The Song of the Cell

The Song of the Cell – An Exploration of Medicine and the New Human

Siddhartha Mukherjee

Scribner 2022

eISBN: 978-1-9821-1737-5

Pähkinänkuoressa: Solu on organismin perusyksikkö ja siinä mielessä organismissa kaikki palautuu soluun, mutta monisoluinen solujärjestelmä on myös enemmän kuin osiensa summa; organismin fysiologiaa ja patologiaa ei voi selittää pelkästään itsenäisten solujen avulla, vaan on huomioitava myös niiden välinen vuorovaikutus.

Johdanto

Elävä organismi on soluekosysteemi ja solu sen perusyksikkö. Määritelmä kuulostaa yksinkertaiselta, mutta siinä on kaksi termiä, ”elävä” ja ”solu”, joille tarvitaan omat määritelmät. Näistä elämä on vaikeampi tapaus, koska siinä ei ole kyse yhdestä ominaisuudesta vaan useasta. Elävän organismin tulee kyetä huolehtimaan lisääntymisestä, kasvamisesta, aineenvaihdunnasta, herätteisiin vastaamisesta ja sisäisen kokoonpanon ylläpidosta. Monimutkaisille monisoluisille olioille ilmaantuu lisäksi uusia, emergenttejä, ominaisuuksia. Ne pyrkivät suojautumaan vahingoittumiselta ja hyökkäykseltä. Niille kehittyy erillisiin toimintoihin erikoistuneita elimiä, aisteja ja jopa ajattelukyky. Nämä osat eivät toimi erillään vaan kommunikoivat keskenään. Yksittäiset solut eivät kykene kaikkeen siihen, mihin elimet ja muut solujärjestelmät kykenevät. Silti myös kaikki emergentit ominaisuudet perustuvat solujen toimintaan. Yhteistyössä olevat solut ovat enemmän kuin osiensa summa. Elämälle pätee kehämääritelmä: jos on elämää, on soluja; ja jos on soluja, on elämää. Jos haluamme ymmärtää itseämme ja elämää, meidän täytyy selvittää solujen toiminta.

Lääketiedekin on suuntautunut solujen hoitamiseen. Sairastumme, kun solujen toimintaan tulee häiriö; olemme terveitä, kun solut toimivat normaalisti. Solujen hoitomuodot voi jakaa neljään luokkaan. Ensinnäkin solujen ominaisuuksia ja toimintaa voidaan muuttaa lääkkeillä tai fyysisellä stimulaatiolla. Tähän luokkaan kuuluvat antibiootit bakteereja vastaan sekä kemoterapia ja immunoterapia esimerkiksi syövän hoidossa tai hermosolujen stimulointi elektrodeilla. Toiseksi soluja voi siirtää kehosta toiseen, tai takaisin omaan kehoon, kuten verensiirrossa, luuytimen siirrossa ja koeputkihedelmöityksessä (in vitro fertilization, IVF). Kolmanneksi soluja voi käyttää tuottamaan aineita, kuten insuliinia tai vasta-aineita, joilla sairauksia hoidetaan. Neljäs ja uusin luokka on solujen geneettinen muokkaus ja siirto, jonka avulla solujen, elinten tai kehon ominaisuuksia tai toimintaa voidaan muuttaa.

Mikä solu sitten on? Suppeassa mielessä se on itsenäinen geenien dekoodauskone ja proteiinitehdas. Solu osaa avata, dekoodata, geeneihin varastoidun informaation ja rakentaa sitä vastaavia proteiineja. Proteiinit säätävät solun identiteettiä, aineenvaihduntaa, kasvua ja kuolemaa mahdollistamalla biologisia reaktioita, koordinoimalla solun sisäisiä signaaleja, muodostamalla solun rakenteen sekä kytkemällä geenejä päälle ja pois.

Geenit sijaitsevat kromosomeissa, jotka ovat yhtäjaksoisia DNA-rihmoja (deoksiribonukleiinihappo). Kaikissa tunnetuissa soluissa on DNA:ta. Tutkijat ovat yrittäneet paikantaa solua, jossa DNA:n tilalla olisi jotain muuta, kuten RNA:ta (ribonukleiinihappo, engl. ribonucleic acid), mutta toistaiseksi sellaista ei ole löydetty.

Laajemmassa mielessä solu on enemmän kuin dekoodauskone ja proteiinitehdas. Kun proteiinit valmistuvat tuotantolinjalta, ne aloittavat vuorovaikutteisen tanssin. Tämä tanssi on täysin automaattista ja mekaanista ilman ohjaavaa älykkyyttä. Proteiinit ja niiden väliset reaktiot määräävät solun käyttäytymisen ja solut puolestaan organismin käyttäytymisen. Tässä mielessä organismin kaikki toiminta palautuu soluun, niin aineenvaihdunta, lisääntyminen, kudoksen korjaaminen kuin kuolemakin. Koko organismin elämä palautuu soluun.

Solubiologian synty

Mikroskoopin periaate kehitettiin 1600-luvun vaihteessa. 1670-luvulla hollantilainen kangaskauppias Antonie van Leeuwenhoek rakensi sellaisen itselleen kangaskuitujen laadun varmistamista varten. Kerran hän otti sadevettä ja tarkasteli sitä laitteellaan. Hän näki hämmästyksekseen pieniä otuksia, joita kutsui ”pikku eläimiksi” ja myös ”eläviksi atomeiksi”. Hän innostui havainnoistaan niin, että rakensi satoja mikroskooppeja, mutta ei halunnut paljastaa niiden salaisuuksia muille. Kahdeksan paikallista asukasta kuitenkin todisti nähneensä ”uivia eläimiä”. Epäilijöitäkin riitti, koska Leeuwenhoek ei ollut ”filosofi, lääkäri eikä herrasmies”. Löydöt jäivät pian unholaan.

Soluja, tosin kuolleita, oli havainnut edellisellä vuosikymmenellä myös ”oikea” tiedemies, englantilainen Robert Hooke. Hän leikkasi korkkipuusta palan ja tutki sitä mikroskoopillaan. Näytteen pinta näytti koostuvan toistuvista monikulmioista, jotka muistuttivat hunajakennoja. Hän alkoi kutsua näitä monikulmioita soluiksi (englanninkielinen cell tulee latinan sanasta cella, ”pieni huone”). Pari vuotta Leeuwenhoekin jälkeen Hooke havaitsi hänkin eläviä soluja sadevedessä. Hooke ei kuitenkaan koskaan yhdistänyt havaintojaan kuolleen korkin solun seinämistä ja elävistä olioista samaksi asiaksi.

Täytyi odottaa vielä yli sata vuotta 1820-luvulle ennen kuin ranskalainen itseoppinut kasvitieteilijä ja kemisti François-Vincent Raspail yritti rakentaa teorian aiemmista havainnoista. Soluja tosiaan oli kaikkialla kasvi ja eläinkudoksessa, mutta miksi? Jotain niiden täytyi tehdä. Hän kirjoitti: ”Jokainen solu valitsee ympäristöstään vain sen, mitä tarvitsee.” Hän päätteli, että ”solu on jonkinlainen laboratorio”. Hänen ajattelunsa oli hämmästyttävän kirkasta, sillä hän ei voinut sen aikaisilla mikroskoopeilla mitenkään nähdä, mitä soluissa tapahtui. Mistä solu sitten oli peräisin? Vuonna 1825 Raspail muotoili latinankielisen aforismin Omnis cellula e cellula: ”soluista tulee soluja”. Sekin meni oikein.

Soluteorian kannattajat joutuivat kahteen erilliseen väittelyyn tieteellisissä piireissä. Ensimmäistä käytiin vitalistien kanssa. He eivät vastustaneet ajatusta soluista, mutta kyseenalaistivat sen, miten solut saivat alkunsa. He uskoivat vanhaan, jo Aristoteleen ajoilta peräisin olevaan teoriaan spontaanista syntymästä, jonka täytyi heidän mielestään koskea myös soluja. Osa uskoi solun synnyttävän uuden solun, kuten äiti synnyttää lapsen, ja osa uskoi solujen kiteytyvän vitaalisessa liuoksessa. Soluteorian mukaan taas vitaaliset ja luonnolliset kemikaalit olivat yksi ja sama asia.

Toinen väittely koski sikiön muotoa. Vanhan ajatuksen mukaan sikiö oli jo valmiiksi ihmisen muotoinen, vain mikroskooppinen. Oli jopa piirretty kuvia siittiösolun sisällä olevasta mini-ihmisestä. Soluteorian mukaan taas sikiö kehittyi soluista vaiheittain.

1830-luvun puolivälissä kasvitieteilijä Matthias Schleiden ja eläintieteilijä Theodor Schwann, molemmat saksalaisia, vertailivat havaintojaan ja käsittivät, että sekä kasvien että eläinten kudokset koostuivat soluista. He eivät kuitenkaan olleet yhtä näkemyksellisiä kuin Raspail, vaan uskoivat solujen spontaaniin syntymään. Silti he jäivät historiaan johtopäätöstensä vuoksi:

1. Kaikki elävät organismit koostuvat yhdestä tai useammasta solusta.
2. Solu on organismin rakenteen ja organisaation perusyksikkö.

Vuonna 1845 nuori saksalainen lääkäri Rudolf Virchow kutsuttiin konsultoimaan heikkoudesta kärsivän naispotilaan tapausta. Naisen vatsa oli turvonnut ja perna laajentunut. Naisen verinäytteessä oli epätavallisen paljon valkosoluja. Virchow kutsui sairautta ensin leukosyyttihemiaksi (leukocythemia) ja sittemmin yksinkertaisesti leukemiaksi. Samanlaisesta tapauksesta raportoitiin Skotlannissa. Virchow jäi miettimään valkosolujen alkuperää. Jos solut tosiaan kiteytyivät vitaalisissa liuoksissa, kuten vitalistit uskoivat, niin mistä kymmenet miljoonat valkosolut olivat tulleet ja miksi? Sen sijaan, jos solut syntyivät soluista, vastaus oli ilmeinen: sairastuneet solut tuottivat uusia sairaita soluja ja sairauteen saattoi liittyä hillitön solujen lisääntyminen. Virchow oli tietoinen, että tuohon mennessä oli jo tehty havaintoja kasvisolujen ja kerran myös kanan verisolun jakautumisesta.

