Takaisin

Rustosolujen mekaaniset vasteet muuttuvat ennen nivelrikon puhkeamista

Väitös sovelletun fysiikan alalta
Väittelijä: FM Ari Ronkainen
Aika ja paikka  8.6.2018 klo 12, SN200, Snellmania, Kuopion kampus

Mekaaninen kuormitus on tärkeää nivelruston toiminnan kannalta, sillä kudoksessa olevien rustosolujen kokemat voimat ja muodonmuutokset vaikuttavat niiden aineenvaihduntaan. Filosofian maisteri Ari Ronkainen osoitti väitöskirjassaan, että kanin polven rustosolujen kokemat muodonmuutokset olivat muuttuneet kolme päivää nivelkierukan osittaisen poiston jälkeen, ilman suuria muutoksia nivelruston mekaanisiin ominaisuuksiin tai makroskooppiseen tilaan. Koska tämä polvikirurginen toimenpide aiheuttaa kaneille ajan saatossa nivelrikon kehittymisen, on mahdollista, että havaitut muutokset soluvasteissa johtavat nivelrikon puhkeamiseen.

Väitöskirjatyössä tutkittiin myös, miten kanin polven nivelruston rakenne ja koostumus muuttuivat kolme päivää kirurgisen toimenpiteen jälkeen. Tuloksista huomattiin, että nivelrustojen proteoglykaanimolekyylin konsentraatio oli vähentynyt monissa polven nivelrustoalueissa leikkauksen jälkeen, kun taas nivelruston vankka kollageeniverkosto oli käytännössä vielä vaurioton. Koska saman kirurgisen toimenpiteen tiedetään ajan mittaan aiheuttavan vaurioita myös nivelruston kollageeniverkoston rakenteeseen, on mahdollista, että proteoglykaanipitoisuuden lasku altistaa nivelruston näille kollageeniverkoston vaurioille ja nivelrikon syntymiselle.

Nivelrikolle on monta altistavaa tekijää, kuten nivelvammat, lihavuus, raskas fyysinen työ, tietyt perinnölliset tekijät ja ikääntyminen. Polven nivelrikko yleistyykin maailmanlaajuisesti huolestuttavaa tahtia juuri väestön ikääntymisen vuoksi, ja onkin arvioitu, että nivelrikosta kärsivien ihmisten määrä kasvaa jopa 50 prosenttia seuraavan 20 vuoden aikana. Sen lisäksi että nivelrikko voi yksilötasolla johtaa työkyvyttömyyteen, masennukseen ja yleiseen elämänlaadun laskuun, aiheuttaa nivelrikko yhteiskunnalle valtavia suoria sekä epäsuoria kustannuksia.

Nivelrikon aikana rustokudos tuhoutuu ja polven toiminta heikkenee vähitellen, kunnes liikkuminen voi lopulta muuttua kipeää tekevästä täysin mahdottomaksi. Vaikka nivelrikko voi vaikuttaa aluksi mekaanisen kuormituksen aiheuttamalta nivelruston kulumasairaudelta, on se lopulta biokemiallisten prosessien aiheuttama tila, missä soluväliaine tuhoutuu nopeammin kuin rustosolut pystyvät sitä korjaamaan. Tämän vuoksi on tärkeä ymmärtää, miten rustosolujen käyttäytyminen muuttuu nivelrikon edetessä, ja voitaisiinko tätä estää.

 

Väitöskirjatyössä pureuduttiin nivelruston kudos- ja solutasolle

Työssä kerättiin konfokaalimikroskoopilla kolmiulotteisia kuvapakkoja rustokudoksesta levossa sekä puristuksessa. Näistä kuvapakoista pystyttiin rajaamaan rustosoluja ja laskemaan niiden muodonmuutokset. Tämän jälkeen rustokudoksista valmistettiin mittausalueelta millin tuhannesosan paksuisia näytteitä, joista määritettiin rustokudoksen soluväliaineen paikallinen koostumus käyttäen valomikroskopiaa ja infrapunaspektroskopiaa. Viimeisessä osatyössä hyödynnettiin myös tietokonemallinnusmenetelmää, jonka avulla pystyttiin simuloimaan nivelruston soluväliaineen rakenteen ja koostumuksen vaikutusta rustosolujen kokemiin mekaanisiin vasteisiin.

Tutkimuksessa huomattiin, että rustosolujen muodonmuutokset olivat huomattavasti erilaisia polven eri alueilta otetuissa näytteissä, ja soluvasteet riippuivat nivelruston paikallisesta rakenteesta ja koostumuksesta. Varsinkin ruston kollageeni-molekyylin pitoisuus sekä sen kollageeniverkoston rakenteellinen suuntautuminen linkittyivät rustosolujen mekaanisiin vasteisiin; tämä todettiin sekä teoreettisessa että kokeellisessa tarkastelussa.

 

Vaikka nivelruston kollageeniverkoston rakenteissa ei huomattukaan muutoksia kolme päivää kirurgian jälkeen, on tulosten valossa selvää, että näiden vaurioiden tapahtuessa solujen vasteet muuttuisivat niin radikaalisti, että niitä olisi vaikea palauttaa enää fysiologiselle tasolle. Tätä tulosta voidaan hyödyntää, esimerkiksi keinotekoisia nivelrustosiirteitä suunniteltaessa, sillä jos näissä siirteissä halutaan fysiologisia soluvasteita, olisi erityisen tärkeää pystyä valmistamaan nivelruston kollageeniverkostoa matkivia rakenteita.

Väitöskirjatyössä hyödynnettyä tietokonemallinnusmenetelmää on käytetty aiemmin ennustettaessa nivelrikon kehittymistä polven ylikuormituksen seurauksena. Tässä lähestymistavassa ei kuitenkaan ole tähän asti ollut mukana solutason informaatiota, mutta tulevaisuudessa yksityiskohtainen tieto rustosolujen ja soluväliaineen välisistä vuorovaikutuksista voisi parantaa näiden mallien ennustustarkkuutta nivelrikon puhkeamisen ja etenemisen osalta.

Filosofian maisteri Ari Ronkaisen sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Biomechanical responses of chondrocytes in healthy and menisectomized rabbit knee joints tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Ashvin Thambyah Aucklandin yliopistosta ja kustoksena professori Rami Korhonen Itä-Suomen yliopistosta.

Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa https://kuvapankki.uef.fi/A/UEF+kuvahakemisto/13095?encoding=UTF-8