Oulun yliopisto hypoksiatutkimuksen eturintamassa

Tämänvuotinen lääketieteen Nobel-palkinto jaetaan 10. joulukuuta kolmelle solujen hypoksian eli vähähappisuuden tutkijalle. Oulun yliopiston biokemian ja molekyylilääketieteen tiedekunta on tuonut aiheeseen oman merkittävän panoksensa.

Eläinsolut tarvitsevat happea energiantuotantoon eivätkä pysy hengissä ilman sitä. Niinpä evoluutio on tuottanut soluihin molekyylitason mekanismin, joka tunnistaa hapen niukkuuden eli hypoksian ja käynnistää hypoksiavasteeksi kutsutun geneettisen ohjelman. Tähän kuuluu satoja eri geenejä, joiden toiminta auttaa soluja selviytymään vähähappisissa olosuhteissa.

Hypoksiavasteen – tieteen kielellä HIF-vasteen – fysiologisia vaikutuksia on havainnoitu jo 1900-luvun alussa: vähähappisessa ympäristössä esimerkiksi veren punasolujen määrä ja hemoglobiini nousevat. Vaikutuksia on hyödynnetty mm. vuoristoparantoloissa ja urheilijoiden korkean paikan leireillä, vaikkei niiden aiheuttajaa olekaan tunnettu.

Mekanismeista saatiin vihiä geeniteknologian kehittymisen myötä 1990-luvun alussa, kun vähähappisuuden huomattiin johtavan tiettyjen geenien aktivoitumiseen. Seuraavaksi, 1995, löydettiin hypoksiavasteen käynnistävä transkriptiotekijä – proteiini, joka aktivoi vasteen geenit, kun sen hajoaminen lakkaa hapen ehtyessä. Vuonna 2001 löytyi solujen ”happisensori”, entsyymien perhe, jonka toiminta hiipuu hypoksiassa, mikä puolestaan johtaa transkriptiotekijän vakauteen.

Viimeisin virstanpylväs on lääke, joka estää happisensorin eli HIF-entsyymien toiminnan. Lääke toisin sanoen erehdyttää solun luulemaan, että se kärsii hapenpuutteesta, jolloin tuloksena on hypoksiavaste. Lääkkeen ensisijainen käyttöaihe on vaikea anemia: siinä happea kuljettavien punasolujen määrä vähenee, kun taas yksi hypoksiavasteessa aktivoituvista geeneistä tuottaa punasolujen kasvutekijää erytropoietiinia (joka myös dopingaine EPOna tunnetaan). Ensimmäiset myyntiluvat lääkkeelle myönnettiin joulukuussa 2018, ja se on jo myynnissä Kiinassa ja Japanissa.

Vuoristoparantoloista alkanut matka on ollut pitkä ja huipentuu tämänvuotiseen lääketieteen Nobel-palkintoon. Sen varrella mukaan on liittynyt myös Oulun yliopisto.

 

Happisensorin entsyymit valmistettiin Oulussa ensimmäisenä maailmassa

Oulun yliopiston rooli hypoksiatutkimuksessa juontaa juurensa neljän vuosikymmenen taakse ja eri aihepiiriin, akatemiaprofessori Kari Kivirikon kollageenitutkimuksiin. Kivirikon luotsaamat tutkimukset kollageenista, sidekudosten yleisimmästä proteiinista, kohottivat Oulun alan kärkeen jo 1970-luvulla. 90-luvulla aiheen parissa työskentelivät myös Peppi Karppinen ja Johanna Myllyharju.

”Täällä oli kärkitietämys kollageenin muodostumista säätelevästä entsyymistä”, molekyylibiologian professori Myllyharju kertoo. ”Kun ensimmäiset happisensorientsyymit havaittiin Oxfordissa vuonna 2000, niiden huomattiin olevan yllättävän samankaltaisia kuin kollageenientsyymit. Oxfordissa tiedettiin, että Oulussa on tutkittu kollageenientsyymejä, ja he pyysivät meitä testaamaan, mahtavatko ne vaikuttaa hypoksiavasteeseen.”

Tulos oli negatiivinen – ja johti läpimurtoon. ”Se oli lähtökohta sille, että he alkoivat etsiä muita samankaltaisia entsyymejä. Ja 2001 löytyi kokonainen uusi entsyymiperhe.”

Tietämys vastaavanlaisista kollageenientsyymeistä valjastettiin Oulussa heti hypoksiavasteen tutkimukseen. Pian Myllyharju ja Karppinen valmistivat ensimmäisinä maailmassa HIF-entsyymit ns. rekombinantteina – kloonaamalla entsyymiä tuottava ihmisgeeni ja siirtämällä se hyönteissoluun. Tämä mahdollisti entsyymien tuottamisen ja niiden ominaisuuksien tutkimisen. Lisäksi osoitettiin monen tutkijan ja julkaisun voimin, että HIF-entsyymien toiminta hiipuu hapen vähetessä, jolloin syntyy hypoksiavaste.

Molemmat saavutukset tarjosivat työkaluja lääkekehitykselle. Nyt markkinoille tullut hypoksiavasteen tuottava lääke eli HIF-prolyylihydroksylaasiestäjä on yhdysvaltalaisen FibroGen-yhtiön kehittämä. Myös FibroGen kytkeytyy Ouluun ja Kari Kivirikkoon.

”Yhtiön perustaja halusi kehittää lääkkeitä sidekudossairauksiin ja otti 1993 yhteyttä Kivirikkoon, koska tämä oli sidekudoksen muodostumista ohjaavien kollageenientsyymien paras asiantuntija. Seurauksena oli Oulun yliopiston tutkimusyhteistyösopimus uuden firman kanssa, ja 1994 FibroGenista tuli tutkimusprojektiemme osarahoittaja”, Myllyharju kertoo.