”Keho on soluvaltio, jossa jokainen solu on kansalainen”, Virchow kirjoitti, ”Sairaus on vain valtion kansalaisten yhteenotto ulkoisten voimien kanssa.” Hän omaksui Schleidenin ja Schwannin ajatuksen siitä, että kaikki kudokset koostuvat soluista. Sen sijaan hän hylkäsi uskomuksen solujen spontaanista syntymästä ja otti ohjenuorakseen Raspailin lauseen ”soluista tulee soluja”. ”Ei ole muuta elämää”, hän kirjoitti, ”kuin suoraan periytyvää.” Virchow jatkoi päättelyään: jos organismit koostuvat soluista, eivätkö silloin kaikki sairaudetkin ole viime kädessä solujen toiminnan häiriöitä? Näin hän lisäsi Schleidenin ja Schwannin opinkappaleisiin kolme uutta:

3. Kaikki solut tulevat toisista soluista (Omnis cellula e cellula).
4. Eliön normaali toiminta, fysiologia, on solujen toimintaa, solufysiologiaa.
5. Sairaus, fysiologian häiriö, johtuu solun fysiologian häiriöstä.

Nämä viisi periaatetta ovat solubiologian ja solulääketieteen peruspilarit. Niistä muodostuu atomistinen käsitys ihmiskehosta, jonka perusyksikkö on solu.

Vuonna 1859 ranskalainen Louis Pasteur tutki mätänemistä. Kun hän asetti lihapalan joutsenkaulapulloon, se ei mädäntynyt. Kun hän otti joutsenkaulan pois ja antoi ilman virrata vapaasti, liha mätäni. Hän päätteli, että ilma kuljettaa mikrobeja. Mätäneminen ei johtunut sisäisestä hajoamisesta tai perisynnistä, vaan ulkopuolelta saapuneista mikrobeista, jotka eivät päässeet kovin hyvin kulkeutumaan joutsenkaulan kautta. Pasteur jatkoi tutkimuksiaan ja havaitsi, että myös esimerkiksi eläinten pernarutto johtui mikrobeista eikä myrkkyhöyryistä, miasmasta, kuten oli luultu.

Saksalainen Robert Koch jatkoi siitä, mihin Pasteur oli jäänyt. Vuonna 1876 hän eristi naudan ja lampaan pernaruttobakteereita, ja keksi istuttaa niitä kokonaan toiseen eläimeen, hiireen. Hiirikin sairastui ja sen haavaumista otetut mikrobit näyttivät mikroskoopissa aivan samanlaisilta kuin naudan ja lampaan pernaruttobakteerit. Hän todisti, että bacillus anthracis lisääntyi jopa kuolleen härän silmänesteessä. Kokeidensa perusteella hän päätyi ehdottamaan sääntöjä, joilla sairauden mikrobiperäisyys voitaisiin varmistaa:

1. Mikrobi täytyy löytää sairastuneesta yksilöstä.
2. Mikrobi täytyy eristää ja viljellä.
3. Terveen yksilön tulee sairastua samaan tautiin, kun siihen istutetaan viljeltyjä mikrobeja.
4. Mikrobi täytyy vielä eristää tästä toisestakin yksilöstä ja sen tulee olla samanlainen kuin alkuperäinen mikrobi.

Vuonna 1864 skotlantilainen kirurgi Joseph Lister päätti Pasteurin kirjoitusten innoittamana steriloida leikkausinstrumenttinsa. Tämä ei ollut kokonaan uusi keksintö, sillä jo muinaisessa Intiassa ja Egyptissä oli ymmärretty keittää leikkausvälineet. Vanhat opit eivät kuitenkaan olleet läntisten kirurgien käytössä, vaan kirurgia oli sottaista puuhaa. Esimerkiksi leikkauspotilaiden liinat käytettiin pesemättä uudelleen ja lattialle pudonnut veitsi vain pyyhkäistiin puhtaaksi esiliinaan. Lister päätti ottaa varman päälle ja alkoi keittää instrumenttinsa fenoliliuoksessa. Haavat paranivat nopeasti eikä pelättyjä verenmyrkytyksiä enää juuri esiintynyt. Kirurgit vastustivat aluksi Listerin oppeja, mutta joutuivat pikku hiljaa taipumaan vastaansanomattomien todisteiden edessä.

Vuonna 1928 Alexander Fleming havaitsi, että sienten erittämä kemikaali, penisilliini, tappoi bakteereja. Tällaisia antibiootteja löydettiin muitakin ja ne mullistivat lääketieteen. Ne olivat kuin hopealuoteja, jotka tappoivat bakteerit, mutta jättivät isännän solut rauhaan. Esimerkiksi penisilliini estää bakteerin seinämän rakentamiseen tarvittavan entsyymin toiminnan, jolloin solun seinämään syntyy ”reikiä”. Ihmissoluissa ei käytetä samoja entsyymejä.

Solusta organismiin

Solun anatomia

Solu on itsenäinen elämän yksikkö. Sen erottaa ympäristöstä solukalvo, johon liittyy monia paradokseja. Sen tehtävä on toisaalta erottaa solun sisäosa ulkopuolesta – muutenhan solu ei olisi itsenäinen – mutta toisaalta se ei voi estää kaikkea liikennettä. Ravinteita on saatava sisään ja jätteitä ulos.

Jo 1890-luvulta alkaen oli tiedetty, että solukalvo on rasvainen. 1920-luvulla kaksi tutkijaa keräsi kaiken rasvan tarkasta määrästä veren punasoluja ja levitti ne tasolle yhteen kerrokseen. Sitten he vertasivat rasvan pinta-alaa punasolujen laskettuun kokonaispinta-alaan. Se oli lähes kaksinkertainen. Solukalvon täytyi siis koostua kahdesta kerroksesta rasva-ainetta, lipidiä.

Aineenvaihdunnan ongelma ratkesi vasta 1970-luvulla. Silloin pääteltiin, että kalvon kerrokset eivät ole hermeettisiä ja läpäisemättömiä vaan huokoisia ja läpäiseviä. Kalvolla olevat proteiinit ulottuvat sisältä ulos ja toimivat kuin luukkuina tai kanavina, jotka päästävät molekyylejä kalvon läpi. Ne myös tarjoavat tarttumispinnan, johon ulkopuoliset proteiinit tai molekyylit voivat kiinnittyä.

Solun sisällä on nestemäistä solulimaa, sytoplasmaa (protoplasm, cytoplasm tai cytosol). Se jos mikä on sellaista vitaalista liuosta, josta vitalistit uskoivat elämän spontaanisti syntyvän. Se on uskomattoman monimutkaista kemiallista soppaa, paikoin tahmeaa paikoin vetistä.

Solulla on tukiranka, sytoskeletoni (cytoskeleton), joka koostuu lähinnä liisterimäisestä proteiinista, aktiinista, ja toisesta proteiinista, tubuliinista, rakentuvista mikroputkista. Nämä rakenteet eivät ole staattisia, kuten selkäranka, vaan risteilevät köydenkaltaisina sinne tänne sitoen solun osia yhteen. Tukiranka mahdollistaa myös solun liikkeen. Valkosolu käyttää aktiinifilamentteja (säikeitä) muiden proteiinien ohella ryömiessään kohti mikrobia. Solun elintoimintoja ylläpitävät tuhannet proteiinit kiinnittyvät tukirankaan tai ajelehtivat solulimassa.

Solulimassa ajelehtii myös RNA-molekyyleja. Niiden sisältämän koodin perusteella valmistetaan proteiineja proteiinisynteesiin erikoistuneessa pienessä soluelimessä, ribosomissa, joka itsekin koostuu RNA:sta. Maksasolussa voi olla miljoonia ribosomeja. Proteiinien valmistuskoneisto on hyvin hienostunut. Käyttötarkoituksesta riippuen proteiineja viimeistellään solulimakalvostossa (endoplasmic reticulum) tai Golkin laitteessa (Golgi apparatus). Jätehuoltoonkin on kaksi tapaa. Proteiinien hajotuslaite, proteasomi (proteasome) pilkkoo muualta kuin solukalvosta tulleet proteiinit rakenneosiinsa. Lysosomi (lysosome) puolestaan hajottaa solukalvosta tai solun ulkopuolelta tulleet proteiinit ja myös bakteerit.

Solun tarvitsema energia saadaan sokerista kahden erillisen reaktiotien avulla. Energia saadaan nopeasti käyttöön hajottamalla glukoosia pienemmiksi ja pienemmiksi molekyyleiksi. Tässä vapautuu kaksi ATP-molekyyliä (adenosiinitrifosfaatti), jotka ovat käypää valuutta kaikessa energiaa sitovassa kemiallisessa tai fyysisessä työssä. Esimerkiksi lihaksen supistuminen polttaa ATP:tä.

Hajotusreaktion lopputuote poltetaan loppuun erillisessä soluelimessä, mitokondriossa, solun polttoainegeneraattorissa, joita yhdessä aivojen hermosolussa saattaa olla kaksi miljoonaa. Mitokondrion tuottama energiamäärä on moninkertainen hajottamisreaktioon verrattuna. Yhdestä glukoosimolekyylistä saadaan yhteensä noin 32 ATP-molekyyliä näiden kahden reaktiotien avulla. Bakteereilla ja arkeoneilla ei ole mitokondrioita, joten niiden täytyy tyytyä vain hajotusreaktion tuottamiin kahteen ATP-molekyyliin. Ihminen kuluttaa arviolta oman painonsa verran ATP-molekyylejä vuorokaudessa kierrättäen kutakin molekyyliä 1000 – 1500 kertaa.

Aitotumallisten olioiden solun perintötekijät sijaitsevat tumassa (nucleus), joka on eristetty solulimasta kalvolla. Bakteereilla ja arkeoneilla sen sijaan ei ole tumaa. Tumasta tiedetään vielä verraten vähän, mutta tutkijat olettavat silläkin olevan oma tukirankansa. Tumakalvo on huokoinen. Se päästää ATP-molekyylejä sisään ja proteiineihin kiinnittyneitä hormoneja molempiin suuntiin. Monisoluisen eliön solut erikoistuvat eri tehtäviin sen mukaan, missä kudoksessa sijaitsevat, vaikka ne kaikki jakavat saman perimän. Tätä säätelevät soluliman proteiinit, jotka läpäistyään tumakalvon kääntävät geenejä päälle ja pois päältä. Siten hermosolu ja valkosolu voivat olla ilmiasultaan hyvin erilaisia.

Solun jakautuminen

Solut lisääntyvät jakautumalla silloin, kun lisääntyvät. Esimerkiksi tietyt hermosolut eivät enää lisäänny aikuisella. Jokainen solu on peräisin toisesta solusta. Monisoluisten eliöiden solut voivat jakautua mitoosissa identtisiksi tytärsoluiksi tai meioosissa kokonaan uudeksi organismiksi. Mitoosi tuottaa uusia soluja yksilön kudokseen ja meioosi käynnistää kokonaan uuden monisoluisen yksilön kehityksen.

