Tutkijoiden tähtäimessä on ihmisten hyvinvointi

Ihminen on monimuotoinen organismi, jota voidaan tekniikan avulla pilkkoa ymmärrettävämpiin osiin. Tietokoneen avulla voidaan simuloimalla ja mallintamalla tutkia ilmiöitä tai asioita, jotka tapahtuvat liian hitaasti tai nopeasti tai eivät ole vielä edes tapahtuneet. Lisäksi voidaan tutkia myös asioita, jotka ovat liian pieniä tai suuria ihmissilmän havaittavaksi.

Matemaattisten mallien tuella pystytään kehittämään hoito- ja taudinmääritysmenetelmiä, jotka pureutuvat sairauksien syntymekanismeihin. Näin erilaisia sairauksia voidaan diagnosoida, ennustaa ja hoitaa huomattavasti entistä paremmin.
 

Työkalut hiotaan teräviksi

Yksi hyvä esimerkki tästä on syöpätutkimus.

Ihmisen elimistö rakentuu soluista. Syöpä saa alkunsa geenivirheestä, kun mutaation seurauksena solu alkaa kasvaa ja jakaantua epänormaalisti.

On arvioitu, että peräti joka kolmas suomalainen sairastuu syöpään jossakin vaiheessa elämäänsä. Tekniikan kehittyminen on kuitenkin johtanut yhä tarkempiin menetelmiin tutkia genomeja ja syöpäsoluja. Näin voidaan päästä kiinni syöpien syntyyn vaikuttaviin geneettisiin taustatekijöihin ja saadaan tarkempaa tietoa sairaudesta.

Tutkimuksen tuloksena lääkärit saavat käyttöönsä työkaluja, jotka tukevat taudinmääritystä ja lääkekehitystä sekä auttavat estämään sairauksien syntyä, arvioimaan sairastumisriskejä ja hoitovaihtoehtoja.
 

Nopeus on valttia

Simuloimalla pystytään myös korvaamaan tai täydentämään kokeellista tutkimusta, silloin kun kokeet ovat liian vaikeita, kalliita tai vaarallisia.

Esimerkiksi Pilvi Ylander Turun yliopistosta tutki, kuinka biologisten näytteiden analysointia voidaan nopeuttaa matemaattisella mallinnuksella. Kun mallinnustyökaluja yhdistetään mittausmenetelmiin, voidaan näytteiden tuloksia analysoida ennustamalla. Tämä nopeuttaa taudinmääritystä selvästi.
 

Kun tietoa on liikaa

Viime vuosina kerätyn datan määrä on räjähtänyt ja tahti vain kiihtyy. Esimerkiksi EMC:n Digital Universe -tutkimus vuodelta 2014 arvioi, että vuoteen 2020 mennessä maailman datamäärä kymmenkertaistuu nykyisestä noin 4,4 biljoonasta gigatavusta 44 biljoonaan gigatavuun.

Raportin mukaan tämä tarkoittaa sitä, että jos vuonna 2013 olisi pystytetty pino tablettitietokoneista, olisi tämä pino ollut korkeudeltaan noin 2/3 maan ja kuun välisestä matkasta. Vuonna 2020 samoista tableteista kerättyjä pinoja kertyisi peräti 6,6 kappaletta vastaavalle matkalle.

Tietokoneiden ja mallien avulla pystytäänkin käyttämään täysimittaisesti hyödyksi vuosien varrella säilöttyä digitaalista tietoa ja materiaaleja, kuten esimerkiksi biopankkeja. Näistä ammennettavaa dataa voidaan jalostaa ja analysoida laskennallisen tutkimuksen avulla.

Tutkimuksen tuloksena lääkärit saavat käyttöönsä työkaluja, jotka tukevat taudinmääritystä ja lääkekehitystä.

Esimerkiksi bioinformatiikan tutkimusjohtaja Laura Elon työn lopputuloksena syntyy työkaluja, joiden avulla voidaan ennustaa yksilön sairastumisriskiä. Elon tutkimusryhmän päämäärä on löytää parempia tapoja diagnosoida ja hoitaa sairauksia kuten ykköstyypin diabetes tai eturauhassyöpä. Tutkimusryhmä yrittää kerätä tietoa, jotta lääkärit voisivat todeta lapsen diabeteksen mahdollisimman varhaisessa vaiheessa.

