Itä-Suomen yliopiston lääketieteellisen fysiikan tutkijat ovat kehittäneet yhteistyössä Kuopion yliopistollisen sairaalan sekä Bostonin, Coloradon osavaltion ja Brisbanen yliopistojen kanssa metalliytimisiä tantaalioksidinanopartikkeleita, joiden halkaisija on noin kolme nanometriä, eli jopa 30 000 kertaa pienempi kuin hiuskarvan paksuus. Nämä ultrapienet nanopartikkelit tarjoavat uusia mahdollisuuksia varhaisen nivelrikon diagnosointiin.
Nivelrikko on ihmisen yleisin nivelsairaus. Suomessa noin miljoona ihmistä sairastaa sitä, ja iän myötä riski kasvaa voimakkaasti. Yli 75-vuotiaista naisista lähes kolmannes kärsii polven nivelrikosta. Nivelrikko kehittyy usein hitaasti vuosien, jopa vuosikymmenten aikana. Sairaus aiheuttaa kipua, jäykkyyttä ja toimintakyvyn heikkenemistä. Vaikeimmillaan liikkuminen, kuten kävely tai portaiden nousu, muuttuu kivuliaaksi ja rajoittaa arkea merkittävästi.
Haasteena on, että nivelrikko diagnosoidaan usein vasta oireiden ilmaannuttua, kun nivelrustossa on jo tapahtunut pysyviä muutoksia. Rustokudos ei kykene korjaamaan itseään, joten sairauden varhainen tunnistaminen olisi ratkaisevan tärkeää. Kun alkava nivelrikko voidaan todeta luotettavasti jo varhaisessa vaiheessa, potilas voidaan ohjata ajoissa asianmukaiseen hoitoon ja seurantaan, joiden on osoitettu hidastavan oireiden pahenemista ja toimintakyvyn heikkenemistä.
Itä-Suomen yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat pyrkivätkin löytämään keinoja, joilla mikroskooppiset rustovauriot voitaisiin havaita lääketieteellisen kuvantamisen avulla jo ennen oireita, erityisesti tapaturman jälkeen, jolloin riski myöhemmälle nivelrikolle kasvaa merkittävästi.
Nanopartikkelien pintavarauksen räätälöinti tarjoaa kaksi eri kuvantamistyökalua varhaiseen nivelrikkoon
Tutkijat hyödynsivät tietokonetomografiaa, joka tuottaa kolmiulotteisia röntgenkuvia kehon rakenteista. Koska nivelrusto on pehmytkudosta eikä näy tavallisessa tietokonetomografiakuvassa selkeästi, sen näkyvyyttä parannettiin erityisesti tätä tarkoitusta varten kehitetyillä varjoaine-nanopartikkeleilla.
Tutkimuksen keskeinen uutuus on poikkeuksellisen pienikokoisten ja muokattavien nanopartikkelien käyttö. Nivelruston soluväliaine on erittäin tiivis ja negatiivisesti varautunut, mikä tekee siitä vaikeasti läpäistävän. Perinteisten varjoainemolekyylien ominaisuuksia ei voida räätälöidä kudosvuorovaikutuksen mukaan, ja aiemmat nanopartikkelit ovat puolestaan olleet usein liian suuria tunkeutuakseen tehokkaasti rustoon.
– Nyt kehitetyt nanopartikkelit ovat riittävän pieniä päästäkseen rustokudokseen, ja niiden pintavarausta ja kokoa voidaan säätää tarkasti esimerkiksi erilaisilla pinnoitteilla. Varausta muokkaamalla pystymme ohjaamaan, miten partikkelit sitoutuvat ruston sisäosiin. Lisäksi nanopartikkelit sisältävät runsaasti röntgensäteilyä vaimentavaa ydintä, mikä parantaa kuvantamisherkkyyttä verrattuna perinteisiin varjoainemolekyyleihin, kertoo väitöskirjatutkija Jiri Jäntti.
Tutkimuksessa valmistettiin kaksi samankokoista nanopartikkelityyppiä, joiden pintavaraus oli joko positiivinen tai neutraali. Laboratorio-olosuhteissa positiivisesti varatut nanopartikkelit imeytyvät syvälle ihmisen nivelrustoon. Rustoon sitoutuneen varjoaineen määrä kuvasti kudoksen rakennetta ja kuntoa: nanopartikkelit tarttuivat ruston proteoglykaaneihin, joiden määrä vähenee nivelrikossa ja jotka ovat keskeisiä ruston jäykkyydelle ja kuormituskestävyydelle. Neutraalit nanopartikkelit eivät sen sijaan imeytyneet ruston sisään pienestä koostaan huolimatta, vaan jäivät kudoksen ulkopuolelle. Ne kuitenkin paljastivat ruston pinnalle syntyneet vauriot ja pienimmätkin kulumat mikrotietokonetomografiakuvissa.
Tulokset toistettiin eläinmalleissa
Kun nanopartikkelit annosteltiin niveleen ja tutkittiin kanin polven ja hevosen ranteen ex vivo -malleissa, rusto saatiin selkeästi näkyviin tietokonetomografiakuvissa. Positiivisesti varautuneet partikkelit levisivät rustokudokseen, kun taas neutraalit partikkelit korostivat pinnallisia vaurioita. Kokonaisen nivelen tietokonetomografiakuvaukset osoittivat, että positiivisilla partikkeleilla voitiin havaita ruston varauksesta johtuvat alueelliset erot sekä pintavauriot myös kliinisellä laitteella, jossa tarkkuus on heikompi kuin mikrotietokonetomografiassa.