Mitoosin alussa, G1-vaiheessa (gap 1), solu alkaa tuottaa jakautumista ohjaavia proteiineja. Se tavallaan kerää kaikki tarveaineet jakautumista varten. Mitokondrioiden määrä kaksinkertaistuu. Mikäli kaikkea ei saada kasaan, solu jää tähän vaiheeseen. Mikäli kaikki on kunnossa, solu siirtyy S-vaiheeseen (synthesis), jossa kromosomit kahdennetaan. Tämän jälkeen siirrytään G2-vaiheeseen (gap 2), joka vaiheista on huonoiten tunnettu. Siinä solu näyttää tarkistavan kaiken vielä kertaalleen: jakautuako vai ei? Jos vastaus on myönteinen, solu siirtyy viimeiseen, jakautumis- eli M-vaiheeseen (mitosis). Tumakalvo liukenee ja kahdennetut kromosomit liukuvat erilleen toisistaan solun vastakkaisiin nurkkiin. Solun keskelle kehittyy vako ja äitisolusta tulee kaksi tytärsolua.

Siinä missä mitoosissa syntyy kaksi äitisolun kanssa identtistä tytärsolua, meioosissa syntyy neljä uutta sukusolua. Ensin kromosomit kahdennetaan ja kummankin kromosomiparin vastinkromosomit vaihtavat DNA-sekvenssejä keskenään. Sitten kahden parin kaikki neljä kromosomistoa erkaantuvat omiin soluihinsa niin, että syntyy neljä sukusolua, gameettia, joilla on yksinkertainen, haploidi, kromosomisto. Vastinkromosomien vaihdon vuoksi yksikään kromosomi ei ole suora kopio vanhemmalta, vaan ne ovat kaikki yksilöllisiä geenikombinaatioita. Tällä varmistetaan evoluutiolle tärkeä vaihtelu populaatiossa.

Ihmisen normaalissa solussa kaksinkertainen, diploidi, kromosomisto koostuu 23 kromosomiparista. Hedelmöityksessä munasolun haploidi kromosomisto saa vastinparikseen siittiösolun haploidin kromosomiston ja näin niistä muodostunut hedelmöittynyt munasolu, tsygootti, saa diploidin kromosomiston. Tsygootti kasvaa solun jakautumisella, mitoosilla, alkioksi ja sitten sikiöksi, jolle kehittyy vaiheittain kudosta ja elimiä. Kehittyneelle yksilölle kasvaa lopulta sukupuolirauhaset, gonadit (munasarjat tai kivekset). Ne tuottavat meioosilla sukusoluja, jotka hedelmöittyessään aloittavat uuden yksilön elämän. Monisoluisten olioiden elämän kiertokulku koostuu siis meioosin ja mitoosin vuorottelusta.

Mekanismi, joka saa solun siirtymään jakautumisen vaiheesta toiseen, solukierto (cell cycle), pysyi pitkään mysteerinä. 1990-luvulla vihdoin selvisi, että kyseessä on kahden proteiinin yhteisvaikutus. Tämä saattaa vaikuttaa tekniseltä yksityiskohdalta, mutta sillä on ollut valtava vaikutus kaikkeen solubiologian ja lääketieteen tutkimukseen. Kun solun jakautumista voitiin ohjata, pallo siirtyi tutkijoille. He saattoivat nyt asettaa aivan uusia tutkimuskysymyksiä. Mikä saa syöpäsolun jakautumaan ja voisiko sen estää jollain lääkkeellä? Mikä saa veren kantasolun jakautumaan ja tuottamaan kopion itsestään, ja mikä taas saa saman kantasolun tuottamaan erikoistuneen verisolun? Miten alkio kehittyy yhdestä solusta? Esimerkiksi koeputkihedelmöityksen, IVF:n (in vitro fertilisation), onnistumistodennäköisyyttä saadaan nostettua, kun solukierto ymmärretään paremmin. Stanfordin yliopistossa on kehitetty menetelmä, jolla voidaan valita kehittymiskelpoinen alkiorakkula (blastocyst) 93 %:n todennäköisyydellä. Se on lähes kolminkertainen parannus aiempaan ja menetelmällä voidaan ehkä jatkossa vähentää riskialttiita kaksos- ja kolmosraskauksia.

Organismi

Mikä sai evoluution saatossa yksisoluisen eliön luopumaan itsenäisyydestään ja suosimaan joukkuepeliä? Miksi meistä tuli meitä – siis monisoluisia organismeja? Bakteerit ja arkeonit ovat yksinkertaisia elämänmuotoja verrattuna aitotumaisiin, eukaryootteihin, mutta kaikki eukaryootitkaan eivät ole monisoluisia. Hiivasienet ja monet levät esimerkiksi omaavat käytännössä kaikki samat ominaisuudet kuin monimutkaisemmat organismit. Ne ovat olleet menestyksekkäitä ja kukoistavat eri puolilla maailmaa. Niilläkin on aineenvaihdunta sekä kyky kommunikoida ja lisääntyä.

Vielä 1990-luvulla hyppäystä yksisoluisesta elämänmuodosta monisoluiseen pidettiin lähes ylittämättömänä kuiluna. Myöhempi tutkimus on kuitenkin muuttanut käsitystä. Ensinnäkin monisoluisuus on vanhaa. Spiraalin muotoisia fossiileja alkoi ilmaantua jo noin kaksi miljardia vuotta sitten. Ne olivat solurykelmiä, jotka näyttivät yhdistyneen syystä. Lehtimäisiä organismeja, joissa oli pieniä suonia, alkoi esiintyä noin 570 miljoonaa vuotta sitten merien pohjilla. Hämmästyttävintä kuitenkin on, että monisoluisia elämänmuotoja kehittyi useaan otteeseen toisistaan riippumatta. Evoluutio ei hypännyt kuilun yli vain kerran vaan uudestaan ja uudestaan – aivan kuin jonkin paineen pakottamana.

Minnesotan yliopistossa aloitettiin vuonna 2010 yksinkertainen koe. Kymmenessä pullossa viljeltiin hiivasieniä, joista yksinään viihtyvät jäivät kellumaan pinnalle ja toisiinsa takertuneet vajosivat pohjalle vetovoiman ansiosta. Tutkijat ottivat talteen kimput pohjalta ja jatkoivat niiden viljelyä uudessa pullossa. 60 kierroksen jälkeen pohjalla alkoi näkyä lumihiutaleen kaltaisia hiivarykelmiä, joihin äitisolut ja tytärsolut jäivät kiinni solujakautumisen jälkeen. Kun rykelmän koko ylitti tietyn rajan, se jakautui keskeltä kahtia. Keskiosan solut tekivät ohjelmoituneen solukuoleman, apoptoosin, muodostaen uurteen jakautumiskohtaan. Ne uhrautuivat kokonaisuuden hyväksi. Ehkä siirtymä monisoluisuuteen ei olekaan suuri mysteeri vaan niin hyödyllinen itseään kopioivalle solulle, että siihen kannattaa pyrkiä.

Emme vielä tunne oman sukulinjamme evoluutiota yksisoluisesta monisoluiseksi. Paljon enemmän tiedämme yksisoluisen sukusolun kehittymisestä monisoluiseksi organismiksi. Kun siittiö tunkeutuu munasoluun, tämä levittää ionien aallon ja käynnistää reaktioita, jotka estävät muiden siittiöiden pääsyn sisään. Ainakin solutasolla olemme yksiavioisia. Hedelmöittynyt munasolu jakautuu useaan kertaan, kunnes soluista muodostuu pieni pallo, alkiorakkula (blastocyst), jonka sisään avautuu nesteen täyttämä ontelo. Se kiinnittyy ulkoseinämästään kohtuun ja alkaa muodostaa istukkaa (placenta), sikiötä ympäröivää kalvoa ja napanuoraa.

Itse sikiö kasvaa alkiorakkulan sisäosaan kiinnittyneiden solujen rykelmästä. Niistä alkaa muodostua kaksi solukerrosta, ulkopuolinen ektodermi ja sisäpuolinen endodermi. Niiden väliin ilmaantuu vielä kolmas kerros, mesodermi. Tämä kolmikerrosrakenne säilyy kehossakin. Ektodemista kehittyy kaikki, mikä on kehon ulkopinnalla, kuten iho, hiukset, hampaat ja silmän linssi; endodermista kehittyvät sisäosat, kuten sisäelimet ja keuhkot; ja mesodermista kehittyy kaikki väliin jäävä, kuten lihakset, luut ja sydän.

Alkion mesodermiin kehittyy seuraavaksi tankomainen rakenne, selkäjänne, joka ulottuu alkion päästä päähän. Sen perusteella kehittyvän alkion osat asettuvat oikeille paikoilleen. Selkäjänteen yläpuoliseen ektodermiin muodostuu sisäänpäin taittuva pussi ja siitä edelleen putki, johon kehittyy aikanaan hermosto. Kun selkäjänne ja hermostoputki ovat muodostuneet, elimet alkavat muodostua kolmesta kerroksesta, tai neljästä, jos hermostoputki lasketaan omaksi kokonaisuudekseen.

Selkäjänteen rooli on ratkaiseva alkion kehityksessä, mutta mitään palkintoa se ei työstään saa. Se menettää tehtävänsä ja auktoriteettinsa, ja suljetaan luiseen vankilaan luurangon sisään. Noin kolmen viikon kohdalla raskauden alkamisesta sydän lyö ensimmäiset lyönnit ja viikkoa myöhemmin hermostoputkeen alkavat kehittyä aivot.

Alkion ja sikiön kehittymistä ohjaavien kemikaalien yhteispeli on hyvin hienostunutta mutta myös herkkää. Vuonna 1957 saksalainen lääkeyritys Chemie Grünenthal toi markkinoille unilääkkeenä ja rauhoittavana lääkkeenä toimivan talidomidin (thalidomide). Myöhemmin ilmeni, että sen nauttiminen raskausaikana aiheuttaa merkittäviä sikiövaurioita. Tuhansien lasten epäonneksi talidomidin oli myös havaittu helpottavan odottavien äitien raskauspahoinvointia ja vaurion aiheuttamiseen riitti 20 mg:n kerta-annos. Tuhannet lapset kuolivat kohtuun tai syntyivät epämuodostuneina. Tavallisin epämuodostuma oli raajojen osittainen tai täydellinen puuttuminen. Talidomidi auttaa tulehduksiin, joissa elimistön oma puolustusjärjestelmä käy ylikierroksilla. Valitettavasti lääkkeen estämää proteiinia tarvitaan lisäksi alkionkehityksessä raajojen ja elinten normaaliin muotoutumiseen, minkä vuoksi sen käyttö raskauden alkuvaiheissa aiheutti epämuodostumia.

Veri

Monisoluisen olion solujen täytyi kehittyä arvostamaan kokonaisuutta, organismia, enemmän kuin omaa olemassaoloaan. Organismin ja solun ”yhteiskuntasopimuksen” mukaan organismi suojaa solua – tai ainakin sen itsekkäitä geenejä – ja solu suojaa organismia, tarvittaessa itsensä uhraten. Ollakseen hyödyllinen solulle organismin oli kehityttävä kyvykkääksi vastaamaan omasta osuudestaan. Se edellytti erikoistuneita elimiä, jotka myös tekivät yhteistyötä keskenään yhteiseksi hyväksi.