Kollageenientsyymit olivat FibroGen-yhteistyön ytimessä vuoteen 2001 asti. Sen jälkeen rinnalle tulivat HIF-entsyymit. FibroGenilla oli jo kollageenia sääteleviä kollageeniprolyylihydroksylaasiestäjiä, joita oululaistutkijat alkoivat testata HIF-entsyymeihin, ja FibroGen sai etumatkan muihin lääkevalmistajiin nähden.

Näine meriitteineen Oulun yliopistolla on vankka asema kansainvälisessä hypoksiatutkimusyhteisössä.

”Täällä ollaan eturintamassa toistenkin suulla sanottuna”, Peppi Karppinen, biokemian ja molekyylilääketieteen tiedekunnan nykyinen dekaani, toteaa. ”Meillä on menetelmiä, joita muilla ei ole, kuten entsyymien aktiivisuuden mittaaminen ja rekombinanttientsyymien tuottaminen.”

Tiedekunnassa työskentelee viitisenkymmentä hypoksiatutkijaa Myllyharjun, Karppisen ja Thomas Kietzmannin tutkimusryhmissä. Karppinen ja Myllyharju ovat myös tehneet yhteistyötä Nobelilla palkittavien Peter Ratcliffen (Oxford), William Kaelinin (Harvard) ja Gregg Semenzan kanssa.

”Soitin Kaelinille onnittelupuhelun, ja hän onnitteli myös meitä”, Nobel-juhlien jatkoille Tukholmaan lähtevä Karppinen kertoo ja arvioi lääkekehityksen vaikuttaneen siihen, että Nobel-palkinto tuli juuri tänä vuonna. Kaelinin ja Ratcliffen työryhmät julkistivat löydöksensä yhtä aikaa vuonna 2001, kun taas 1990-luvun löydöksistä vastasi pääosin Semenza.

 

Anemialääkkeen johdannaisista toivotaan apua muihin sairauksiin

Tutkimuksen seuraavat tavoitteet liittyvät hypoksiavasteen laajempaan ymmärtämiseen ja uusiin lääkkeisiin.

”Hypoteesina on, että vasteeseen vaikuttavia entsyymejä on lisää – mutta kyse voi olla jostain muustakin”, Myllyharju sanoo.

Anemian ohella hypoksia liittyy moniin muihinkin sairauksiin. ”Esimerkiksi infarkteissa kohdekudoksissa on hapenpuutos. Traumoissa, kuten murtumissa, katkeaa verisuonitusta, ja myös tulehduksellisissa tiloissa esiintyy hapenpuutetta. Kiinteät kasvaimet ovat yleensä hypoksisia, sillä solunjakautuminen ylittää kyvyn uusien verisuonien muodostamiseen.”

Viimeksi mainittu muodostaa erikoistapauksen, sillä useimmiten hypoksiavaste hyödyttää eliötä, mutta syöpäsolujen kyky selviytyä vähähappisissa olosuhteissa voi olla kohtalokasta. Näyttöä siitä, että hypoksiavaste aiheuttaisi syöpää tai edistäisi sen kasvua, ei kuitenkaan ole.

”Riski otettiin huomioon anemialääkkeen kehityksessä alusta alkaen”, kertoo Myllyharju. ”Kehitteillä on myös lääkkeitä, joilla hypoksiavaste voitaisiin vaimentaa syöpäsoluissa. Ne purevat eri kohtaan vastetta kuin meidän entsyyminestäjämme.”

Anemialääkkeen johdannaisista puolestaan toivotaan apua iskemioihin (kudoksen paikallinen verenpuute, joka aiheutuu esimerkiksi infarktista tai valtimon ahtaumasta), tulehdussairauksiin sekä lihavuuden ja metabolisen oireyhtymän hoitoon.

”Hypoksiavasteella on tulehdusta hillitseviä vaikutuksia, mikä tiedettiin epäsuorasti jo vuoristoparantoloissa”, Karppinen sanoo. ”Lisäksi se muuttaa aineenvaihduntaa: haitallisen kolesterolin määrä laskee, ja kun hypoksinen solu tuottaa energiaa ilman happea, energiaa syntyy vain murto-osa, mikä todennäköisesti johtaa laihduttavaan vaikutukseen.”

Nämä lääkesovellukset ovat vasta solu- ja eläinkoevaiheessa. Kehitys on kuitenkin ollut nopeaa – ja yllätyksellistä, korostaa Myllyharju.

”Kun Kari Kivirikko tutki kollageenientsyymejä 1960-luvulta lähtien, kukaan ei osannut odottaa, että 40 vuotta myöhemmin löytyy ihan uusi entsyymiperhe, jonka mekanismi on samankaltainen, mutta joka vaikuttaa eri biologiseen ilmiöön. Tämä on hyvä osoitus perustutkimuksen merkityksestä.”

Johanna Myllyharjun tutkijaprofiili

Peppi Karppisen tutkijaprofiili

 

Teksti: Jarno Mällinen
 

Pääkuva:  Johanna Myllyharju (vas.) ja Peppi Karppinen osallistuvat yhteistyökumppaniensa Nobel-juhlintaan – Karppinen Tukholmassa, Myllyharju Peter Ratcliffen kunniaksi järjestettävällä lounaalla Tukholman Ison-Britannian lähetystössä. Kuvan kaapit ovat hypoksiatyöasemia, joihin luodaan hypoksiset olosuhteet esimerkiksi solunäytteiden käsittelyä varten. (Kuva: Kulmakuvaamo/Seija Leskelä)

 

 

 

 

Viimeksi päivitetty: 10.12.2019