -infektio on yksinkertainen ja käyttökelpoinen malli, jossa voidaan tutkia tuberkuloosin tautikirjoa. Seeprakalamallissa useimmille kehittyy oireeton infektio, jossa nähdään myös uinuvia mykobakteereja. Se on lupaava malli, jossa voidaan tulevaisuudessa tutkia aivan uudenlaisia, piilevän infektion sekä uudelleenaktivaation estäviä rokotteita sekä etsiä uinuviin bakteereihin tehoavia hoitomuotoja. Tässä työssä kehitetyillä herkillä menetelmillä voidaan havaita sekä jakaantuvat että uinuvat mykobakteerit seeprakalan kaikista kudoksista. Seeprakalan M. marinum -infektio on näin ollen verraton työkalu tuberkuloosi-infektion täydelliseen parantamiseen tähtäävien hoitomuotojen kehittämiseen.  

                                          ******

Hammarénin väitöskirja ilmestyy sarjassa Acta Universitatis Tamperensis; 2337, Tampere University Press, Tampere 2017. Väitöskirja ilmestyy myös sähköisenä sarjassa Acta Electronica Universitatis Tamperensis; 1842, Tampere University Press 2017.