Ehkä parhaiten tämä erikoistuminen ja yhteistyö ilmenee veressä. Verenkierto on kehon tärkein valtatie. Se kuljettaa happea ja ravinteita soluille, ja se vastaa koordinoidusta vaurioiden korjausmekanismista ja suojautumisesta ulkoisia vihollisia vastaan. Veren on kyettävä yhteistyöhön organismin kaikkien elimien kanssa. Se puhuu niille kemiallisella kielellä ja toimittaa viestejä myös elimeltä toiselle. Ja koska elimetkin ovat lopulta soluja, veren on puhuttava organismin kaikille soluille. Sen osat – punasolut, valkosolut ja verihiutaleet – keskustelevat myös keskenään. Verihiutaleet liittoutuvat muodostaakseen yhdessä hyytymän vauriokohtaan ja saavat siihen apua veren proteiineilta. Valkosolut viestivät keskenään koordinoidessaan immuunipuolustusta ulkoisia mikrobeja vastaan. Solujen lisäksi verinesteessä, plasmassa, kulkee muitakin aineita, kuten hiilidioksidia, hormoneja, aineenvaihduntatuotteita, jätteitä, ravinteita, hyytymistekijöitä ja kemiallisia signaaleja.

Punasolu

Veren silmäänpistävin piirre on sen punaisuus, joka johtuu punasolusta. Aiemmin mainittu Leeuwenhoek näki niitä veressä ja kirjoitti vuonna 1675: ”Noiden veristen möhkäleiden täytyy terveessä kehossa olla hyvin joustavia ja taipuisia, jotta ne pääsevät pienten kapillaaristen laskimo- ja valtimosuonien läpi, ja silloin ne muotoutuvat soikeiksi palautuakseen taas pyöreiksi isommassa tilassa.” Myöhemmin havaittiin, että punasolu ei oikeastaan ole pallon vaan kiekon muotoinen ja keskiosassa on painuma; se on aivan kuin pyöreä tyyny, jonka keskelle on juuri isketty nyrkillä.

Punasolujen funktio alkoi paljastua paljon myöhemmin. 1840-luvulla madon punasolusta löydettiin proteiini, hemoglobiini, joka muodosti 90 % solun kuivapainosta. Oli selvää, että hemoglobiini oli oleellinen proteiini siinä tehtävässä, joka punasolulla oli – mikä se sitten olikaan. 1880-luvulla hemoglobiinista löydettiin rautaa ja se puolestaan sitoi happea, jota tarvitaan soluhengityksessä. Tästä lopulta pääteltiin punasolun tehtävä: sitoa happea ja kuljettaa se kaikille kehon kudoksille. Punasolut ottavat hapen keuhkoissa ja jatkavat matkaansa sydämeen, joka kierrättää ne valtimoiden kautta kaikkialle kehoon.

Mielenkiintoinen piirre verenkierrossa on sen rekursiivinen rakenne; se on kuin paroni von Münchhausen, joka väitti nostaneensa itsensä hiuksista ylös suosta. Veri kuljettaa happea kaikille soluille, myös sydämeen, joka pumppaa verta kaikkialle kehoon. Verenkierto ei toimi ilman sydäntä eikä sydän ilman verenkiertoa.

Veriryhmät

Verta voi siirtää ihmiseltä toiselle. Kokeilut aloitti Ranskan kuninkaan Ludvig XIV:n henkilääkäri Jean-Baptiste Denys vuonna 1667 laskemalla useita kertoja nuoren pojan verta iilimatojen avulla ja siirtämällä tilalle lampaan verta. Ihme kyllä, poika selvisi – luultavasti siksi, että verimäärä oli pieni eikä aiheuttanut allergista reaktiota. Valitettavasti Denys jatkoi ihmiskokeitaan siirtämällä vasikan verta mielisairaaseen potilaaseen, toivoen lauhkean eläimen veren rauhoittavan potilasta. Kolmen siirron jälkeen potilas rauhoittuikin, lopullisesti. Hänen ruumiinsa ja kasvonsa olivat pahoin pöhöttyneet allergisesta reaktiosta. Denys vältti täpärästi tuomion murhasta mutta luopui lääkärin ammatista.

Vuonna 1900 itävaltalainen tutkija Karl Landsteiner alkoi tutkia verensiirtoa järjestelmällisemmin. Hän sekoitti henkilön verta toisen henkilön veriseerumiin koeputkessa. Veriseerumi on sitä nestettä, joka jää jäljelle, kun veri on hyytynyt. Siinä on proteiineja ja vasta-aineita, mutta ei soluja eikä hyytymistä aiheuttavia proteiineja. Toisinaan veri koeputkessa säilyi juoksevana, mutta toisinaan siihen tuli pieniä puolikiinteitä kasaumia.

Landsteiner onnistui löytämään neljä veriryhmää: A, B, AB ja O. Ne kuvaavat yhteensopivuutta verensiirtoon. O-ryhmän henkilö voi luovuttaa kaikille muille ryhmille, mutta ei voi vastaanottaa muuta kuin O-ryhmän verta; A- ja B-ryhmän henkilölle kelpaa O:n lisäksi oman ryhmän veri; AB-ryhmän henkilölle kelpaavat kaikki ryhmät, mutta hän voi luovuttaa vain toiselle AB-ryhmän henkilölle. O-ryhmän henkilö on siis universaali luovuttaja ja AB-ryhmän henkilö universaali vastaanottaja. Myöhemmin veriryhmiä tarkennettiin vielä muilla tekijöillä, joista yleisin, RhD-positiivisuus tai -negatiivisuus, merkitään suoraan veriryhmään: A+, B-, AB+ jne. Plus tarkoittaa D-antigeenin esiintymistä punasolussa ja miinus sen puuttumista.

Vuonna 1907 New Yorkissa alettiin tehdä turvallisia verensiirtoja, kun luovuttajan ja vastaanottajan yhteensopivuus kyettiin varmistamaan etukäteen. Operaatio oli vielä kömpelö. Aikaa ei voinut tuhlata, koska veri hyytyy nopeasti. Yksi hoitaja otti injektioruiskulla toistuvasti verta luovuttajalta, toinen kiikutti ruiskun kuin viestikapulan kolmannelle, joka ruiskutti sen saman tien vastaanottajan käsivarteen. Joskus kirurgi rakensi fyysisen yhteyden, kirjaimellisen verisiteen, luovuttajan valtimosta vastaanottajan käsivarteen. Vuonna 1914, juuri ennen maailmansotaa, opittiin estämään hyytyminen lime-hedelmästä saatavalla natriumsitraatilla. Kylmäsäilytys jatkoi veren käyttöikää edelleen ja muitakin parannuksia kehitettiin.

Verensiirtojen määrä kasvoi vauhdilla kaikkialla maailmassa. Varsinaiseen kenttätestiin menetelmä joutui maailmansodissa. Ensimmäisen maailmansodan loppupuolella Yhdysvalloilla oli käytössä jonkinlainen veripankki. Toiseen maailmansotaan mennessä verensiirrot olivat jo rutiinia ja osittain tästä syystä sotasairaaloiden kuolleisuus puolittui. Pian sodan jälkeen Yhdysvalloissa oli 1500 veripankkia.

Verihiutale

Verihiutaleiden biologia on epätavallista aivan niiden syntymästä saakka. 1900-luvun alussa luuytimestä löydettiin massiivinen solu, megakaryosyytti (megakaryocyte), jolla oli toistakymmentä tumaa, aivan kuin se olisi aloittanut solunjakautumisen mutta päättänytkin kokeilla vaihteeksi jotain aivan muuta: hajota ilotulitteen lailla tuhansiksi sirpaleiksi, verihiutaleiksi. Verihiutale on verihyytymän keskeinen komponentti. Vaurion, vaikkapa haavan, aktivoimat signaalit saavat verihiutaleet parveilemaan haavan alueella. Veressä kiertävät hyytymistä aiheuttavat proteiinit ja verihiutaleet kommunikoivat keskenään vahvistaen hyytymisprosessia, jossa ne jähmettyvät tiheäksi verkoksi.

Vuonna 1924 suomalainen Erik von Willebrand kuvasi viisivuotiaan ahvenanmaalaistytön tapauksen. Tytön veri ei hyytynyt normaalisti ja ilmeni, että vaivaa oli esiintynyt suvussa aiemminkin. Vuonna 1971 syyllinen löytyi: tytöltä puuttui hyytymistä aiheuttava proteiini, joka sai nimekseen von Willebrandin tekijä (von Willebrand factor), vWf. Se kiertää veressä ja sijaitsee myös strategisesti verisuonten alla. Vaurio paljastaa vWf:n ja verihiutaleen reseptori tunnistaa proteiinin, jolloin verihiutaleet alkavat kerääntyä vauriopaikalle. Vwf ei ole ainoa signaali; myös vaurioituneet solut lähettävät signaaleja, jotka kutsuvat verihiutaleita paikalle.

Esivanhemmillemme veren hyytymisreaktio oli siunaus, mutta nykyihmiselle se on ajoittain kirous. Valtimoihin kasvaa kalkkia ja kolesterolia sisältävää plakkia, joka roikkuu möykkynä verisuonen seinämästä. Se on kuin töyssy valtatiellä odottamassa olosuhteita, joissa onnettomuus voi tapahtua. Kun plakki repeytyy, järjestelmämme pitää sitä haavana. Käynnistyy reaktiosarja, jonka tarkoituksena on tukkia verenvuoto ja parantaa haava. Tarkoitus on hyvä mutta seuraukset katastrofaaliset: verenkierto sydämeen estyy. Parantavasta hiutaleesta on tullut tappava hiutale.

”Nykyinen sydänsairausepidemia käynnistyi yhtäkkisesti 1930-luvulla”, kirjoitti lääkäri ja historioitsija James Le Fanu, ”Lääkäreillä ei ollut vaikeutta ymmärtää sen vakavuutta, koska niin moni työtoveri oli ensimmäisten uhrien joukossa, terveen näköinen, keski-ikäinen lääkäri, joka ilman mitään näkyvää syytä yllättäen kaatui ja kuoli.” Alettiin etsiä lääkettä, joka estäisi plakin muodostumisen. Lupaavimmalta vaikutti tavallinen aspiriini, ASA (acetyl salicylic acid), jonka vaikuttava aine, salisyylihappo, oli tunnettu jo vuosituhansia. Ironista kyllä, lääkkeen ensimmäinen valmistaja, Bayer, oli painanut pakkauksen kylkeen ”Ei vaikuta sydämeen”. Aspiriinin hyödyllisyys jäi uskonvaraiseksi, kunnes sen vaikutus vahvistettiin 1970- ja 1980-luvuilla tehdyissä satunnaistetuissa tutkimuksissa. Aspiriini ei kuitenkaan estä plakin muodostumista, vaan hillitsee tulehdusreaktiota ja sitä kautta verihiutaleiden aktivoitumista.

