Takaisin

31.1. Ultraäänihoidon vaikutusmekanismi oletettua monimutkaisempi

Väitös sovelletun fysiikan alalta

Väittelijä: FM Jarkko Leskinen

Aika ja paikka: 31.1.2015 klo 12, Snellmania-rakennus, SN200, Kuopion kampus

Filosofian maisteri Jarkko Leskinen tutki väitöskirjatyössään ultraäänen käyttöä luun ja ruston vaurioiden ja sairauksien hoidossa. Ultraäänihoitoja tehdään paljon, mutta ultraäänen mekanismia, joka stimuloi soluja kudosta parantavasti, ei tunneta. Tutkimus osoittaa, että ultraäänen vaikutukset soluihin ovat aiemmin raportoitua monimutkaisempia.

Tutkimuksen koe muistutti teknisesti ultraääniterapiaa, mutta siinä anturi kytkettiin potilaan sijasta soluja sisältävään kasvatusmaljaan. Työssä keskityttiin perustutkimuksessa ja kudosteknologiassa käytettyihin tyypillisiin in vitro - eli solukoeasetelmiin. Tutkimuksen kokeessa maljoihin syntyi Lamb-aaltoja ja seisovia aaltoja. Lisäksi saatiin selville, että solujen lämpötila nousee herkästi ultraäänikäsittelyn seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin, että ultraääni aktivoi luusolujen toiminnalle tärkeän solusignalointireitin. Signalointi käynnistyi myös, kun solujen lämpötilan nousua vaimennettiin, mikä viittaa muustakin kuin lämmöstä aiheutuvaan vaikutukseen.  Tutkimuksen kiteytetty viesti on, että tietoa todellisesta altistuksesta, kuten solujen lämpötilasta ja akustisesta paineesta, tarvitaan luun ja ruston ultraäänihoidon kehittämiseksi.

Vanha menetelmä, paljon vahvistamatonta

Ultraääni eli korkeataajuuksinen ääni nopeuttaa luun murtumien paranemista ja edesauttaa murtuminen luutumista. Fysioterapiassa ultraääntä käytetään, että nivelrikosta kärsivien potilaiden kivut vähenisivät. Ultraääniterapia on turvallinen ja kivuton. Se tehdään yksinkertaisesti kytkemällä ultraääntä tuottava anturi ihon pintaan 5–20 minuutin ajaksi. Esimerkiksi käypä hoito -suositusten mukaan ultraääniterapian tehokkuutta pidetään heikohkona huolimatta erilaisista menetelmää tukevista julkaisuista.

Solualtistukset ovat tärkeitä ultraäänen eri vaikutusmekanismien kuten lämpötilan nousun ja säteilypaineen yksilöinnissä. Ne myös mahdollistavat tarkempien biologisten vaikutusreittien tutkimisen.

Ultraäänen vaikutukset moninaisia

In vitro -asetelmia käytetään myös kudosteknologisissa sovelluksissa, joissa soluja ja keinotekoisia solurakenteita stimuloidaan ultraäänellä. Käsittelyt lisäävät solujen elinkykyä ja kantasolujen erilaistumista. Aiemmin ei ole juuri tutkittu ultraäänialtistuksen suuruutta koeasetelmissa, jotka ovat mittauskohteina vaativia. Väitöstutkimuksessa hyödynnettiin kajoamattomia, laseriin perustuvia mittauslaitteistoja olosuhteiden selvittämiseksi.

Ultraääni synnytti maljaan samankaltaista nanometrien suuruista liikettä, mitä on aiemmin havaittu murtuneen luun päissä, joita käsitellään ultraäänellä. Ultraäänianturin lähettämän ääniaallon osuessa maljaan syntyi siihen Lamb-tyyppisiä akustisia aaltoja aaltomuodon muutoksen kautta. Aiemmin Lamb-aaltojen on havaittu etenevän elävässä luussa ja pehmytkudoksissa. Tämä tekee niistä mahdollisen soluihin vaikuttavan tekijän, joka on läsnä niin elävässä kudoksessa kuin solualtistuksissakin. Tutkituissa asetelmissa solujen saama akustinen paine oli herkkä muun muassa altistusetäisyyden vaihtelulle, joka vaikutti solutilavuuteen syntyneen seisovan aallon vaiheeseen. Nämä tekijät luovat haasteita asetelmien toistettavalle käytölle ja kalibroinnille.

Lämpötilan nousu yhteydessä solujen toimintaan

Erityisesti luuta stimuloivan vaikutuksen uskotaan aiheutuvan muusta kuin ultraäänen aiheuttamasta lämpötilan noususta, eikä lämpötilaa yleensä mitata. Tutkimuksessa kuitenkin kävi ilmi muun muassa lämpökuvaustekniikan avulla, että ultraäänen aiheuttama useiden asteiden lämpötilan nousu solujen kasvatusmaljoissa on hyvin mahdollinen. Tutkimuksessa myös havaittiin ensikertaa luun toiminnalle ja korjaantumiselle tärkeän luusolujen solusignalointireitin, Wnt/β-kateniini -signaloinnin, aktivoituminen ultraäänikäsitellyissä luusoluissa. Aktivaatio oli erityisen voimakasta silloin, kun ultraääni aiheutti voimakkaan lämpötilan nousun. Signalointi käynnistyi myös tilanteessa, jossa lämpötilan nousua vaimennettiin, mikä viittaa myös muusta kuin lämmöstä aiheutuvaan vaikutukseen.

Rustosoluissa päivittäiset ultraäänikäsittelyt nostivat soluille tärkeän väliainekomponentin, proteoglykaanin, tuotantoa. Pelkällä lämpökomponentilla nousua ei sen sijaan havaittu. Tutkimus korostaakin lämpötilamittausten ja niiden raportoinnin tärkeyttä ja nostaa esiin lämpötilan nousun eli hypertermian hyödyntämisen terapeuttisena työkaluna.

FM Jarkko Leskisen sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Ultrasound Stimulation of Bone and Cartilage - Interactions in Common In Vitro and Tissue Engineering Configurations (Luun ja ruston ultraäänistimulointi - vuorovaikutukset in vitro ja kudosteknologisissa asetelmissa) tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä on professori Chrit Moonen, Utrechtin yliopiston sairaala, Alankomaat (University Medical Center Utrecht) ja kustoksena professori Kullervo Hynynen, Itä-Suomen yliopisto ja Toronton yliopisto. Tilaisuus on englanninkielinen.

Väittelijän painokelpoinen kuva löytyy osoitteesta: http://www.uef.fi/vaitoskuvat