Sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa Kuopion kampuksella. Tilaisuutta voi seurata myös verkossa.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe?
Väitöstutkimukseni aihepiiri on polven nivelrikko. Nivelrikko vaivaa yli 40 miljoonan eurooppalaisen elämää. Nivelrikkopotilaiden elämänlaatuun vaikuttaa ratkaisevasti kipu ja nivelen liikeratojen rajoittuminen, joiden taustalla on niveltyvien luiden päitä päällystävän nivelruston oheneminen ja rappeutuminen. Nivelruston rappeutumista ei pystytä kumoamaan. Tämän takia on ensisijaisen tärkeää ennaltaehkäistä ja hidastaa rappeutumista, mutta tämän saavuttamiseksi on ymmärrettävä mitkä mekanismit vaikuttavat ruston rappeutumiseen, sekä miten rappeutumista voitaisiin ennustaa. Nivelrikon etenemisen ennustamisessa ja ymmärtämisessä avuksi tulevat tietokonemallit.
Väitöstutkimuksessa kehitettiin yhtä nivelrikon ilmenemismuotoa, traumaperäistä nivelrikkoa, ennustavia tietokonemalleja kudos- ja niveltasoilla. Tietokonemalleissa huomioidaan traumaperäisen nivelrikon kaksi keskeistä mekanismia: biomekaaninen vaurio tai rasitus, sekä tulehdusreaktio. Lisäksi ymmärtääksemme tarkemmin aikaisen vaiheen traumaperäisen nivelrikon taustalla vaikuttavia biomekaanisia ja tulehduksellisia mekanismeja, teimme yhteistyössä Massachusettsin teknillisen korkeakoulun (MIT) kanssa kokeellisen nivelrikkomallin naudan rustokudoksessa. Tällaisista kokeista saatavat löydökset ovat tärkeitä biofysiikka-pohjaisten tietokonemallien kalibroimisessa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöstutkimuksessa yhdistettiin ensimmäistä kertaa sekä biomekaaniset, että tulehdukselliset tekijät toimimaan yhtä aikaa kudostason tietokonemalleissa. Mallien avulla ennustettiin, että kävelemisen aikainen rustoa repivä biomekaaninen rasitus, kuten leikkausvenymä, voi johtaa paikalliseen rappeutumiseen rustovaurioiden läheisyydessä. Tulehduksen vaikutukset havaittiin sen sijaan laajemmin; ulkopuolisen nesteen kanssa kosketuksissa olevat rustopinnat toimivat siirtymisreitteinä tulehdusta edistäville biomolekyyleille (sytokiineille), joiden vuorovaikutus rustosolujen kanssa voi johtaa entsymaattiseen ruston rakennusosien hajoamiseen. Kun biomekaaniset ja tulehdukselliset tekijät toimivat samanaikaisesti, yhteisvaikutus oli rappioittavampi kuin kumpikaan tekijä itsenäisesti. Kirjallisuudesta löytyvät kudostason kokeelliset havainnot, sekä niveltason kvantitatiivisen magneettikuvauksen löydökset tukevat tietokonemallien ennustuksia.
Kudostason kokeellisessa työssä havaittiin fysiologisen kuormituksen hidastavan rappeutumista vaurioituneessa ja tulehtuneessa rustossa lyhyellä, muutaman päivän aikavälillä. Ajan kuluessa fysiologisesti kuormitetut rustonäytteet kuitenkin rappeutuivat enemmän kuin ilman fysiologista kuormitusta olleet vaurioitetut ja tulehtuneet näytteet. Tulokset vaativat vielä varmennusta varsinkin niveltasolla, mutta ne vihjaavat ruston liiallisen kuormituksen esimerkiksi kuntoutuksen aikana olevan haitallista, jos polvessa vallitsee krooninen tulehdustila.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Tuloksia voidaan hyödyntää potilaskohtaisemmassa nivelrikon etenemisen ennustamisessa sekä yksilöidyssä nivelrikon hoidon tietokonepohjaisessa suunnittelussa. Esimerkiksi väitöskirjan neljännessä osatyössä kehitetty niveltason malli tehtiin yhdistämällä ensimmäistä kertaa eturistisideleikkauksen läpikäyneen potilaan magneettikuvat, nivelnestenäyte (sytokiinikonsentraatiot) sekä liikeanalyysi. Mallilla pystyttiin ennustamaan samankaltainen ruston rappeutuminen kuin kvantitatiivisissa magneettikuvissa havaittiin.
Väitöstutkimuksessa tehdyt mallit toimivat perustuksena tulevaisuuden malleille, jotka pyrkivät ennustamaan miten eri hoitokeinot vaikuttavat biomekaaniseen ja tulehdukselliseen ruston rappeutumiseen, sekä miten biomekaaniset ja tulehdukselliset tekijät voivat vaikuttaa potilaan kokemaan nivelkipuun. Tällainen tietokonepohjainen työkalu voisi auttaa ortopedejä valitsemaan kullekin potilaalle optimaalisin hoitokeino, mikä johtaisi potilaiden elämänlaadun kohenemiseen.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Tutkimuksessa hyödynnettiin tietokonemallintamista ja äärellisten elementtien menetelmää, joiden antamia tuloksia vertailtiin kokeellisiin löydöksiin. Kudostason mallit tehtiin yhteistyössä MIT:n kanssa ja niveltason mallit eturistisidekorjausleikkauspotilaasta yhteistyössä Kalifornian yliopiston (San Francisco), Cleveland klinikan (Ohio) ja MIT:n kanssa. Niveltason malleissa hyödynnettiin kvantitatiivista magneettikuvantamista, nivelnestenäytteitä, liikeanalyysiä, ja lihas–luurankomalleja. Kudostason kokeet naudan rustossa tehtiin tutkimusvierailun aikana MIT:ssä, UEF:n kunniatohtoriksi valitun Alan Grodzinskyn laboratoriossa.
Kokeellisia menetelmiä olivat ruston kontrolloitu vaurioittaminen puristamalla, sytokiineille altistaminen sekä fysiologinen toistuva kuormitus mekaanisella puristuslaitteistolla. Ruston koostumusta tutkittiin spektrofotometrisella DMMB-analyysillä sekä digitaalidensitometrialla, biosynteesiä radiomerkattujen näytteiden analyysillä, DNA:n määrää fluorometrisella analyysillä ja solukuolemaa fluoresenssimikroskopialla. Väitöskirjatutkimus on linjassa UEF:n strategisten profiilialueiden kanssa ja osa Tuki- ja liikuntaelinsairauksien tutkimusyhteisön sekä Biofysiikan tutkimusryhmän tutkimusta.
FM Atte Eskelisen väitöskirja Biomechanics and inflammation – regulators of articular cartilage degradation: Models aiming towards comprehensive prediction of post-traumatic osteoarthritis progression (Biomekaniikka ja tulehdus – nivelruston rappeutumisen säätelijät: Kohti kokonaisvaltaisempaa traumaperäisen nivelrikon etenemisen ennustamista) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä toimii professori Farshid Guilak, Washington University in St. Louis, USA; Shriners Hospitals for Children, ja kustoksena professori Rami Korhonen Itä-Suomen yliopistosta.
Lisätietoja:
Atte Eskelinen, atte.eskelinen@uef.fi, p. +358 40 748 3373
