Traumaperäinen nivelrikko hankaloittaa erityisesti nuorten ja aktiivisten ihmisten elämää tapaturman jälkeen. Siksi esimerkiksi polven rustovaurioiden etenemisen estäminen on erityisen tärkeää, ja ruston rappeutumiseen tulee puuttua mahdollisimman aikaisin.
Eri hoitokeinojen vaikutuksien ennustaminen tarvitsee tuekseen kuitenkin vankan ymmärryksen nivelen biomekaniikasta ja tulehtumisesta, jotka molemmat ovat tärkeitä nivelrikon synnyn ja etenemisen mekanismeja.
Tutkijat ovat nyt onnistuneesti sisällyttäneet molemmat mekanismit fysiikkapohjaisiin tietokonemalleihin, joilla voidaan ennustaa ruston rappeutumista ja koostumuksen mahdollista palautumista takaisin kohti terveen kudoksen viitearvoja eturistisidevaurion ja ristisiteen korjausleikkauksen jälkeen. Kansainvälisen yhteistyön (UEF, UCSF, CC, MIT) hedelmät julkaistiin hiljattain ortopedian erikoislehdessä Journal of Orthopaedic Research.
Eturistisiteen repeäminen on tyypillinen urheiluvamma. Vahingoittunutta polviniveltä voidaan yrittää hoitaa ristisiteen korjausleikkauksella, jolla pyritään palauttamaan nivelen biomekaaninen toimintaympäristö mahdollisimman lähelle tervettä tilannetta. Tätä tavoitetta ei kuitenkaan aina saavuteta. Leikkauksesta huolimatta ruston biomekaaninen kuormitus voi jäädä paikoittain kohonneeksi, ja nivelen tulehtuminen voi aiheuttaa turpoamista ja kipuilua. Sekä muuttunut biomekaniikka, että tulehtuminen ovat mahdollisia reittejä kohti rappeuttavaa tuki- ja liikuntaelinsairautta nimeltä nivelrikko.
Nivelrikkoon ei ole parantavaa hoitokeinoa nykytietämyksen mukaan. Täten taudin etenemisen ehkäiseminen on suositeltavaa ja erittäin tavoiteltavaa, mutta tämä on saavutettavissa vain silloin, kun taudin taustalla olevat mekanismit tunnetaan tarkasti ja niiden vaikutukset pystytään ennustamaan. Tarkat ennusteet ruston rappeutumisesta avaisivat mahdollisuuden uusien hoitokeinojen suunnittelemiseen ja niiden tehokkuuden arviointiin kvantitatiivisesti tietokonemallien avulla etukäteen ennen hoidon aloitusta. Vastauksena näihin haasteisiin tutkijat Itä-Suomen yliopistosta (UEF), Kalifornian San Franciscon yliopistosta (UCSF), Cleveland Clinic:sta (CC) ja Massachusettsin teknillisestä korkeakoulusta (MIT) esittelevät uuden laskennallisen tietokonemallin, joka huomioi sekä biomekaaniset, että ensimmäistä kertaa myös tulehdukselliset tekijät traumaperäisessä nivelrikossa.
Mallinnusmenetelmässä yhdistetään ristisiteen korjausleikkauksen läpikäyneiden potilaiden magneettikuvat, kliininen liikeanalyysi ja potilaskohtaiset kolmiulotteiset tietokonemallit. Yhdessä nämä menetelmät mahdollistavat ruston rappeutumisen ja koostumuksen muutosten ennustamisen aikariippuvaisesti. Lisäksi tutkijat hyödynsivät nivelnestemittauksia, joiden perusteella tietokonemalleihin voitiin liittää tulehdusta edistävien molekyylien kliiniset pitoisuudet.
