KE 5/2018, teema, Metabolomiikka soveltuu laajasti elintarvike- ja ravitsemustutkimuksiin

TEKSTI: akatemiatutkija, FT Kati Hanhineva, Itä-Suomen yliopisto, Afekta Technologies Oy

Metabolomiikka mahdollistaa ihmisen aineenvaihdunnan ilmiöiden laaja-alaisen tarkastelun.

Metabolomiikka, eli metabolinen profilointi on luonnontieteiden uusimpia ja lupaavimpia analysointimenetelmiä. Sillä tarkoitetaan elimistön aineenvaihdunnassa syntyneiden tuotteiden eli metaboliittien rakenteiden ja pitoisuuksien määrittämistä esimerkiksi veri-, virtsa- tai kudosnäytteistä.
Metabolomiikka-analyysi soveltuu elintarvike- ja ravitsemustutkimuksen eri aloille erinomaisesti. Elintarvikkeet, erityisesti kasvikset ja kasviperäiset tuotteet, sisältävät laajan kirjon kemiallisia yhdisteitä, joiden tutkiminen yksittäisten analyysien kautta laaja-alaisesti on lähes mahdotonta.
Sen sijaan metaboliittiprofiloinnin avulla voidaan tuotteen kemiallista koostumusta (yhdistesisältöä) kuvata kokonaisvaltaisesti ja tutkia esimerkiksi, miten teolliset prosessit vaikuttavat antioksidatiivisiin yhdisteisiin ja niiden määriin. Onko hillossa hyötyaineet tallessa samalla tavalla kuin raaka-aineena käytetyssä marjassa? Mitä terveydelle hyödyllisiä yhdisteitä löytyy perinteisellä hapanjuurimenetelmällä valmistetusta ruisleivästä, jos sitä verrataan vaikkapa vaaleaan vehnäleipään?
Massaspektrometrian avulla voidaan määrittää jopa tuhansia, hyvin pienipitoisia yhdisteitä yhdellä mittauksella. Usein massaspektrometriaan pohjautuvalla menetelmällä vertaillaan aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuksia eri ryhmien välillä. Tilastoanalyysin perusteella voidaan tunnistaa ne, jotka ovat koeasetelmassa muuttuneet. Sen jälkeen tärkeimmät muuttuvat aineenvaihduntatuotteet pyritään tunnistamaan (hypoteesivapaa lähestymistapa). Tämä mahdollistaa uusien aineenvaihdunnan merkkiaineiden paikantamisen. Näitä voitaneen hyödyntää tulevaisuudessa myös esimerkiksi sairausriskin arvioinnissa.

Yhdellä mittauksella paljon tietoa
Metabolomiikka-analyysissa pyritään yhdellä mittauksella keräämään tietoa satojen, jopa tuhansien metaboliittien laadusta ja tasoista. Tämä antaa paljon laajemman kuvan näytteen biokemiallisesta laadusta kuin perinteisissä kliinisissä tutkimuksissa käytetyt yksittäiset merkkiaineanalyysit kuten kolesterolimittaus.
Metabolomiikka mahdollistaa ihmisen aineenvaihdunnallisten ilmiöiden laaja-alaisen tarkastelun. Sitä onkin alettu käyttää yhä enemmän työkaluna selvitettäessä esimerkiksi sitä, miten ravitsemus ja muut ympäristötekijät yhdessä perintötekijöiden kanssa vaikuttavat metaboliseen profiilin ja sitä kautta muun muassa sairauksien riskitekijöihin ja syntyyn. Metabolomiikan uskotaan olevan ratkaisevassa roolissa ihmisen kokonaisvaltaiseen hyvinvointiin vaikuttavien biokemiallisten tapahtumien ymmärtämisessä ja edesauttavan yksilöllisen terveydenhuollon ja lääketutkimuksen kehitystä.
Metabolomiikkaa on sovellettu tutkimustyökaluna useissa ravitsemustutkimuksissa, esimerkiksi ravitsemusinterventiotutkimuksissa, joissa tutkittavat henkilöt satunnaistetaan eri ruokavalioryhmiin ja joissa heille tehdään mittauksia sekä tutkimuksen alussa että lopussa. Nämä uudet menetelmät auttavat ymmärtämään entistä syvällisemmin ja paremmin, millaisia vaikutuksia ruokavaliolla on ihmisen elimistössä. Moni tärkeä havainto on saattanut jäädä huomaamatta aiemmin käytetyillä mittareilla.
Sen lisäksi, että metabolomiikka auttaa ymmärtämään ruokavalion vaikutusmekanismeja paremmin, se auttaa ymmärtämään paremmin, millaisia yhdisteitä ruoka sisältää. Esimerkiksi kasvikset, hedelmät ja marjat sisältävät tuhansia yhdisteitä, joilla voi olla vaikutusta ihmisten terveyteen.

