Sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa. Tilaisuutta voi seurata Kuopion kampuksella ja verkossa.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Väitöskirjani perehtyy nivelruston rakenteellisiin muutoksiin rotan polvinivelessä, johon on tuotettu nivelrikko eturistisiteen leikkauksella tai vakavalla ylipainolla. Nivelrikon tarkka tutkiminen rottamallilla edellytti myös mikroskooppisten kuvantamisen metodien ja tietokonemallintamisen kehittämistä osana väitöskirjaan kuuluvaa työtä.
Nivelrikko on maailman yleisin niveltauti, joka on paitsi taloudellisesti, myös ennen kaikkea kansanterveyden kannalta vahingollinen. Nykyisellä lääketieteellä korjaavaa hoitokeinoa tautiin ei ole, minkä takia nivelrikon ennaltaehkäisy on paras hoitovaihtoehto. Tämä vaatii kuitenkin kykyä ennustaa taudin eteneminen yksilötasolla. Kehittäessä nivelruston rappeutumista ennustavia tietokonemalleja, kokeellinen data eläinmalleista osana malleja ja niiden tarkkuuden arviointia on oleellisen tärkeää. Täten myös nivelruston ja sen rappeutumisen tarkka analyysi on oleellista ennustavien mallien tarkkuuden kannalta.
Eläinmallien oleellinen hyöty tässä kontekstissa onkin se että, eläimiin pystytään kohdentamaan tarkasti eri nivelruston rappeuttamista aiheuttavia tekijöitä, jolloin niiden vaikutusta pystytään tarkastelemaan erillään tai yhdessä muiden tekijöiden kanssa. Tässä väitöskirjassa onkin yhdistetty yhteen eläinmalliin post-traumaattisen ja aineenvaihdunnallisen (ylipainoon liittyvän) nivelrikon alatyyppejä. Oleellista ruston tutkimuksessa on tutkia sen eri rakenneosien, proteoglykaanien ja kollageenin muutoksia taudin etenemisen myötä.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöskirjan ensimmäisenä osana kehitimme koneoppimista hyödyntäen tavalla tunnistaa ja erottaa soluja digitaalidensitometria kuvista ruston kudosmatriisin ja solutiheyden tarkaksi tutkimiseksi. Kouluttamamme sovellus saavutti kohtuullisen tarkkuuden, jota pystyimme parantamaan huomattavasti erillisessä projektissa. Tutkiessamme solujen jakaumaa huomasimme lajiominaisen solujakauman, jossa solujen määrä ja pinta-ala oli suurimmillaan ruston keskiosissa. Testatessamme solujen läsnäolon vaikutusta kuva-analyysiin huomasimme, että solujen läsnäololla oli analyysisijainnista riippuen, pieni, mutta tilastollisesti merkittävä vaikutus kuva-analyysiin. Tämän lisäksi huomasimme, että ruston solunsisäinen koostumus poikkesi huomattavasti soluväliaineen koostumuksesta.
Väitöskirjan toisessa osassa huomasimme, että nivelruston koostumus ja rakenne muuttui sekä ylipainon, että niveltrauman seurauksena. Tämän lisäksi ylipainon ja nivelvaurion yhdistäminen johti omalaatuisiin muutoksiin rustossa. Eturistisiteen katkaiseminen, eli niveltrauma, johti ruston proteoglykaanin määrän vähenemiseen ja kollageeniverkon keskiverto orientaation suuntautumisen poikittaiseksi rustopinnan kanssa. Ylipaino, erikseen ja yhdistettynä niveltrauman kanssa, johti proteoglykaanien määrän nousuun ja kollageeniverkon epäorganisoitumiseen. Nämä tulokset viittaavat siihen, että nivelruston rappeutumisen tarkka mallintaminen edellyttää vastaavanlaisten yhdistettyjen nivelrikkomallien kokeellista tutkimista.
Kolmannessa tutkimuksessa korreloimme edellisessä tutkimuksessa havaittuja rustomuutoksia polven nivelnesteestä ja verestä mitattuihin tulehdustekijöiden konsentraatioon. Huomasimme, että leptiini ja fraktalkiini korreloivat usein rustolle terveydelle positiivisella tavalla ylipainoisissa eläimissä. Leptiini ja fraktalkiini ovat molemmat läheisesti nisäkkään metaboliaan vaikuttavia tulehdustekijöitä. Tämän lisäksi voimakkaan angiogeeninen kasvutekijä VEGF korreloi huomattavan usein ruston kollageenin kokonaismäärään. Nämä tulokset vihjaavat, että leptiini, fraktalkiini ja VEGF saattavat olla hyödyllisiä tulevia tutkimusten kohteita nivelrikon mekanismien selvityksessä.
