Neurologisissa sairauksissa tapahtuu hienovaraisia solutason muutoksia jo paljon ennen kuin rakennemuutokset voidaan havaita lääketieteellisillä millimetriluokan kuvantamismenetelmillä. Muutoksia tapahtuu esimerkiksi hermosolujen viejähaarakkeissa eli aksoneissa, jotka myeliinituppeineen muodostavat aivojen valkean aineen, ja niiden mittaaminen voisi edistää sairauksien varhaisempaa diagnostiikkaa ja seurantaa. Itä-Suomen yliopiston ja New Yorkin yliopiston tuoreessa tutkimuksessa osoitettiin, että aksonimuutoksiin perustuvia biomarkkereita voidaan mitata aivojen diffuusiomagneettikuvauksella. Diffuusiomagneettikuvaus mittaa vesimolekyylien liikettä eli diffuusiota kudoksissa ja tavoittaa myös kudosten mikrorakenteiden muutokset.
Tulos perustuu diffuusioon liittyvän teoreettisen fysiikan viimeaikaiseen kehitykseen sekä ennennäkemättömän laajamittaiseen valkean aineen mikrorakenteen kolmiulotteiseen rekonstruointiin tilavuuselektronimikroskopian (vEM) avulla. Itä-Suomen yliopiston akatemiatutkija Ali Abdollahzadehin kehittämät laskennalliset menetelmät mahdollistivat satojentuhansien aksonien rekonstruoinnin nanometrin tarkkuudella vEM-kuvista, jotka saatiin tutkimusjohtaja Alejandra Sierran tutkimusryhmältä. Näin syntyi maailman laajin kvantitatiivinen viiteaineisto valkean aineen kolmiulotteisista mikrorakenteista.
– Rekonstruktiot osoittivat, kuinka aksonit poikkeavat yksinkertaisista suorista putkista, Abdollahzadeh kertoo. – Mittasimme suoraan muun muassa aksonien poikkileikkauksen vaihteluita ja aksonien aaltoilua pituussuunnassa.
Abdollahzadeh on tehnyt post doc -tutkimusta New Yorkin yliopistossa professori Dmitry S. Novikovin ja professori Els Fieremansin johdolla. Novikov on tehnyt diffuusion fysiikan parissa uraauurtavaa työtä, jonka pohjalta hän kehitti Abdollahzadehin kanssa sirontaan perustuvan teoreettisen viitekehyksen diffuusiolle poikkileikkaukseltaan vaihtelevissa aksonirakenteissa. Näin saatiin täsmällinen ratkaisu ilmiötä kuvaavalle Fick–Jacobsin yhtälölle.
– Monimutkaisen fysiikan ongelman ratkaiseminen edellyttää sen tunnistamista, mitkä parametrit todella ovat olennaisia. Aksonien monimutkaisesta geometriasta huolimatta havaitsimme, että vain kaksi rakenteellista parametria määrittelee diffuusiota aksoneissa kokeellisesti saavutettavilla diffuusioajoilla: poikkileikkauksen keskimääräinen käänteisluku sekä poikkileikkausvaihteluiden varianssi pitkällä aikavälillä, Novikov selittää.
Menetelmää validoitiin Kuopion biolääketieteellisessä kuvantamisyksikössä traumaattisen aivovamman kokeellisen rottamallin avulla ja diffuusiomagneettikuvaus osoitettiin herkäksi näille mikrorakenteellisille parametreille vielä kuukausia vamman jälkeen. Tutkijoiden mukaan diffuusiomagneettikuvaus näyttääkin soveltuvan aksonimuutosten määrälliseen, kajoamattomaan mittaamiseen, mikä avaa uusia mahdollisuuksia monien neurologisten sairauksien diagnostiikkaan, seurantaan ja hoitovasteen arviointiin.
Tulokset julkaistiin Nature Communications -lehdessä, joka esitteli artikkelia yhtenä viime aikojen kiinnostavimmista.
Lähestymistapaa sovelletaan seuraavaksi muidenkin neurologisten sairauksien eläinmalleihin hyödyntäen professori Olli Gröhnin johtaman Kuopion biolääketieteellisen kuvantamisyksikön uutta huippuluokan 9,4 teslan MRI-laitetta kanssa. Biomarkkerien toimivuutta on jatkossa tarkoitus testata myös ihmisten aivokuvantamisessa Kuopion yliopistollisessa sairaalassa ja New Yorkin yliopistossa.
Fieremansin mukaan kyseessä on aidosti translationaalinen tutkimus, jossa nanometriluokan mikrokudosrakenteiden kuvantamistietoa siirretään eläinmalleista ihmisen aivokuvantamiseen. – Tämä mahdollistaa mikrorakenteita kuvaavien biomarkkerien testaamisen ensimmäistä kertaa ihmisillä.
Tutkimusartikkeli:
Abdollahzadeh, A., Coronado-Leija, R., Lee, H.-H., Sierra, A., Fieremans, E., Novikov, D.S. Scattering approach to diffusion quantifies axonal damage in brain injury. Nature Communications 16, 9808 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64793-1