Synnynnäinen immuunijärjestelmä

Veri on niin punaista, että ei-punaiset verisolut jäivät noteeraamatta vuosisatojen ajaksi. Vihdoin 1840-luvulla veressä havaittiin punasolujen lisäksi toisenlaisia soluja, joissa ei ollut hemoglobiinia mutta joilla oli tuma, ja ne olivat epäsäännöllisen muotoisia. Niitä alettiin kutsua leukosyyteiksi tai valkosoluiksi, vaikka valkoisia ne ovat vain siinä mielessä, että eivät ole punaisia.

1880-luvulla venäläinen Elie (tai Ilja) Metchnikoff teki kokeita meritähdellä, joka on osittain läpinäkyvä. Kun sen sakaraan laittoi piikin, pistokohtaan alkoi kerääntyä soluja, jotka näyttivät hakeutuvan sinne itsekseen kuin hätäkutsun perusteella. Metchnikoff todisti immuunivasteen ensimmäistä vaihetta. Hän jatkoi kokeitaan muilla organismeilla ja muilla vaurioilla. Valkosolut eivät pelkästään ilmaantuneet tulehduspaikalle, vaan ne yrittivät niellä tulehduksen aiheuttajia.

Ihmisellä nuo syöjäsolut, fagosyytit, ovat ensimmäisiä vaurio- tai tulehduspaikalle saapuvia soluja. Niillä on luontainen kyky tunnistaa bakteereille ja viruksille tyypillisiä proteiineja, joita ei esiinny ihmissoluissa. Lisäksi ne tunnistavat kudosvaurion aiheuttamia kemiallisia signaaleja, jotka toimivat hätäkutsuna. Mielenkiintoinen tutkimuskohde on syöjäsolun geenien muokkaaminen sellaisiksi, että syöjäsolu tunnistaisi tietyn kohteen, kuten syöpäsolun. Se olisi täsmäase, joka tuhoaisi syöpäsolut, mutta jättäisi muut rauhaan, eikä käynnistäisi tulehdusreaktiota.

Syöjäsolut ovat osa synnynnäistä immuunijärjestelmää. Jonkinlainen synnynnäinen immuunijärjestelmä on käytännössä kaikilla monisoluisilla olioilla. Se on vanhin puolustusmekanismi. Kärpäsillä ei muuta olekaan, mutta esimerkiksi ihmisellä on myös adaptiivinen järjestelmä, jonka synnynnäinen järjestelmä herättää keräämällä näytteitä vauriopaikalta.

B-solu

Jonkinlainen käsitys adaptiivisesta immuunijärjestelmästä on ollut monilla kansoilla. On kerrottu tarinoita ihmisistä, jotka ovat selvinneet hengissä käärmeenpuremasta ja sen jälkeen saaneet uusista puremista vain lieviä oireita. Kiinalaiset kehittivät isorokkorokotuksen jo 900-luvulla. He jauhoivat taudista selvinneen potilaan ruven kuivaksi hienoksi jauhoksi, jonka puhalsivat hopeapiipulla lapsen nenään.

Rokotteet otettiin käyttöön länsimaissa myöhemmin, paljon myöhemmin, mutta niiden toimintamekanismi oli arvoitus. Kuinka immuunijärjestelmä voi oppia puolustautumaan ja sitten muistaa oppinsa niin, ettei samaan tautiin voi enää sairastua? Erilaisia hypoteeseja esitettiin. Ehkä valkosolun pinnalla oli paljon erilaisia vasta-ainereseptoreita, joihin taudinaiheuttajan antigeeni tarttui käynnistäen kyseisen vasta-aineen tuotannon? Numerot vain eivät täsmänneet. Kuinka paljon reseptoreita voi yhdessä solussa olla? Entä, jos vasta-aineet muovautuivat antigeenien vastinkappaleiksi? Mutta miten antigeeni voisi muuttaa proteiinin toiseksi? Proteiinihan syntyy geenin ohjaamana.

Lopulta vuonna 1957 selvisi, että proteiini ei suinkaan muokkaudu, vaan itse sitä ohjaava geeni. Valkosolun, tässä tapauksessa B-solun, vasta-ainegeeni syntyy geenifragmenteista, joita kombinoimalla syntyy satunnaisesti erilaisia B-soluja. Niillä kullakin on vain yhdenlaisia vasta-ainereseptoreita pinnallaan, mutta yhdessä kaikki miljardit B-solut muodostavat vasta-ainekirjaston, josta löytyy täsmäase jokaista mahdollista antigeeniä vastaan, tunnettua ja tuntematonta.

Kun antigeeni kohtaa siihen sopivan vasta-ainereseptorin, B-solu aktivoituu. Se laajenee, alkaa tuottaa uutta DNA:ta ja monistaa itseään. Solun kloonit tuottavat vasta-aineita vereen ja nämä puolestaan estävät antigeenin toiminnan. Osa B-soluista muuttuu muistisoluiksi. Ne kantavat nimensä mukaisesti mukanaan immunologista muistia, jonka avulla sama vihollinen torjutaan nopeasti, jos se joskus yrittää hyökätä uudelleen.

B-soluja voisi käyttää vasta-ainetehtaina, jotka tuottavat haluttuja lääkkeitä. Ongelmana vain on, että B-solut ovat lyhytikäisiä. Ne tuhoavat vihollisen ja kuolevat sitten, koska ne ovat potentiaalisesti vaarallisia myös omalle keholle. Tutkijat Cambridgen yliopistossa keksivät vuonna 1975 yhdistää B-solun syöpäsoluun, joka ei suostu kuolemaan millään. Britannian viranomainen, National Research Development Corporation (NRDC), jätti menetelmän patentoimatta, koska ”on varmasti vaikeaa löytää välitöntä käytännön sovellusta”. Tämän päätöksen vuoksi NRDC ja Cambridgen yliopisto ovat menettäneet miljardeja dollareita, sillä käytännöllisiä sovelluksia kehitettiin saman tien.

T-solu

Kateenkorvaa (thymus) pidettiin pitkään jonkinlaisena evoluution jäänteenä häntäluun tapaan. Kun se poistettiin aikuiselta eläimeltä, mitään ei tuntunut tapahtuvan. 1960-luvulla kuitenkin haluttiin selvittää voisiko sillä olla jokin merkitys sikiövaiheessa. Kun se poistettiin vastasyntyneiltä hiiriltä, ilmeni jotain odottamatonta: imusolujen – valkosolujen, jotka eivät ole osa synnynnäistä immuunijärjestelmää – määrä tippui yllättäen ja hiiristä tuli hyvin alttiita tavallisille infektioille. B-solujen määrä laski, mutta jonkin toisen, silloin tuntemattoman, solun määrä romahti vielä dramaattisemmin. Monet hiiret kuolivat maksatulehdukseen, hepatiittiin, ja monien perna täyttyi bakteereista. Vielä oudompaa oli, että ihonsiirron jälkeen hiiret eivät hylkineet toisen hiiren ihoa. Immuunijärjestelmä ei enää tuntunut tunnistavan yksilön omaa kudosta.

Kateenkorva ei ollutkaan turha vaan siellä kypsyi adaptiivisen immuunijärjestelmän soluja, imusoluja, mutta ne eivät olleet B-soluja vaan näitä soluja alettiin nimittää T-soluiksi. Niiden merkitys selvisi vasta 1970-luvulla. B-solut tuottavat vasta-aineita taudinaiheuttajia vastaan silloin kun ne ovat solun ulkopuolella, mutta T-solu, jonka pinnalla on CD8-proteiinia, hyökkää oman solun kimppuun silloin, kun sen sisään on päässyt virus. CD8-proteiinilla varustettua T-solua kutsutaan tappaja-T-soluksi.

Mutta miten on mahdollista tunnistaa viruksen infektoima oma solu? Virushan on solun sisällä tekemässä tuhojaan eikä sitä esiinny solun pinnalla. Tappaja-T-solun täytyy itse asiassa tunnistaa kaksi asiaa: ensiksi että kyseessä on oma solu ja toiseksi että solun sisällä on virus. Ilmeni, että oma solu tunnistetaan proteiinista, luokan I MHC:sta (major histocompatibility complex class I). Edelleen jäi mysteeriksi, miten solun virusinfektio tunnistetaan.

1980-luvun loppupuolella selvisi, että tappaja-T-solu tunnisti jollain tapaa influenssaviruksen NP-proteiinin (nucleoprotein), vaikka sitä ei ollut solun pinnalla. Sen sijaan sen fragmentti, peptidi, löytyi luokan I MHC proteiinin tarjoamalta alustalta. Solun sisällä oleva proteasomi toimii kuin lihamylly jauhaen proteiineja peptideiksi ja vapauttaa ne solulimaan. Luokan I MHC taas on kuin tarjotin, jolle tuodaan näytteitä solun sisältä T-solun tarkistettavaksi.

Vuonna 1990 havaittiin, että solun ulkopuolinen virus tai bakteeri tunnistetaan melkein samalla tavalla. Jokin syöjäsoluista on ahminut taudinaiheuttajan, eristänyt sen omaan osastoonsa ja jauhanut peptideiksi, joita sitten esittelee pinnallaan. Erityisen suuri rooli on dendriittisolulla, joka on erikoistunut keräämään näytteitä vauriopaikalta ja kuljettamaan ne tarkistettaviksi imusuonistoa pitkin. Solun ulkopuolisen maailman peptidejä esitellään toisen proteiinin, luokan II MHC:n, tarjoamalta alustalta. Tarkistuksenkin tekee eri T-solu, auttaja-T-solu, jonka tunnistaa CD4-proteiinista.

Auttaja-T-solu ei ole tappaja eikä sille ole tarvettakaan, koska taudinaiheuttajahan on jo pilkottu palasiksi. Solun kutsuminen auttajaksi on melkoista vähättelyä; se on ennemminkin suuri kapellimestari. Kun se havaitsee taudinaiheuttajan peptidin luokan II MHC:n esittelemänä, se alkaa koordinoida immuunivastetta. Se virittää B-solut tuottamaan vasta-aineita. Se erittää kemikaaleja, jotka vahvistavat syöjäsolujen kapasiteettia. Se nostaa paikallista veren virtausta ja kutsuu paikalle lisää valkosoluja taisteluun infektiota vastaan. Ilman auttaja-T-solua siirtymä sisäisestä immuunipuolustuksesta adaptiiviseen romahtaisi. Toinen puoli suuresta orkesterista ei yhtyisi soittoon.