Työkalu tuoteväärennösten paljastamiseen
Metabolomiikka-analyysi mahdollistaa elintarviketeollisuudelle täysin uudenlaisen työkalun havaita tuoteväärennöksiä. Yksittäisten tekijöiden mittaaminen, esimerkiksi appelsiinimehun raaka-aineen C-vitamiinipitoisuus, ei välttämättä kerro tuotteen alkuperästä mitään, ja sen pitoisuutta on jopa mahdollista muokata. Metaboliittiprofilointi ottaa sen sijaan huomioon kaikki tuotteessa mukana olevat yhdisteet, jopa tuhansien molekyylien kirjon.
Metaboliittiprofiili kertoo tuotteen alkuperästä, geneettisestä taustasta ja myös viljelyolosuhteista sekä antaa luotettavan kuvan tuotteen kokonaisvaltaisesta koostumuksesta. Kun vastikään tutkittiin viinimaisteluillassa otettuja punaviininäytteitä, analyysi erotteli hienosti eri lajikkeet. Kaksi lajiketta, jotka näyttivät analyysin perusteella olevan keskenään samankaltaisia, paljastuivatkin läheisiksi sukulaislajikkeiksi.

Suolistoflooraa voidaan tutkia yksilöllisesti
Suolistofloora vaikuttaa olennaisesti ihmisten terveyteen ja erityisesti ravitsemuksen vaikutusten välittäjänä se on viime vuosina noussut erittäin kiivaan tutkimuksen kohteeksi. Vähitellen on alettu ymmärtää, kuinka suuri vaikutus suoliston mikrobikoostumuksella on ihmisten terveydentilaan.
Suolistofloora muokkaa ravintoa ja esimerkiksi irrottaa ravintokuidusta yhdisteitä, jotka muuten jäisivät imeytymättä elimistöön. Mikrobisto myös muokkaa yhdisteiden kemiallista rakennetta. Elimistöön imeytyvien yhdisteiden kirjo riippuu paljon siitä, millainen mikrobikoostumus suolistossa on.
Mikrobiston toiminta on suorassa yhteydessä myös aivojen toimintaan ja säätelee osaltaan kylläisyyden tunnetta ja energia-aineenvaihduntaa. Suolistoflooran koostumuksella on todettu olevan yhteyttä myös mielenterveyteen suolistossa syntetisoitavien hermoston välittäjäainemolekyylien kautta.
Huomionarvoista on myös se, että eri mikrobilajit ovat erikoistuneet erityyppisiin prosesseihin ja myös ravinto muokkaa lajien koostumusta.
Metabolomiikka-analyysillä voidaan selvittää yksityiskohtaisesti sitä, millaisia muutoksia ravitsemus saa aikaan suolistofloorassa ja millaisia yhdisteitä suolistofloora lähettää verenkiertoon ja vaikuttaa sitä kautta ihmisten terveydentilaan. Metabolomiikalla voidaan tutkia suoraan, millaisia aineenvaihdunnallisia toimintoja suolistoflooralla on. Tätä ei saada selville, jos keskitytään pelkästään analysoimaan suolistoflooran bakteerikirjon koostumusta.