– Jirin tutkimusvierailu Bostonin yliopistossa professori Mark Grinstaffin tutkimusryhmässä oli erittäin merkittävä. Vierailu tarjosi Jirille arvokasta kokemusta kansainvälisessä huippututkimusympäristössä. Hän pääsi syventämään osaamistaan nanopartikkelien suunnittelussa ja niiden biologisessa arvioinnissa, sanoo työn ohjaaja, dosentti Janne Mäkelä.
– Grinstaff on kansainvälisesti arvostettu nanomateriaalien kehittäjä, ja tiivis yhteistyö hänen ryhmänsä kanssa on johtanut keksintöilmoitukseen myös toisenlaisesta nanopartikkelista. Näen tällä teknologialla huomattavaa potentiaalia tulevaisuuden kuvantamisratkaisuissa.
Fotonilaskentateknologia mahdollistaa kaksoisvarjoainekuvantamisen
Kliinisessä kuvantamisessa käytetty röntgensäteily koostuu useista eri energioista, kuten päivänvalo eri väreistä. Eri alkuaineet vaimentavat näitä energioita eri tavoin. Aiemmin eri aineiden erottelu on vaatinut useita kuvauksia tai monimutkaista jälkikäsittelyä, mutta uudenlaisella fotonilaskentateknologialla jokaisen röntgenfotonin energia voidaan mitata erikseen. Näin eri paikkoihin ohjatut varjoaineet voidaan tunnistaa samasta kuvasta, hieman samaan tapaan kuin eri värit erottuvat tavallisessa valokuvassa.
– Seuraavassa tutkimusvaiheessa tavoitteenani on yhdistää nämä kaksi lähestymistapaa samaan kuvaukseen. Suuret vismuttipartikkelit paljastavat ruston pintavauriot ja ultrapienet positiiviset tantaalinanopartikkelit arvioivat ruston sisäistä haurastumista, nyt ensimmäistä kertaa samassa tietokonetomografiakuvassa, kertoo Jäntti.
– Kliininen fotonilaskentateknologia on jo käytössä useissa muissa Pohjoismaissa, mutta Suomessa sitä ei vielä ole. Olisi hienoa nähdä tämä teknologia käytössä myös meillä lähivuosina, sillä se avaa aivan uudenlaisia mahdollisuuksia ”monivärikuvantamiseen” ja entistä tarkempaan diagnostiikkaan, sanoo Mäkelä.
Lääketieteellisen fysiikan ja tekniikan yhdistys valitsi artikkelin vuoden 2025 parhaaksi
Ultrasmall Surface-Charge-Modified Tantalum Oxide Nanoparticles for the Assessment of Articular Cartilage Using Contrast-Enhanced Computed Tomography (Ultrapienet pintavaraukseltaan muokatut tantaalioksidinanopartikkelit nivelruston arviointiin varjoainetehosteisessa tietokonetomografiassa) -artikkeli julkaistiin arvostetussa ACS Nano -lehdessä.
Tutkimus palkittiin lääketieteellisen fysiikan ja tekniikan yhdistyksen päivillä Turussa 12.2.-13.2.2026, jossa artikkeli valittiin vuoden parhaaksi julkaisuksi.
Tutkimusryhmää lääketieteellisen fysiikan päivillä edusti myös maisteriksi valmistunut Maria Rissanen, jonka pro gradu -työ voitti toisen palkinnon vastavalmistuneiden tutkijoiden esityskilpailussa. Työssä verrattiin prekliinisten nanopartikkelien ja perinteisen jodivarjoaineen vaikutuksia nivelruston mekaanisiin ominaisuuksiin, mikä syventää ymmärrystä varjoaineiden ja ruston vuorovaikutuksesta sekä niiden mahdollisesta merkityksestä ruston toiminnan säilyttämisessä.
Tutkimus on osa Suomen Akatemia rahoittamaa Uuden sukupolven spektraalitietokonetomografia ja nanokontrastiaineet nivelrikon diagnosointiin -hanketta.
Lisätietoja:
Väitöskirjatutkija Jiri Jäntti, [email protected]
FT, akatemiatutkija, dosentti, Janne Mäkelä, [email protected]
Tutkimusartikkeli:
Jiri Jäntti, Juuso Tuppurainen, Anisha Joenathan, Henri P. P. Leskinen, Annunzia M. Cagnoni, Heta Mertano, Milka Poimala, Ervin Nippolainen, Isaac O. Afara, Juuso T. J. Honkanen, Hanna Matikka, Juha Töyräs, Brian D. Snyder, Kathryn S. Stok, Brad B. Nelson, Mark W. Grinstaff, Janne T. A. Mäkelä
Ultrasmall Surface-Charge-Modified Tantalum Oxide Nanoparticles for the Assessment of Articular Cartilage Using Contrast-Enhanced Computed Tomography, ACS Nano 2026, https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15722