HIV (Human Immunodeficiency Virus) on virus, joka infektoi nimenomaan auttaja-T-soluja. Kun niiden määrä laskee alle kriittisen tason, koko immuunijärjestelmä romahtaa ja potilas sairastuu AIDS:iin (Acquired Immune Deficiency Syndrome). Sadat taudinaiheuttajat, jotka immuunijärjestelmä normaalisti hoitaisi helposti, ovat nyt vaarallisia ja jopa tappavia.

Omien solujen tunnistaminen

Intialaiset kirurgit olivat jo joskus vuosina 800 – 600 eaa. siirtäneet ihoa otsasta nenään, koska tuona aikana oli tapana katkaista rikollisen tai toisinajattelijan nenä. Kun kirurgit yrittivät siirtää ihoa toiselle henkilölle, se muuttui siniseksi ja meni lopulta kuolioon. Immuunijärjestelmä osasi erottaa omat solut vieraista ja hylki vieraita.

1930-luvulla hylkimisreaktiota tutkittiin hiirillä. Valikoivalla kasvatuksella sukupolvesta toiseen saatiinkin kehitettyä hiiriä, joiden ihoa saattoi siirtää toiseen yksilöön menestyksellisesti. Onnistuttiin jopa kehittämään kaksi sukulinjaa, jotka olivat lähes identtisiä – paitsi että ne hylkivät toistensa kudoksia.

Ihmisen kudosten yhteensopivuuteen, histokompatibiliteettiin (histocompatibility) vaikuttaa useampi geeni. Yhdellä geenillä, HLA-A:lla, on tuhansia variantteja, joista osa on yleisiä ja osa harvinaisia. Ihminen perii yhden variantin äidiltä ja toisen isältä. Toisella geenillä, HLA-B:llä, on myös tuhansia variantteja. Jo pelkästään näiden kahden geenin kombinaatioiden määrä on valtava. Todennäköisyys sille, että geenien mukaiset proteiinit olisivat identtiset – ja kudokset yhteensopivat – kahden henkilön välillä on häviävän pieni.

T-solut tunnistavat omat solut näistä proteiineista, jotka eroavat muista yksilöistä. Proteiinit esiintyvät aiemmin mainitussa luokan I MHC:ssa, joka samalla toimii alustana solun sisältä tuoduille peptidinäytteille. Omien solujen tunnistaminen ei välttämättä olisi enää oleellista ihmiselle, mutta jossain vaiheessa evoluutiota se on voinut olla tärkeää.

Miten T-solut sitten saavat kyvyn tunnistaa omille soluille tunnusomaiset proteiinit? Johtolanka saatiin jo 1940-luvulla kaksosina syntyneistä lehmän vasikoista, joilla oli eri isät. Havaittiin, että hereford- ja guernsey-rodun kaksoshedelmöityksessä sikiöt jakoivat yhteisen istukan. Vasikoilla oli erilaiset punasolut, mutta ne eivät silti hylkineet toisiaan.

Vuonna 1969 saatiin vahvistus sille, että solujen yhteensopivuuden tunnistaminen määräytyy alkiovaiheessa. T-solut syntyvät luuytimessä ja kypsyvät kateenkorvassa. Siellä tehtaillaan T-soluja kaikkia tunnettuja ja tuntemattomia taudinaiheuttajia vastaan, mutta tuotantotestauksessa poistetaan ne solut, jotka pitäisivät omia soluja vihollisina. T-solut eivät niinkään tunnista omia solua, vaan kaikkia muita ja T-solukirjastossa on aukko oman solun kohdalla.

T-solut voivat tästä huolimatta olla vaarallisia omille soluille ja siksi immuunijärjestelmällä on vielä yksi varmistusmekanismi, säätelijä-T-solu (T regulatory cell). Sen tehtävä on hillitä tulehdusreaktiota. Sille on selvästi tarvetta. Säätelijä-T-solujen puute aiheuttaa pelottavan autoimmuunihäiriön, jossa T-solut hyökkäävät ihon, haiman, kilpirauhasen ja sisäelinten kimppuun. Kehon poliisivoimat tarvitsevat selvästi sisäisen poliisitarkastajan, jotta yleinen järjestys säilyy.

Periaatteessa T-soluja voisi käyttää aseina syöpäsoluja vastaan. Se ei kuitenkaan ole helppoa, koska syöpäsolut ovat ”omia soluja”, vaikkakin niiden vääristyneitä versioita. Lisäksi syöpäsolut ovat usein kehittyneet piileskelemään immuunijärjestelmältä. On siis löydettävä syöpäsolusta jokin erikoispiirre, jota ei ole muissa soluissa, ja lisäksi saatava syöpäsolu taas näkyväksi immuunijärjestelmälle. Tällaisia lääkkeitä on jo markkinoilla. Niiden ongelma on, että samalla, kun T-solut saadaan hyökkäämään syöpäsolujen kimppuun ne saattavat hyökätä myös terveen kudoksen soluihin. Lääkeannoksen kanssa joudutaan tällöin tasapainoilemaan: liian vähän ja syöpä leviää, liian paljon ja elintärkeät elimet ovat vaarassa.

Elimet

Elin on useasta kudoksesta koostuva rakenteellinen tai anatominen yksikkö, jonka solut palvelevat yhteistä tarkoitusta. Veri, jota edellä käsiteltiin, ei ole yksinkertainen elin vaan ennemminkin elinjärjestelmä: yksi jakelee happea (punasolut), toinen korjaa vammoja (verihiutaleet) ja kolmas suojaa tartunnoilta ja tulehduksilta (v). Pienillä eläimillä elimetkin voivat olla pieniä. Sukkulamato, C. elegans, tarvitsee koko hermostoonsa vain 302 hermosolua. Ihmisaivoissa hermosoluja on noin 300 miljoonaa kertaa enemmän.

Sydän

Sydän on elintärkeä elin. Sen solujen on tehtävä yhteistyötä sekunnista toiseen joka päivä koko yksilön elämän ajan. Silti kesti pitkään ennen kuin sen toiminta selvisi. Aristoteles kyllä piti sydäntä kehon elinvoiman keskuksena, mutta korosti sitä liikaakin, koska hänen mukaansa muut elimet olivat pelkkiä lämmitys- tai jäähdytyskammioita. Avicenna keskittyi vuoden 1000 paikkeilla pulssiin, sen vaihteluun ja yhteyteen sydämen sykkeeseen. Kun syke vaimeni, samoin kävi pulssille, mikä enteili kuolemaa. Sykkeen nousuun liittyi levottomuuden lisääntyminen, samoin sydänsurut. Vasta 1600-luvulla englantilainen William Harvey osasi kuvata sydämen pumppuna, joka kierrättää verta valtimoiden kautta kaikkialle kehoon ja taas takaisin laskimoita pitkin.

Sydämessä on itse asiassa kaksi pumppua. Oikeanpuoleinen kerää laskimoista vähähappista ja ravinteista tyhjentynyttä verta. Veri keräytyy eteiseen, josta se jatkaa takaiskuventtiilinä toimivan läpän ohi kammioon. Sieltä voimakas pumppausliike pakottaa veren toisen läpän kautta keuhkoihin kaasujen vaihtoon: veri luovuttaa hiilidioksidin ja vastaanottaa tuoretta happea. Runsashappinen veri palaa sydämeen, tällä kertaa vasempaan eteiseen. Sieltä veri jatkaa taas läpän ohi kammioon, jossa kehon väsymättömin lihas sysää veren paineella läpän ohi aorttaan ja edelleen kaikkialle kehoon. Mekaaninen kuvaus sydämestä ei kuitenkaan selvitä, miten soluista on saatu aikaan pumppu. Solut eivät voi toimia omillaan vaan niiden täytyy tehdä koordinoitua yhteistyötä laajentuessaan ja supistuessaan. Lisäksi soluista täytyy muodostaa takaiskuventtiilejä, jotta veri virtaa vain yhteen suuntaan.

1940-luvulla unkarilaistaustainen Albert Szent-Györgyi päätteli, että jos sydän kykeni supistumaan ja rentoutumaan, niin solujen tuli pystyä samaan. Silloin solussa täytyi olla molekyylejä, jotka tuottivat pitkittäistä voimaa vetäen kokoon solun pituutta. Szent-Györgyi kollegoineen löysi kaksi tällaista molekyyliä: myosiinin ja aktiinin. Solun supistuessa ne liukuvat toistensa suhteen kuin kaksi köysien verkostoa. Kun solu saa supistumisärsykkeen, myosiinin osa tarttuu aktiinikuituun ja vetää sitä. Kun aktiini liukuu vetosuuntaan, myosiini tarttuu uudesta kohdasta ja vetää taas, samaan tapaan kuin ihminen vetää köyttä vetokättä vuorotellen. Samalla, kun molekyylit liukuvat toistensa suhteen, koko solu supistuu. Tämä vaatii energiaa, joten sydämen solut ovat täynnä mitokondrioita.

Solu voi siis supistua ja rentoutua, mutta se ei tietenkään riitä. Tarvitaan koordinaatiota, jotta lihakseen saadaan riittävä voima ja liike. 1950-luvulla havaittiin sydämen solujen olevan yhteydessä toisiinsa pikkuruisten molekyylikanavien, aukkoliitosten (gap junction), kautta. Niiden avulla solut kommunikoivat ja synkronoituvat keskenään. Solu vastaanottaa kalsiumioneja, jotka saavat sen supistumaan ja välittämään ioneja edelleen seuraavalle solulle. Tällä tavalla ioniärsyke siirtyy solusta toiseen ja saa koko sydänlihaksen supistumaan. Sydämen lyönnit ovat tahdistettua joukkovoimaa.

Tahdin lyömiseen ei tarvita ulkoisia ärsykkeitä, vaan sydämen omat hermosolujen kaltaiset solut tuottavat rytmikkäitä sähköisiä pulsseja, jotka kulkevat hermoja pitkin sydämen lihaksiin, ensin eteisiin ja sitten kammioihin. Lopputuloksena on määrätietoisesti toimiva elin, joka kuitenkin koostuu lukemattomista itsenäisistä, joskin yksituumaisista, soluista.

Hermosto

Jos sydämen solut ovat yksimielisiä, niin aivojen solut ovat monimielisiä. Aivoja pidettiin vielä 1800-luvulla jonkinlaisena säieverkkona, kunnes espanjalainen Santiago Ramón y Cajal 1880-luvulla havaitsi aivojen koostuvan erimuotoisista hermosoluista, joiden haarakkeet kurkottivat toisten hermosolujen haarakkeisiin. Vaikka hermosolut, neuronit, olivat äärettömän monimuotoisia, niissä oli yhteisiä piirteitä. Solurunkoon, soomaan kiinnittyi kymmeniä, satoja tai jopa tuhansia tuojahaarakkeita, dendriittejä. Lisäksi solurunkoon kiinnittyi yksi viejähaarake, aksoni, joka tosin haarautui moneen otteeseen. Aksoni liittyi toisen solun dendriittiin, mutta väliin jäi pieni aukko, synapsi.