“Kun vertasimme mallien tarjoamia ennustuksia kvantitatiivisiin magneettikuviin yksi ja kolme vuotta eturistisiteen korjausleikkauksen jälkeen, havaitsimme ruston rappeutuneen oikeassa elämässä samoilla alueilla polviniveltä kuin tietokonemallit ennustivat. Biomekaanista rappeutumista, jonka taustalla on kudoksen leikkautuminen ja vääntyminen suuren kuormituksen aikana, tapahtui erityisesti rustovaurioiden läheisyydessä. Sen sijaan tulehduksen vaikutus havaittiin laajemmilla alueilla”, sanoo artikkelin ensimmäinen kirjoittaja, tutkijatohtori FT Gustavo Orozco.
“Mielenkiintoista mallien ennustuksissa on, että mikäli tulehdusreaktiota kyettäisiin jarruttamaan ennen sen kroonistumista, ruston koostumuksen palautuminen lähelle tervettä tai normaalia tilannetta voisi olla mahdollista. Tämä skenaario voisi toteutua, jos tulehdusta edistävien molekyylien poistumista nivelnesteestä saataisiin nopeutettua, tai nivelnesteeseen lisättäisiin tulehdusta edistävien sytokiinien aktivoitumista estäviä tai hidastavia lääkeaineita”, lisää nuorempi tutkija FM Atte Eskelinen.
Pitkän ajan tavoitteena on kehittää seuraavan sukupolven laskennallisia mekanobiologisia tietokonemalleja, joilla voitaisiin ennustaa biomekaanisten ja biokemiallisten riskitekijöiden vaikutukset nivelrikon etenemiseen usean vuoden päähän tulevaisuuteen. Nyt julkaistu tutkimus on tärkeä virstanpylväs matkalla tavoitteeseen, sillä se osoittaa liikeanalyysin ja nivelnestenäytteiden yhtäaikaisen soveltamisen nivelrikkoa ennustavissa potilaskohtaisissa malleissa olevan toteuttamiskelpoista.
“Laskennallisella lähestymistavallamme voi tulevaisuudessa testata etukäteen erilaisten kuntoutumismenetelmien, kuten painonpudotuksen, sekä ruston rappeutumista hidastavien lääkeaineiden vaikutuksia. Näin laskennalliset ennustukset voivat toimia tukena ja avustuksena ortopedeille heidän pohtiessaan kunkin potilaan hoitopolkua”, toteaa nuorempi tutkija FM Joonas Kosonen.
Tutkimus on saanut rahoitusta Euroopan Unionin Horisontti 2020 tutkimus- ja innovaatio-ohjelmasta (Marie Sklodowska-Curie rahoituksen numero 713645), Suomen Akatemialta, Itä-Suomen yliopiston strategisesta rahoituksesta, Suomen Kulttuurirahastolta, Instrumentariumin tiedesäätiöltä, Ruotsin Tutkimusneuvostolta, Maire Lisko säätiöltä, Sigrid Juséliuksen säätiöltä, Päivikki ja Sakari Sohlbergin säätiöltä, Maud Kuistilan muistosäätiöltä, Saastamoisen säätiöltä, Yhdysvaltain terveysvirastolta (NIH) ja Amerikan ortopedisen liikuntalääketieteen yhteisöltä.
Yhteyshenkilöt:
Tutkijatohtori Gustavo A. Orozco, p. 050 3485018, gustavo.orozco (a) uef.fi
Nuorempi tutkija Atte S.A. Eskelinen, p. 040 7483373, atte.eskelinen (a) uef.fi
Nuorempi tutkija Joonas P. Kosonen, p. 050 3043474, joonas.kosonen (a) uef.fi
Yliopistotutkija Petri Tanska, p. 050 364 2842 petri.tanska (a) uef.fi
Alkuperäinen artikkeli:
Gustavo A. Orozco, Atte S.A. Eskelinen, Joonas Kosonen, Matthew Tanaka, Mingrui Yang, Thomas Link, Benjamin Ma, Xiaojuan Li, Alan Grodzinsky, Rami K. Korhonen & Petri Tanska
Shear strain and inflammation-induced fixed charge density loss in the knee joint following ACL injury and reconstruction: a computational study. Journal of Orthopaedic Research (2021). DOI: 10.1002/jor.25177.
Artikkeli on ladattavissa osoitteessa: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jor.25177
