Liikuntatutkimusta solumaljalla – utopiaa vai tätä päivää?
Jaksaa, jaksaa, painaa, painaa! Joko arvasit mistä on kyse? Tämä on monen ensimmäinen mielikuva siitä, millaista on liikuntatutkimus. Perinteisesti tutkittavat osallistuvat esimerkiksi muutaman kuukauden voima- tai kestävyysharjoittelututkimukseen, jossa nostetaan rautaa, poljetaan pyörää tai juostaan juoksumatolla. Samalla otetaan ehkä verikokeita, mitataan hengityskaasuja ja seurataan sykkeitä. Entä jos liikuntatutkimusta voisi tehdä jollain muullakin tavalla?
Lihassolut supistuvat sekä lihaksessa että solumaljalla
Noin vuosikymmen sitten julkaistiin ensimmäinen liikuntatutkimus, johon ei osallistunut yhtäkään tutkittavaa tai koe-eläintä. Työssä selvitettiin kuitenkin liikunnan vaikutuksia lihassolujen aineenvaihduntaan (Nedachi ym. 2008). Tämä oli mahdollista siksi, että liikuntaa voidaan mallintaa myös laboratorioissa hyödyntäen soluviljelyasetelmia.
Kun hermoimpulssit korvataan sähkövirralla, viljellyt lihassolut supistuvat samoin kuin lihas liikunnassa. Näin voidaan tutkia liikunnan aikaansaamia fysiologisia muutoksia niin lihassolujen sisällä kuin niiden ulkopuolella. Esimerkiksi on osoitettu, että viljeltyjen lihassolujen supistukset saavat aikaan vastaavia muutoksia kuin liikunta lihaksessa niin nukleiinihappojen, aineenvaihdunnan välituotteiden kuin proteiinienkin tasolla (Nicolić ym. 2017).
Aineenvaihdunnan muutokset ovat samanlaisia asetelmasta riippumatta
Väitöskirjatutkimuksessani analysoimme, miten viljeltyjen lihassolujen liikuntaa mallintavat supistukset vaikuttivat molekyylien pitoisuuksiin ja geenien ilmentymiseen (Lautaoja ym. 2021). Havaitsimme, että supistukset lisäsivät odotetusti muun muassa ATP:n, eli solujen tärkeimmän energiansiirtoyhdisteen, tuotantoa. Lisäksi haaraketjuisten rasvahappojen tuotanto ja eritys lisääntyivät. Tämä voi olla seuraus proteiinien hajotuksesta ja aminohappojen kierrätyksestä, minkä on osoitettu tapahtuvan myös ihmisillä liikunnan jälkeen (Tipton ym. 2018).
Lihassolujen supistukset lisäsivät myös supistuskoneiston rakenteisiin sekä solujen ja kudosten väliseen vuorovaikutukseen osallistuvien geenien ilmentymistä (Lautaoja ym. julkaisemattomia tuloksia). Nämä uudet tulokset ovat linjassa aiempien tutkimusten kanssa, jotka ovat osoittaneet, että tämä solumalli soveltuu liikuntatutkimuksen tekemiseen.
Mitä hyötyä lihassolumallista on liikuntatutkimuksessa?
Solumallin vahvuus liikuntatutkimuksessa on, että se muun muassa mahdollistaa lihassolujen ja muiden solujen vuorovaikutuksen mekanistisen tutkimuksen. Perinteisillä menetelmillä, kuten verikokeilla, ei päästä samaan, sillä nämä näytteet voivat sisältää muistakin kuin lihassoluista peräisin olevia tekijöitä.
Solumallilla voidaan lisäksi tutkia asetelmia, jotka ihmisillä ja koe-eläimillä olisivat eettisistä tai muista syistä mahdottomia. Solumallit voivat vähentää eläinkokeiden tarvetta sekä tutkimuksien kustannuksia, kun alkuvaiheen hypoteeseja voidaan helposti testata matalankynnyksen menetelmillä. Esimerkiksi solujen geneettistä materiaalia voidaan helposti muokata ilman eettisiä ongelmia ja näin voidaan yksinkertaisella solumallilla pureutua tietyn ilmiön mekanismeihin ilman ihmistutkittavia.
Tulevaisuuden suuntaviivat
On erittäin todennäköistä, että lihas- ja liikuntatutkimusta tullaan tekemään tulevaisuudessa yhä enemmän viljellyillä soluilla. Toivottavasti tutkimuksessa myös monitieteisyys lisääntyy, sillä se mahdollistaa eri alojen vahvuuksien käyttämisen ja uusien näkökulmien tarkastelun.
Ehkäpä ensi kerralla, kun ajattelet liikuntatutkimusta, mieleesi ei ensimmäisenä tule juoksumatto, vaan lihassolut jumppaamassa maljalla. Se ei nimittäin ole utopiaa, vaan tätä päivää!
Juulia Lautaoja
väitöskirjatutkija
Jyväskylän yliopisto
Juulia Lautaojan tutkimus ”Lihassolujen sähköstimulaatio mahdollistaa liikuntatutkimuksen solumalleilla - kudosten väliseen vuorovaikutukseen osallistuvien molekyylien eritys lisääntyy aktiivisilla lihassoluilla” palkittiin Liikuntatieteen päivien 2021 Nuorten tutkijoiden tutkimuskilpailussa. Lisäksi hän sai parhaan suullisen esityksen maininnan.
Lähteet
Nedachi, T., Fujita, H., & Kanzaki, M. (2008). Contractile C2C12 myotube model for studying exercise-inducible responses in skeletal muscle. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism, 295(5), E1191–E1204. https://doi.org/10.1152/ajpendo.90280.2008
Nikolić, N., Görgens, S. W., Thoresen, G. H., Aas, V., Eckel, J., & Eckardt, K. (2017). Electrical pulse stimulation of cultured skeletal muscle cells as a model for in vitro exercise–possibilities and limitations. Acta physiologica, 220(3), 310–331. https://doi.org/10.1111/apha.12830
Lautaoja, J. H., M. O’Connell, T., Mäntyselkä, S., Peräkylä, J., Kainulainen, H., Pekkala, S., Permi, P., & Hulmi, J. J. (2021). Higher glucose availability augments the metabolic responses of the C2C12 myotubes to exercise-like electrical pulse stimulation. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism, 321(2), E229–E245. https://doi.org/10.1152/ajpendo.00133.2021
Tipton, K. D., Hamilton, D. L., & Gallagher, I. J. (2018). Assessing the role of muscle protein breakdown in response to nutrition and exercise in humans. Sports Medicine, 48(1), 53–64. https://doi.org/10.1007/s40279-017-0845-5