Kun Elo aloitti tutkijana 17 vuotta sitten, oli uutta, että pystyttiin mittaamaan kaikki geenit, jotka ihmisestä oli siihen asti löydetty. Nyt pystytään mittaamaan ihmisen kaikki geenit, myös ne, joita ei ole vielä löydetty.

– Nyt tunnustetaan aiempaa paremmin, miten tärkeä osa laskennalla on. Kuinka paljon enemmän datasta saadaan irti tietoa, jos sitä analysoidaan automatisoidusti, kuin että joku kävisi niitä taulukoissa läpi, Elo kuvaili CSC:lle aiemmin.

Esimerkin vuoksi Turun bioinformatiikkayksikkö käsitteli vuonna 2015 4,9 teratavua niin sanottua raakadataa. Yksi teratavu vastaa informaation määrässä esimerkiksi 60 pinoa konekirjoitettuja paperiliuskoja kasattuina Eiffel-tornin korkuisiksi pinoiksi.
 

Kuva sen kertoo

Biokuvantaminen on viime vuosina noussut biolääketieteellisen tutkimuksen merkittäväksi tutkimusmenetelmäksi. Siihen kuuluu esimerkiksi kolmiulotteisia ja erittäin korkean erottelukyvyn mikroskopiatekniikoita, kudosten ja potilaiden kuvantamismenetelmiä, sairauksien diagnosointimenetelmiä ja tulosten tietokonepohjaista analysointia, kerrotaan Turun yliopiston tiedotteessa.

Biokuvantamista käytetään muun muassa syöpien, aivosairauksien, sydäntautien ja Alzheimerin taudin hoidossa ja tutkimuksessa.

Biokuvantamisella voidaan tutkia sitä, miten elävät syöpäsolut kasvavat ja liikkuvat kohdatessaan erilaisia kehitteillä olevia lääkeaineita. Tapahtumasarja kuvataan lasermikroskoopilla kolmiulotteisesti.

Menetelmästä nopeuttaa tutkimusta merkittävästi, sillä sen avulla voidaan testata samanaikaisesti jopa satoja lääkeaihioita.
 

Kun viestintä sakkaa

Kaikkiin merkittäviin sairauksiin liittyy jollakin tavalla solujen välisen viestinnän häiriintyminen. Kun tapahtumaketjua voidaan tietokoneiden avulla tutkia tarkemmin, saadaan uutta tietoa lääkeaineiden suunnittelua varten.

Esimerkiksi Biologisen fysiikan professori Ilpo Vattulainen tutkii, miten solujen välinen viestintäkyky muuttuu, kun solukalvon ja sen molekyylien rakenteita muutetaan, Helsingin yliopisto uutisoi.

Tutkimuskohteena ovat solujen "postikonttorit" eli viestejä edelleen toimittavat solukalvoproteiinit. Jos "postikonttorit" innostuvat ahkeroimaan liikaa tai lopettavat kokonaan viestien lähettämisen eteenpäin, seurauksena on usein sairaus kuten syöpä.

Vattulainen haluaakin selvittää, millä tavoin nämä solukalvoreseptorit toimivat ja kuinka niiden toimintaa voidaan hallitusti ohjata.

On olemassa siis lukuisia esimerkkejä, jotka osoittavat, kuinka tärkeä rooli laskennallisella tieteellä on lääketieteen tutkimuksessa. Lisäämällä ymmärrystä monimutkaisesta organismista tutkijat luovat yhdessä rakennuspalikoita terveemmälle ihmisille.

Lähteet: Turun ja Helsingin yliopiston tiedotteet, EMC:n Digital Universe -tutkimus ja CSC:n Täydellinen yhtälö -kampanja.

KUVA:THINKSTOCK

Julkaistu alunperin 01.12.2018. / Published originally 01.12.2018.

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »