Sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Kuopion kampuksella. Tilaisuutta voi seurata myös verkossa.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Väitöstutkimuksessa tutkitaan nivelruston, rustonalaisen luun ja keinotekoisen nivelruston ominaisuuksia kuvantamisen ja tietokonemallinnuksen avulla.
Nivelrikko on yleinen sairaus, jossa nivelruston rappeutuminen aiheuttaa kipua ja toimintakyvyn heikkenemistä. Tämä voi vaikuttaa heikentävästi elämänlaatuun ja aiheuttaa merkittäviä kustannuksia yhteiskunnalle. Nykyisillä diagnoosimenetelmillä nivelrikkoa ei voida havaita riittävän aikaisessa vaiheessa. Varhaisempi nivelrikon diagnosointi mahdollistaisi aikaisemmat interventiot, jotka voisivat hidastaa rustokudoksen rappeutumista. Vaikka tällä hetkellä nivelrikkoa ei voidakaan lääkkeellisesti parantaa, aikainen tunnistaminen ja hoito voivat silti hidastaa taudin etenemistä. Jos nivelrikko etenee vakavaksi, se voi lopulta edellyttää tekonivelleikkausta, mikä on sekä suuri että kallis toimenpide.
Nivelruston ja rustonalaisen luun välistä toiminnallista suhdetta on tärkeää tutkia, koska molemmat kudokset kokevat muutoksia nivelrikon edetessä, eikä vielä täysin ymmärretä miten toisessa kudoksessa tapahtuvat muutokset vaikuttavat toiseen nivelrikon kehittyessä. Nivelruston biomekaaniset ominaisuudet, kuten sen kyky vastustaa puristusta, heikkenevät jo nivelrikon varhaisessa vaiheessa rappeutumisen myötä, joten näiden ominaisuuksien kartoittaminen voisi toimia tapana havaita nivelrikko nykyistä aiemmin. Tietokonetomografiassa (TT) käytettävä kolmoisvarjoaine on aiemmissa in vitro -tutkimuksissa osoittanut potentiaalinsa ruston biomekaanisten ominaisuuksien kartoittamiseen, mutta menetelmää ei ole testattu kliinisellä TT-laitteella kokonaisille polvinivelille.
Nivelrustoa on yritetty korjata tai korvata kudosteknologian avulla tuotetulla keinotekoisella nivelrustolla, mutta nykyiset keinorustot eivät vielä sovellu kliiniseen käyttöön. Jotta keinorusto kestäisi kuormitusta nivelissä, sen tulisi jäljitellä nivelruston rakennetta ja ominaisuuksia. Keinoruston rakenteen ja toiminnan välisiä suhteita ei kuitenkaan vielä tunneta kunnolla.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Ensimmäisen osatutkimuksen tulokset osoittavat, että varhaisessa nivelrikossa tapahtuvat muutokset rustonalaisen luun rakenteessa eivät vaikuta ruston kokemiin jännityksiin ja venymiin. Rustosta ja rustonlaisesta luusta luodussa tietokonemallissa ei havaittu muutoksia ruston kokemissa jännityksissä ja venymissä ennen kuin luulevy oli epärealistisen pehmeä.
Toisen osatutkimuksen tulosten perusteella nivelruston paksuus ja biomekaaniset ominaisuudet voidaan paljastaa käyttämällä vismuttinanopartikkeleista, jodipohjaisesta CA4+:sta ja gadoliniumpohjaisesta gadoteridolista koostuvaa kolmoisvarjoainetta tietokonetomografiassa (TT). Vismuttinanopartikkelit eivät imeytyneet rustoon, minkä ansiosta nivelrusto pystyttiin segmentoimaan eli erottelemaan TT-kuvista luotettavasti. Reisiluun rustoon imeytyi CA4+-varjoainetta enemmän kuin sääriluun rustoon. Vastaavasti reisiluun ruston biomekaaniset moduulit olivat korkeampia kuin sääriluun rustossa, eli varjoaineen avulla voitiin paljastaa reisi- ja sääriluun rustojen biomekaaniset erot.
Kolmannessa ja neljännessä osatutkimuksessa kudosteknologisen keinonivelruston rakenteelliset ja toiminnalliset ominaisuudet voitiin kartoittaa aiempaa tarkemmin käyttämällä kehittynyttä tietokonemallinnusta ja varjoainetehosteista TT:tä. Tutkittu säievahvisteinen hydrogeeli osoittaa potentiaalinsa keinotekoisen nivelruston materiaalina. Sen paineistumisominaisuudet ovat samankaltaiset kuin luonnollisen nivelruston, ja uuden kudoksen kehittymistä keinorustorakenteiden kasvatuksen jälkeen voitiin seurata tarkasti varjoainetehosteisen tietokonetomografian avulla.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Väitöstutkimuksen tulokset tarjoavat uutta ymmärrystä varhaisesta nivelrikon kehittymisestä ja sen havaitsemisesta sekä potentiaalisista tulevaisuuden hoitomuodoista. Varhaisen nivelrikon diagnostiikan mahdollistaminen ja kudosteknologisten hoitomuotojen kehittäminen voi johtaa parempiin hoitotuloksiin ja elämänlaadun parantumiseen nivelrikkoa sairastavilla potilailla.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Väitöstutkimuksen keskeisiä tutkimusmenetelmiä ovat tietokonemallinnus ja varjoainetehosteinen tietokonetomografia (varjoaine-TT).
Ensimmäisessä osatutkimuksessa tutkittiin tietokonemallilla ruston ja rustonalaisen luun biomekaanista käytöstä kuormituksessa, kun rustonalaisen luun geometriaa ja mekaanisia ominaisuuksia muutettiin vastaavasti kuin kokeellisessa posttraumaattisen nivelrikon eläinmallissa (kanien eturistisiteen poisto) on havaittu.
Toisessa osatutkimuksessa kolmoisvarjoaineen soveltuvuutta nivelruston tietokonetomografiassa tutkittiin ensimmäistä kertaa kokonaisissa polvissa kliinisellä TT:llä. Verrokkimenetelmänä vainajan polviniveliin injektoidulle kolmoisvarjoaineelle käytettiin ruston paksuuden määritykseen tarkkaa mikrotietokonetomografiaa ja biomekaaniset ominaisuudet kartoitettiin mekaanisella testaamisella.
Kolmannessa ja neljännessä osatutkimuksessa tietokonemallinnusta ja varjoaine-TT:tä hyödynnettiin keinorustorakenteiden materiaalina käytetyn säievahvisteisten hydrogeelien tutkimuksessa. Rakenteiden mekaaniset ominaisuudet määritettiin tietokonemallin avulla. Rakenteisiin lisättiin rustosoluja, ja ne kuvattiin varjoaine-TT:llä ennen 42 päivän mittaista kudosviljelyä ja sen jälkeen.
Väitöstutkimus on suoritettu Teknillisen fysiikan laitoksella Biofysiikan tutkimusryhmässä. Varjoainetutkimukset on toteutettu kansainvälisessä yhteistyössä Bostonin yliopiston kanssa ja keinorustotutkimukset Queensland University of Technologyn kanssa.
FM Heta Oravan sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Computed tomography imaging and functional in silico modelling of cartilage, bone and tissue engineered cartilage constructs (Nivelruston, luun ja keinoruston tietokonetomografiakuvantaminen ja toiminnallinen laskennallinen mallinnus) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Greet Kerckhofs, Université catholique de Louvain, ja kustoksena professori Juha Töyräs, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti, ja sitä voi seurata verkossa.
Lisätietoja:
Heta Orava, heta.orava@uef.fi