Neljännessä ja viimeisessä osatyössä kehitimme rotan liikettä ja nivelen biomekaanista rasitusta analysoivan tietokonemallin, joka perustui paitsi aiempiin tutkimuksiin rotista ja magneettikuvattuun korkean resoluution magneettikuvantamisdataan. Tämä malli hyödyntää aiempaa liikedataa ja lihas-luuranko-mallinnusta. Mallin avulla havaitsimme, että rotan polvinivelen lateraalinen puoli koki huomattavasti suurempia rasituksia polven mediaaliseen puoleen verrattuna. Tulevat tutkimukset voivat hyödyntää tätä kehitettyä mallia muun muassa arvioimaan rotan polvinivelen pehmytkudosten kuormitustilaa erilaisten kirurgisten interventioiden seurauksena.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Väitöskirjan tutkimustulokset antavat oleellisesti lisätietoa nivelruston rappeutumisesta monien nivelrikon riskitekijöiden samanaikaisesta vaikutuksesta. Tämän lisäksi tulokset voivat antaa ohjeita tulevaan tutkimustyöhön varsinkin eri tulehdustekijöiden vaikutukseen ja siten auttaa tulevien hoitokeinojen kehittämisessä sen lisäksi, että tulokset voidaan liittää tuleviin ennustaviin malleihin. Kehittämämme tietokonemalli tarjoaakin väylän rotan nivelen ja nivelrikon tarkkaan mallintamiseen. Tietokonemallia pystytään tulevaisuudessa parantamaan ottamalla huomioon eläimen tulehdustekijät, ruumiinrakenne ja nivelvamman aiheuttamat mekaaniset rasitteet, mikä voi olla erittäin tärkeä osa tulevien eläinkokeiden kehityksessä.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Väitöskirjatutkimukseni oli osa Suomen Akatemian tukemaa hanketta, jossa päätavoitteena oli kehittää nivelrikon kehitystä ennustavia kliinisiä malleja. Osana tätä hanketta oli koe-eläinmallien tutkiminen, johon väitöstutkimukseni perustui. Eläinnäytteet tähän tutkimukseen saatiin yhteistyönä Calgaryn yliopistosta. Calgarysta saadut histologiset rottien polvisektiot kuvattiin tutkimuksia I-III varten 3 eri kuvantamistavalla, joilla analysoitiin eri komponentteja sektioista. Digitaalidensitometrialla ja sopivalla värjäyksellä tutkittiin ruston proteoglykaanin määrää, polarisoidun valon mikroskopialla sektioiden kollageeniverkon rakennetta ja FTIR-spektroskopialla analysoitiin näytteiden kollageenin määrä. Viimeisessä tutkimuksessa rotan polvi kuvattiin µMRI-laitteella, jotta polven sekä ruston tarkka geometria saatiin siirrettyä tietokonemalliin.
Tutkimusten kuva-analyysissä hyödynnettiin ImageJ-kuvankäsittelyohjelmaa applikaatioineen, MATLAB-laskentaohjelmaa ja Abaqus-ohjelmistoa tietokonemallintamiseen. Tutkimuksessa I koulutimme U-Net neuroverkkoalgoritmin ImageJ-sovelluksen avulla solujen segmentaatiota varten.
FM Kalle Karjalaisen sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Imaging, biology and biomechanics of rat knee joint cartilage in post-traumatic and metabolic subtypes of osteoarthritis (Rotan polviruston kuvantaminen, biologia ja biomekaniikka post-traumaattisessa ja aineenvaihdunnallisessa nivelrikossa) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Kuopion kampuksella ja verkossa. Vastaväittäjänä toimii professori Robert L. Sah, University of California San Diego, ja kustoksena apulaisprofessori Eng Kuan Moo, Carleton University. Tilaisuuden kieli on englanti.
Lisätietoja:
Kalle Karjalainen, kalle.karjalainen@uef.fi, p. 044 255 7325
