Toksikologiset mittaukset auttavat ymmärtämään ilmansaasteiden vaikutusta keuhkosoluihin

GIANT-projektin aikana on tutkittu paljon ultrapieniä hiukkasia ja niiden kulkeutumista sisäilmaan. Huhtikuussa Tampereen yliopistolla toteutettiin myös toksikologinen tutkimus, jossa tarkasteltiin sitä, miten nokihiukkasten koko, metallihiukkaset ja sisäilmassa usein esiintyvä haihtuva orgaaninen yhdiste limoneeni vaikuttavat keuhkosoluihin. Tutkimus tehtiin laboratorio-olosuhteissa, joissa solut altistettiin ilmansaasteille. Tavoitteena on ymmärtää paremmin ilmansaasteiden vaikutuksia keuhkojen solujen toimintaan.

Toksikologisessa tutkimuksessa tarkastelussa olleita soluja solukupeissa.

Huhtikuussa GIANT-projektissa suoritettiin toksikologinen mittaus, jonka avulla voidaan selvittää muun muassa sitä, miten ultrapienet hiukkaset, kuten mustahiili ja metallihiukkaset, vaikuttavat keuhkosoluihin ja ympäröiviin kudoksiin. Toksikologiassa tutkitaan kemikaalien ja muiden ympäristötekijöiden haitallisia terveys- ja ympäristövaikutuksia. Inhalaatiotoksikologia on tutkimusala, joka keskittyy hengitettävien ympäristötekijöiden haitallisiin vaikutuksiin.

Tutkijatohtori Henri Hakkarainen Itä-Suomen yliopistosta saapui Tampereelle suorittamaan toksikologista tutkimusta.

Tutkimuksessa jäljiteltiin tilanteita, joissa erilaisista päästölähteistä, kuten esimerkiksi liikenteestä, syntyvät hiukkaset pääsevät keuhkosoluihin.

”Altistimme keuhkosoluja ilmansaasteille ja mittasimme soluista erilaisia toksikologisia reaktioita, kuten esimerkiksi solujen elävyyttä, tulehdustilaa ja DNA:n hajoamista. Tutkimme myös hapettavan stressin syntymistä soluissa”, kertoo tutkijatohtori Henri Hakkarainen Itä-Suomen yliopistosta.

Hapettava stressi on soluissa tapahtuva reaktio, joka voi aiheuttaa solukuolemaa, kun solujen happiradikaalien tasapaino menee sekaisin, mikä aiheuttaa vahinkoa solulle. Esimerkiksi metallihiukkaset, kuten ajoneuvojen jarrupäästöt, on yhdistetty solujen hapettavaan stressiin.

Hakkarainen kertoo, että toksikologiset mittaukset sujuivat pääasiassa hyvin. Vaikka joitakin haasteitakin esiintyi, solualtistukset onnistuivat ja tutkijat saivat myös toistettua tarvittavan määrän mittauksia.

Toksikologia auttaa kääntämään huomiotamme haitallisiin hiukkasiin

Hakkaraisen mielestä GIANT-projektissa on tärkeää tehdä myös toksikologista tutkimusta, sillä se antaa lisää tietoa siitä, miten erilaiset hiukkasyhdisteet ja -sekoitukset vaikuttavat soluihin. Esimerkiksi metallihiukkasten rooli liikenteessä ja ilmansaasteissa on hänen mielestään todella mielenkiintoinen.

”Vaikka kaupunkiympäristöjen polttoperäisiä hiukkasia saadaan vähennettyä, kun liikenne modernisoituu, metallihiukkasten eliminointiin ei olla panostettu läheskään yhtä paljon. Metallihiukkaset voivat olla erittäin pieniä, jolloin ne pääsevät helposti myös sisäilmaan. Aiemmissa tutkimuksissa on havaittu viitteitä niiden huomattavasta haitallisuudesta ihmisten terveydelle”.

Hakkarainen valvoi tutkimuksessa käytetyn ALI-laitteen käynnistystä.

Eri hiukkasten haitallisuutta ja vaikutusta ihmiseen on tärkeää tutkia, jotta osaamme tehdä oikeanlaisia toimenpiteitä ja kiinnittää huomiota ilmansaasteisiin.

Hakkarainen muistuttaa kuitenkin, että vaikka solumalleilla voidaan simuloida oikean elämän tilanteita, malleista ei voi suoraan tehdä johtopäätöksiä vaikutuksesta ihmiseen kokonaisuutena.

”Toki tutkimukset antavat osviittaa. Jos esimerkiksi altistamme keuhkosoluja suuremmalla määrällä metallihiukkasia ja solut reagoivat siihen, niin se sama efekti voisi hyvin tapahtua myös keuhkoissammekin”.

Toksikologisten mittauksien avulla voidaan perustella, miksi jotain tiettyä ilmassa olevaa hiukkasta täytyisi mitata ja tutkia lisää.

"Tämän tutkimuksen tuottama tieto voi tukea sellaisten lainsäädännöllisten toimien kehittämistä, jotka kohdistuvat ilmassa esiintyviin haitallisimpiin hiukkasiin ja yhdisteisiin. Tämän seurauksena voidaan saavuttaa terveyshyötyjä väestötasolla"

Miten toksikologisia mittauksia suoritettiin?