Cajalin mukaan informaatio kulki hermostossa yhteen suuntaan. Impulssi tuli soluun dendriitin kautta ja kulki solurungon läpi edelleen aksonille. Sitten se kulki synapsin läpi seuraavalle hermosolulle, jossa sama toistui. Näin impulssi kulki hermosolusta toiseen lähes loputtomiin aivojen verkostossa. Näistä impulsseista kumpusivat hermoston toiminnot: aistimukset, tuntemukset, tietoisuus, muisti, ajattelu ja tunteet.

Juuri toisen maailmansodan alkaessa vuonna 1939 havaittiin, että hermosolun sai aktivoitua sähköisellä impulssilla. Lepotilassa hermosolussa on paljon kalium- ja vähän natriumioneja, joten solun varaus on negatiivinen. Kun dendriittiin saapuu ärsyke, tyypillisesti aivojen välittäjäaine (neurotransmitter), se kiinnittyy vastaavaan reseptoriin avaten natriumkanavan. Mitä useampaan reseptoriin välittäjäaine kiinnittyy, sitä enemmän kanavia aukeaa. Kun riittävän moni kanava on auennut, solun varaus keikahtaa negatiivisesta positiiviseksi.

Jos varaus ylittää tietyn kynnystason, ionit saavat yhä lisää kanavia aukeamaan. Natriumioneja virtaa sisään ja kaliumioneja ulos. Kanavat aukeavat myös aksoniin, jonka varaus kääntyy myös positiiviseksi. Aksonissa varauksen aiheuttama impulssi avaa kanavan, jonka impulssi puolestaan avaa seuraavan kanavan. Näin impulssi kulkee muutaman millimetrin kerrallaan aksonin päähän saakka. Tämän jälkeen solu palautuu lepotilaansa sulkien kanaviaan ja pumpaten natriumia ulos ja kaliumia takaisin sisään.

Kuten yllä mainittiin, aksoni ja dendriitti eivät ole suoraan kosketuksissa. Niiden välissä on aukko, synapsi. Tämä aiheutti tutkijoille päänvaivaa. Jos aksoni kuljetti sähköistä impulssia ja dendriittiä pystyi stimuloimaan sähköllä, miten synapsi ylitettiin? Nyt tiedämme, että aksonin päässä on rakkula, joka vapauttaa lastinsa, välittäjäaineet, sähköisen impulssin saatuaan. Solu toimii sähköisenä johtimena, mutta solusta toiseen siirrytään kemiallisen välittäjäaineen avulla.

Kaikki dendriitit eivät vahvista solun aktivoitumista; osa niistä vaimentaa. Hermosolu voi siis saada sekä positiivisia että negatiivisia ärsykkeitä muilta hermosoluilta. Solu tavallaan laskee yhteen positiiviset ja negatiiviset ärsykkeet, ja välittää signaalin edelleen aksonin kautta muille soluille, jos nettovaikutus ylittää raja-arvon.

Hermostossa on hermosolujen lisäksi suunnilleen yhtä paljon hermotukisoluja, gliasoluja. Ne ovat hermosolujen tapaan hyvin monimuotoisia. Jotkut niistä muodostavat rasvapitoista myeliinituppea hermosoluille samaan tapaan kuin sähköjohtimissa on muovinen eriste. Toiset niistä vaeltavat ja ahmivat jätteitä ja kuolleita soluja aivoista. Kolmannet toimittavat ravinteita tai siivoavat välittäjäaineita synapseista.

Hermoyhteydet silmän ja aivojen välillä muotoutuvat jo ennen syntymää, joten vastasyntynyt vauva näkee heti, kun pääsee valoon. Tuossa vaiheessa muitakin hermoyhteyksiä syntyy ylimäärin ja myöhemmin niitä karsitaan. Tämän synapsien karsimisen arvellaan kohdentavan aivotoiminnan ”oikeisiin” synapseihin ja poistavan tarpeettomat. Aivot tehostavat toimintaansa eliminoimalla ylimääräisen. Puutarhureina toimivat siihen erikoistuneet gliasolut, mikrogliat. Ne toimivat samalla tekniikalla kuin immuunijärjestelmän syöjäsolut, mutta patogeenien sijaan ne ahmivat synaptisen yhteyden kannalta oleellisen osan hermosolusta. Vielä ei tiedetä, millä tavalla mikroglia valitsee karsittavat synapsit.

Elimistön tasapaino

Sen lisäksi, että elinten solut kommunikoivat keskenään ja toimivat yksituumaisesti, tarvitaan elinten välistä kommunikaatiota informoimaan koko kehon tilasta, jotta elimistön tasapaino, homeostaasi, säilyy. Tämä kommunikaatio tapahtuu hormonien välityksellä. Yksi keskeinen hormoni on haiman tuottama insuliini, joka säätelee veren sokeripitoisuutta ohjaamalla soluja poistamaan sokeria verestä.

Aristoteles totesi haiman koostuvan kokonaan (pan) lihasta (kreas) ja nimesi elimen tällä perusteella (engl. pancreas) yrittämättä selittää sen funktiota. Myöhemmin haiman ajateltiin toimivan jonkinlaisena vaimentavana tyynynä, joka estää vatsaa murskaamasta verisuonia ja hermoja selkärankaa vasten. Haiman todelliset tehtävät alkoivat selvitä Euroopan hulluna vuotena 1848. Ympäri mannerta leviävät vallankumoukset eivät estäneet ranskalaista Claude Bernardia keskittymästä tieteelliseen tutkimukseen. Hän laittoi palan kynttilää koiran haimanesteeseen. Noin kahdeksan tunnin kuluttua rasva oli emulgoitunut, hajonnut pienemmiksi osasiksi. Neste hajotti myös tärkkelystä ja proteiineja. Haiman yksi rooli oli selvinnyt: se eritti suoleen ruoansulatusnesteitä.

Vuonna 1869 saksalainen Paul Langerhans tutki haimaa mikroskoopilla ja havaitsi, että siinä oli pieni määrä erillisiä saarekkeita, joiden solut olivat aivan erilaisia kuin ruoansulatusnesteitä tuottavat solut. Myöhemmin saarekkeita alettiin kutsua haimasaarekkeiksi (tai Langerhansin saarekkeiksi). Niiden merkitys selvisi vasta 1920-luvulla, kun onnistuttiin eristämään saarekkeiden erittämä aine, insuliini, ja havaittiin sen laskevan diabetesta sairastavan potilaan verensokeria.

Haimasaarekkeiden betasolut alkavat tuottaa insuliinia, kun verensokeri, glukoosipitoisuus, nousee. Insuliini leviää kaikkialle kehoon ja käytännössä kaikki solut reagoivat siihen. Silloin kaikki energiaa tarvitseva voi edetä: proteiinien ja rasvan synteesi, kemikaalien varastointi, hermosolujen aktivaatio ja solujen kasvaminen. Insuliini on ehkä kehon merkittävin kaukovaikutteinen viesti.

Tyypin 1 diabetes on sairaus, jossa immuunisolut hyökkäävät haimasaarekkeiden betasolujen kimppuun. Ilman insuliinia kehon solut eivät tunnista sokeria, vaikka sitä olisi runsaasti veressä, vaan alkavat hakeutua muiden energialähteiden varaan. Verensokeri, jolla ei ole muuta ulospääsyä, vuotaa virtsaan. Solut alkavat kuihtua yltäkylläisyyden vallitessa.

Sokeripitoisuuden lisäksi on tärkeää säätää suolapitoisuutta. Ensimmäinen merkki ylimääräisestä suolasta on janon tunne, sillä nopea tapa säätää tasapainoa on yksinkertaisesti juominen. Toinen tapa on poistaa ylimääräinen suola kehosta. Se on munuaisten tehtävä. Niiden verisuonet haarautuvat hienommiksi ja hienommiksi. Lopulta viimeiset hiussuonet kietoutuvat huokoiseksi keräksi, joka päästää läpi vain plasman munuaisten toiminnalliselle yksikölle, nefronille. Tämä järjestelmä suodattaa verestä pois kaikki solut ja suuret molekyylit. Vain pienet molekyylit, kuten suolat, sokeri ja aineenvaihduntajäte pääsevät läpi. Neste, virtsa, valuu nefroneilta kokoojaputkiin ja edelleen virtsajohtimien kautta virtsarakkoon. Sokeri ja muut hyödylliset ravinteet korjataan talteen ja ohjataan takaisin kiertoon.

Veren ylimääräinen suola, tai siinä oleva natrium, saa munuaisten ja lisämunuaisten hormonijärjestelmän vaimentamaan signaaliaan. Silloin munuaisen solut päästävät virtsaan enemmän natriumia elimistön suolatasapainon palauttamiseksi. Toinen tapa vaikuttaa suolatasapainoon on ohjata munuaisen solut säästämään vettä, jolloin elimistön suolapitoisuus laskee. Tätä mekanismia ohjaavat aivot. Silloin jalat saattavat turvota, mutta se on pienempi paha kuin liika suola.

Munuaiset poistavat osan elimistön jätteistä viemäriin, mutta varsinainen jätteenkäsittelylaitos sijaitsee maksassa. Samalla, kun elimistön solut saavat ravinnosta energiaa, ne tuottavat myös jätteitä. Maksan soluilla on kymmeniä keinoja tehdä myrkkyjä vaarattomiksi ja hävittää jätteitä. Solu voi esimerkiksi liittää myrkkymolekyyliin neutraloivan molekyylin ja sitten hajottaa kokonaisuuden rakenneosiinsa. Se voi myös käyttää kemikaaleja jätteiden hajottamiseen. Esimerkiksi alkoholi hajotetaan sarjalla reaktioita. Maksassa on jopa soluja, jotka syövät kuolleita tai kuolevia soluja, kuten punasoluja. Kierrätettävät hajotustuotteet palautetaan elimistön käyttöön. Muut siirretään sisäelimiin tai poistetaan munuaisten kautta.

Maksa osallistuu siten elimistön tasapainon säilyttämiseen haiman ja munuaisten tavoin. Haima vastaa aineenvaihdunnan, munuaiset suolan ja maksa kemikaalien tasapainosta.

Uusiutuminen

Kantasolut

Kun atomipommi pudotettiin Hiroshimaan elokuussa 1945, kuolema korjasi satoa kolmessa aallossa. Ensimmäiset uhrit korventuivat hetkessä. Sen jälkeen seuraavat kuolivat radioaktiivisen säteilyn vaikutuksiin. Kolmannessa aallossa olivat pieniä säteilyannoksia saaneet uhrit, joille kehittyi luuydinvamma ja sitä seuraava krooninen anemia. Säteily ei tappanut verisoluja vaan niiden uusiutumiskyvyn. Hiroshiman pommi todisti, että ihmisellä on soluja, kantasoluja, jotka tuottavat uutta verta koko elämän ajan.