******************************
Tutkija ja toimitusjohtaja

Lukioaikana akatemiatutkija Kati Hanhineva puntaroi, pyrkisikö oikeustieteelliseen, mutta myös biokemia kiinnosti.
− Kemia ja biokemia pureutuvat elämän perusteisiin. Halusin ymmärtää paremmin, miten elimistö toimii, hän perustelee valintaansa.
Simolaissyntyinen Hanhineva suoritti filosofian maisterin tutkinnon molekyylibiologia pääaineenaan Oulun yliopiston biokemian koulutusohjelmassa vuonna 1997. Seuraavana vuonna hän muutti kemistimiehensä työn perässä Kuopioon ja jäi äitiyslomalle. Sen jälkeen alkoi väitöskirjatyö Kuopion yliopiston kasvibiokemian tutkimusryhmässä professori Sirpa Kärenlammen johdolla. Väitöskirjaa viivästytti kaksi uutta äitiyslomaan niin, että Hanhineva väitteli vuonna 2008 mansikan fenolisten yhdisteiden biosynteesin muuntelusta ja metaboliittiprofiloinnista.
Väitöskirjatyön aikana hän vieraili usein Weizman-instituutissa Israelissa ja tutustui siellä metabolomiikkaan, jota Suomessa ei juurikaan tuolloin tunnettu. Väitöskirjansa viimeistelyvaiheessa hän siirtyi työskentelemään post doc -tutkijaksi professori Hannu Mykkäsen kliinisen ravitsemustieteen laitoksella toimivaan ryhmään ja ryhtyi selvittämään, mitä ravinnosta, muun muassa täysjyväviljasta saatavat fytokemikaalit merkitsevät ihmisen terveydelle.

Metabolimiikkasovellusten uranuurtaja
Vuonna 2014 Kati Hanhineva sai viisivuotisen akatemiatutkijan rahoituksen Suomen Akatemialta ja jatkoi täysjyvätuotteiden terveysvaikutusten tutkimista. Johtoajatuksena on ollut saalistaa viljassa olevia yhdisteitä ja selvittää, miten ne muokkaavat suolistoflooraa ja vaikuttavat sitä kautta ihmisten terveydentilaan.
Suolistoflooraa voidaan jonkin verran muuttaa dieetillä. Se peritään äidiltä, mutta myös ympäristö vaikuttaa siihen. Tulevaisuuden haaveena on päästä metabolomiikkaa jalostamalla sairauksien jäljille sylkinäytteen avulla.
Nykyisin Kati Hanhineva on metabolomiikka-analyysipalveluja erityisesti elintarvike- ja lääketeollisuudelle tarjoavan Afekta Technologies Oy:n osaomistaja, perustajajäsen ja toimitusjohtaja. Itä-Suomen yliopistosta lähtöisin oleva spin-off yritys tarjoaa metabolomiikka-analytiikkapalveluita yrityksille ja tutkimuslaitoksille Suomessa ja kansainvälisesti.
Yrityksen perustajiin kuuluvat Hanhinevan lisäksi apurahatutkija Olli Kärkkäinen, apulaisprofessori Jussi Paananen ja jatko-opiskelija Ville Koistinen.
Hanhineva on kansainvälisestikin elintarvike- ja ravitsemustieteen metabolomiikkasovellusten uranuurtaja, joka on tehnyt alan tutkimus- ja kehitystyötä yli kymmenen vuoden ajan. Metabolomiikka mahdollistaa laaja-alaisen aineenvaihduntatuotteiden analyysin tutkittavasta näytteestä. Metabolomiikan keinoin näytteestä voidaan analysoida yhdellä kertaa jopa tuhansien, myös ennalta tuntemattomien yhdisteiden koostumus ja pitoisuus.