Tässä artikkelin osiossa käsitellään tarkemmin sitä, miten ja millaisilla laitteilla toksikologisia mittauksia suoritettiin.

Soluja altistettiin ilmansaasteille suorilla päästölähteillä

Toksikologisessa tutkimuksessa tarkasteltiin keuhkojen pintakudossoluja, puolustussoluja sekä verisuonisoluja. Solut istutettiin pieniin insertteihin eli solukuppeihin asetelmaan, jonka avulla pystyttiin simuloimaan keuhkojen solukkoa. Keuhkosoluja oli tutkimuksissa kahdenlaisia, mikä mahdollisti myös keuhkojen eri osien vertaamisen keskenään.

Tutkittavana olleet solut aseteltiin solukuppeihin, jotka simuloivat ihmisen keuhkoja.

Solukupit laitettiin air-liquid interface (ALI)-laitteen sisään, jossa soluja altistettiin muun muassa metalli- ja nokihiukkasille. ALI-laitteen avulla soluja saadaan altistettua suoraan päästölähteistä tuleville ilmansaasteille. Laitteessa on soluille sopiva 37 asteen lämpötila sekä kosteus, jotta itse laiteolosuhteet eivät vaikuttaisi negatiivisesti solujen hyvinvointiin.

Soluja altistettiin päästölähteille ALI-laitteen sisällä tunnin ajan.

Vaikka maailmalta löytyy muitakin ALI-laitteita, näissä tutkimuksissa käytetty Itä-Suomen yliopistossa kehitetty ALI on optimoitu nimenomaan ultrapienille hiukkasille. Kyseisen ALI-laitteen ala- ja yläosan välillä on 20 asteen lämpötilaero. Kun 37 asteinen aerosoli tulee laitteen sisään, lämpötilaero aiheuttaa voiman, jonka takia ilmansaasteet nousevat ylöspäin laitteen sisällä. Koska soluja sisältävät kupit ovat tässä ALI-laitteessa sen yläosassa, efekti lisää ilmansaasteiden tarttumista soluihin. Laitteessa toimiva voima vaikuttaa vain pienempiin noin alle 400-500 nanometrin hiukkasiin ja siksi se soveltuukin muita ALI- laitteita paremmin esimerkiksi juuri ultrapienten hiukkasten vaikutusten tutkimiseen.

Suoralla päästöaltistuksella voidaan simuloida esimerkiksi liikennepäästöjen vaikutusta keuhkoihin

Tutkimuksessa oli käytössä kolme erilaista päästölaitetta. Niiden avulla tehtiin erilaisia päästösekoituksia, joilla soluja altistettiin. Päästölaitteilla tuotettiin esimerkiksi jarrupölyä vastaavia metallihiukkasia. Tutkijat laittoivat metallipaloja erittäin kuumaan uuniin, jossa metalli höyrystyi ja tiivistyi todella pieniksi hiukkasiksi. Sitten metallihiukkaset johdettiin samaan putkeen nokihiukkasten kanssa.

Kuvassa olevilla päästölaitteilla luotiin ilmansaasteita, joilla soluja altistettiin.

Toksikologisessa tutkimuksessa pyrittiin simuloimaan tosielämän tilanteita, joissa ihmisen keuhkosolut altistuvat ilmansaasteille. Nokihiukkasten tuotossa pyrittiin jäljittelemään kuumasta pakoputkesta ympäröivään ilmaan saapuvia pakokaasuja

”Tarkoituksena oli simuloida liikennettä, joka käyttää fossiilisia polttoaineita ja levittää päästöjä. Seoksessa oli mukana kaasupolttimella tuotettua nokea ja pieniä metallihiukkasia, joita syntyy esimerkiksi ajoneuvojen jarruista”, Hakkarainen selittää.

Tutkimuksissa simuloitiin myös sisäilmassa olevien haihtuvien yhdisteiden kulkeutumista keuhkoihin.

”Haihdutimme esimerkiksi limoneenia, jota käytetään monissa kodin puhdistusaineissa hajusteena. Ohjasimme näitä uunissa haihtuneita orgaanisia kaasuja sekä hiilihiukkasia samanaikaisesti soluihin. Tällainen yhteisvaikutus syntyy luonnollisestikin, kun ulkoilman hiukkasia päätyy sisäilmaan”, Hakkarainen kuvailee.

Myös noki- ja metallihiukkaset, joilla soluja altistettiin, olivat tarkasteltavana. Tutkijat mittasivat muun muassa hiukkasten kokojakaumaa, hiukkasten pitoisuutta ilmassa, hiukkaskompositiota eli millaisia yhdisteitä päästölähteistä syntyi sekä VOC-yhdisteiden eli haihtuvien orgaanisten yhdisteiden määrää.

Hakkarainen kertoo, että hiukkasten mittaaminen ja siitä saatava data on erittäin tärkeää toksikologisten tulosten analyysissä.