Kantasolu on biologinen paradoksi. Sen kaksi funktiota näyttävät toisilleen vastakkaisilta. Se osaa tuottaa kopioita itsestään, uusia kantasoluja, mutta sen lisäksi se osaa tuottaa erikoistuneita soluja. Tämä tasapainottelu itsekkyyden ja epäitsekkyyden välillä on välttämätöntä elimistön uusiutumiskyvylle ja tasapainon säilymiselle kudoksissa kuten veressä.

Hiroshiman kokemuksesta saatu johtolanka innosti kanadalaiset tutkijat, Ernest McCullochin ja James Tillin, tekemään luuydinkokeita hiirillä. Vuonna 1960 he havaitsivat, että luuydinsiirron jälkeen hiiren pernaan ilmaantui pieniä nystyröitä, jotka tuottivat kaikkia veren soluja – punasoluja, valkosoluja ja verihiutaleita. Vuotta myöhemmin he todistivat, että kunkin nystyrän kaikki kantasolut olivat peräisin yhdestä ainoasta ”perustajasolusta”. He onnistuivat myös siirtämään pernan kantasoluja hiireltä toiselle niin, että vastaanottajan veren uusiutumiskyky palasi.

Luuytimessäkin kantasoluja on harvassa; vain noin yksi 10 000:sta on sellainen. Vasta 1990-luvun alussa opittiin eristämään ihmisen kantasolut muista.

Kantasoluja on löydetty monista elimistä, mutta kiehtovimpia niistä ovat alkion kantasolut (embryonic stem cell, ES cell), josta voisi periaatteessa kehittyä uusi yksilö, alkuperäisen klooni. Vielä 1990-luvulla pidettiin itsestään selvänä, että solun muuttuminen kantasolusta erikoistuneeksi soluksi on yksisuuntainen tie, jolta ei ole paluuta takaisin kantasoluksi. 2000-luvulla asiaa alettiin kuitenkin tutkia; kaikissa soluissahan on sama perimä. Erikoistuminen tapahtuu ottamalla käyttöön osajoukko solun kyvykkyyksistä. Niin saadaan iho-, luu-, sydän- ja aivosoluja.

Japanilainen Shinya Yamanaka tutki asiaa aloittaen 24 potentiaalisesta geenistä 1990-luvun loppupuolella. Vuoteen 2006 mennessä hän oli onnistunut kaventamaan määrän neljään. Kun hän sai nämä geenit ilmaisemaan itseään ihosolussa, syntyi keinotekoinen kantasolu, iPS (indusoitu pluripotentti kantasolu). Myöhemmin sama on onnistunut muillakin geeniyhdistelmillä kuin Yamanakan alkuperäisillä neljällä. Solujen kehitys ei siis ole yksisuuntaista, kantasoluista erikoistuneiksi soluiksi, vaan muutos voi tapahtua myös päinvastaiseen suuntaan.

Kudoksen korjaaminen

Yksilön kehittyessä eri kudokset kasvavat suunnilleen samojen vaiheiden kautta, mutta aikuisena kudoksen ylläpito ja korjaaminen riippuu kudostyypistä. Jos maksa leikataan kahtia, jäljelle jääneet solut jakautuvat, kunnes elin on kasvanut lähes alkuperäiseen kokoonsa. Jos luu murtuu, luunmuodostajasolut (osteoblast) tuottavat uutta luuta korjaten murtuman. Tosin tämä prosessi hidastuu iän myötä. Sitten on myös sellaisia soluja, jotka eivät enää tuota uusia soluja tietyn kehitysvaiheen jälkeen. Tällaisia ovat aivojen ja selkäytimen hermosolut, samoin tietyt munuaisen solut.

Jokaisella kudostyypillä näyttää olevan oma yksilöllinen korjaus ja uusiutumismenettely. Ainakaan mitään yleistä periaatetta ei ole tunnistettu.

Syöpäsolu

Kun käteen tulee haava, elimistö pyrkii palauttamaan tasapainotilan. Ensin verenvuoto tukitaan ja sitten alkaa varsinainen paraneminen. Ihosolut jakautuvat, kunnes ne peittävät haavan ja koskettavat toisiaan. Silloin ne lakkaavat jakautumasta. Tämän kaiken koordinoimiseen tarvitaan paljon soluja, jotka signaloivat toisilleen, pitääkö jakautumista kiihdyttää vai jarruttaa. Syöpää voi ajatella sisäisen tasapainon häiriötilana, jossa kiihdytys- ja jarrutusjärjestelmä on rikki. Solut vain jatkavat jakautumista eivätkä ymmärrä lopettaa.

Syöpäsolun villiintyminen johtuu mutaatioista, jotka ovat sattumanvaraisia. Yhden naisen rintasyövässä voi olla mutaatio vaikkapa 32 geenissä ja toisen 63 geenissä, joista vain 12 on yhteisiä. Patologille syövät näyttäytyvät identtisiltä, mutta geneettisesti ne ovat hyvin erilaisia eikä niitä kannata hoitaa samalla tavalla. Kaiken lisäksi ensimmäisen naisen kaikki geenimuunnokset eivät esiinny jokaisessa syöpäsolussa. Hänellä saattaa olla solu, joissa on 12 geeniä 32:sta, ja sen vieressä solu, jossa on 16 geeniä 32:sta. Siten yksi syöpä saattaa koostua kokoelmasta epäidenttisiä sairauksia. Tämä tietenkin vaikeuttaa hoitoa. Lääke voi tehota osaan mutatoituneista soluista, mutta osa voi olla sille resistenttejä.

Syöpäsolun jakautumista edistävä geneettinen ohjelma on jossain määrin samanlainen kuin kantasoluilla. Esimerkiksi leukemian laukaisevat geenit ovat osittain yhteisiä veren kantasolujen kanssa. Muuttuvatko kantasolut siis syöpäsoluiksi? Ainakin laboratoriossa tämä on osoitettu mahdolliseksi. Erikoistuneen solun muuttaminen syöpäsoluksi onnistuu sekin, mutta se on paljon hankalampaa eikä tiedetä, tapahtuuko sitä käytännössä.

Syöpäsolun ja kantasolun sukulaisuus herättää toisenkin kysymyksen: onko syövällä omat kantasoluvarastot? Tämä näyttää vaihtelevan syöpätyypistä toiseen. Leukemian kantasolut luuytimessä voivat saada taudin uusiutumaan tyhjästä. Ne ovat kuin rikkakasvin juuret, joista kasvi nousee aina uudestaan, ellei niitä poisteta kokonaan. Melanoomassa, iholla esiintyvässä syövässä, suurin osa syöpäsoluista kykenee jakautumaan nopeasti eikä erillisillä kantasoluilla näytä olevan roolia. Rintasyövässä ja aivokasvaimissa tilanne vaihtelee potilaasta toiseen.

Vielä yksi erikoisuus syövässä on, että sitä esiintyy tietyissä elimissä mutta esimerkiksi munuaisissa ja pernassa tuskin koskaan. Kaikissa ympäristöissä syöpä ei selvästikään viihdy. Kyse voi olla aineenvaihdunnasta. Jotkin syöpäsolut ovat riippuvaisia tietyistä ravinteista. 1920-luvulla saksalainen Otto Warburg havaitsi, että monet syöpäsolut käyttävät vain glukoosista saatavaa nopeaa energiaa mutta eivät mitokondrioiden tuottamaa hitaampaa energiaa kuten normaalit solut. On myös aminohappo, proliini, josta jotkin syöpätyypit ovat riippuvaisia. Voisiko syöpäsolun siis näännyttää hengiltä? Tätäkin tutkitaan taas.

Solufysiologian opinkappaleet

Aiemmin esitettiin viisi solufysiologian opinkappaletta yli sadan vuoden takaa. Listaa voi nyt täydentää uuden tietämyksen pohjalta ja lista täydentyy kaiken aikaa:

1. Kaikki solut tulevat toisista soluista (Omnis cellula e cellula).
2. Ihmisen ensimmäisestä solusta ovat lähtöisin kaikki kudokset. Periaatteessa jokaisen solun voi tuottaa alkion solusta tai kantasolusta.
3. Vaikka solujen muoto ja toiminta vaihtelee, niiden fysiologiassa on paljon yhteistä.
4. Nämä yhtäläisyydet voi ohjata erikoistuneisiin toimintoihin. Immuunijärjestelmän syöjäsolu käyttää koneistoaan mikrobien ahmimiseen; gliasolu käyttää samanlaisia mekanismeja synapsien karsimiseen aivoissa.
5. Erikoistuneet solujärjestelmät voivat keskinäisen viestinnän avulla toteuttaa fysiologisia toimintoja, joihin yksittäiset solut eivät kykene. Tällaisia ovat esimerkiksi haavan parantaminen sekä signalointi aineenvaihduntatilasta, aistimuksista, ajattelusta, homeostaasista ja immuniteetista. Ihmiskeho on valtio, jonka kansalaisia ovat yhteistyötä tekevät solut. Jos kansalaiset lakkaavat noudattamasta yhteisiä sääntöjä, sairastumme.
6. Solufysiologia on siten ihmisen fysiologian perusta ja solupatologia on ihmisen patologian perusta.
7. Rappeutumisen, korjaamisen ja uusiutumisen periaatteet vaihtelevat elimestä toiseen. Joissain elimissä on erikoistuneita soluja, jotka huolehtivat kaiken aikaa korjaamisesta ja uusiutumisesta. Esimerkiksi veri uusiutuu koko elämän ajan, vaikka kyky heikkeneekin iän myötä. Joillain elimillä, kuten hermostolla, ei juuri ole uusiutumiskykyä. Vikaantumisen/rappeutumisen ja korjaamisen/uusiutumisen välinen tasapaino määrää säilyykö vai taantuuko elimen toimintakyky.
8. Erillisten solujen toiminnan ymmärtämisen lisäksi on kyettävä tulkitsemaan solukansalaisten vuorovaikutusta, jotta uudenlainen solulääketiede voi syntyä.
9. Kyky rakentaa uusia ihmisiä rakenneosistamme – soluista – on jo lääketieteen ulottuvilla; solujen muokkaaminen voi parantaa tai jopa kumota solupatologian.
10. Soluja muokkaamalla on jo onnistuttu uudelleenrakentamaan ihmisen osia. Kun ymmärryksemme lisääntyy, kohtaamme uusia lääketieteellisiä ja eettisiä pulmia, jotka haastavat käsityksemme itsestämme ja siitä, missä mitassa haluamme muokata itseämme.