Soluista saatuja näytteitä tutkitaan kesän aikana

Kun soluja oli altistettu hiukkasille ALI-laitteessa tunnin ajan, solut laitettiin vielä inkubaattoriin eli lämpökaappiin vuorokaudeksi. Koska soluilla voi kestää reagoida altistukseen, 20–24 tunnin inkubaatio antaa hiukkasille aikaa muun muassa päästä solujen sisään ja vaikuttaa syvemmälle soluihin. Solut saavat myös aikaa tuottaa enemmän tulehdusvälittäjäaineita.

Myös kasvatusneste, jossa solut olivat solukupeissa, kerättiin talteen tutkittavaksi.

Tämän jälkeen talteen kerättiin neste, jossa solut olivat olleet sekä itse solut solukuppien molemmilta puolita. Osasta soluista otettiin joitakin mittauksia, jonka jälkeen ne jäädytettiin -80 asteen syväjäähän. Muut solut kiinnitettiin solukuppeihin, jotta tutkijat pystyvät tarkastelemaan mikroskoopilla sitä, miten solut ovat olleet solukupissa. Kiinnityksessä solu kuolee, mutta jää muotoonsa, jolloin niitä pystytään tutkimaan myöhemmin.

Tampereen yliopistossa soluille tehtiin koe, jossa tarkasteltiin, olivatko solut selvinneet hengissä altistuksesta. Muut kokeet soluille tehdään Itä-Suomen yliopistossa. Kesän aikana tarkoituksena on analysoida solujen kasvatusnesteestä tulehdusvälittäjäaineita ja mitata soluista DNA-vaurioita.

”Soluista voidaan tutkia myös niiden yleisrakennetta. Onko se esimerkiksi hajonnut ja onko solu tuottanut tulehdusvälittäjäaineita? Voimme myös mitata, onko solujen DNA hajonnut tai onko siellä tapahtunut muutoksia? Tämän tiedon avulla voidaan arvioida esimerkiksi hiukkasten mahdollista syöpää aiheuttavaa vaikutusta”

Tutkimuksien aikana näytteitä kerättiin tuhansia kappaleita ja joidenkin analysoimisessa voi mennä useita kuukausia. Saaduista tuloksista on tarkoitus tehdä ainakin yksi tutkimusartikkeli sekä väitöskirja.

Tutkimuksen tekijät

Solujen altistuksesta olivat vastuussa Itä-Suomen yliopiston tutkijat Henri Hakkarainen ja Hanna Tykkyläinen. He ovat osa Pasi Jalavan vetämää Inhalaatiotoksikologian ryhmää.

Mittauksia tekemässä olivat Tampereen yliopiston tutkijat Ukko-Ville Mäkinen, Teresia Strandén, Ville Silvonen ja Laura Salo. He kuuluvat Topi Rönkön vetämään Aerosolipäästöt ja ilmanlaatu -ryhmään.

Lisäksi Tampereella kerättiin suodatinnäytteitä, joita Itä-Suomen yliopiston Katja Kannisen tutkimusryhmä tulee käyttämään aivoterveyden tutkimuksessa.

Teksti ja kuvat:

Julia Lammi

GIANT-viestintä

GIANT-projektissa tutkitaan ilman epäpuhtauksien, kuten ultrapienten hiukkasten, mustan hiilen, haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) ja sekundääristen aerosolien roolia sisä- sekä ulkotiloissa. Projektin keskiössä ovat WHO:n uudet maailmanlaajuiset ilmanlaatuohjeet ja niiden mahdolliset vaikutukset kansainvälisiin markkinoihin, erityisesti edistyneiden sisäilmaratkaisuiden markkinoihin.

Projekti on luonteeltaan monitieteinen. Sitä toteuttava konsortio koostuu viidestä tutkimuslaitoksesta, kaupunkitoimijoista sekä teknologiseen kehittämiseen, aerosolimittauksiin, ilmanpuhdistukseen, ilmanvaihtoon ja datan visualisointiin erikoistuneista yrityksistä. Läpileikkaavia teemoja hankkeessa ovat ulkoympäristöt, rakennusteknologiat, talotekniikka ja suunnittelu sekä sisäympäristöt. Kansainvälinen yhteistyö vahvistaa projektia entisestään tuomalla hankkeeseen maailmanlaajuista huipputason osaamista sekä tutkimusympäristöjä.

Projektissa mukana olevat tutkimuslaitokset ovat Tampereen yliopisto, Ilmatieteen laitos (FMI), Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy, Helsingin yliopisto ja Itä-Suomen yliopisto.

Hankkeessa mukana olevat yritykset rinnakkaisten yrityshankkeiden kanssa ovat Air0 Oy, Airmodus Oy, Cervi Oy, Gasera Oy, Pegasor Oy, Realin Oy ja Velco Oy. Airyn Technologies Oy, Helsingin kaupunki, Tampereen kaupunki, Vantaan kaupunki, Dekati Oy, Entos Oy, e-Group Oy, Halton Oy, Helsingin seudun ympäristöpalvelut HSY, Inspector Sec Oy (ISEC) ja Lifa Air Oy ovat projektin yhteistyöyrityksiä. Projektia koordinoi Tamlink Oy.