NIVELRIKON PERIMMÄISTEN SYIDEN JÄLJILLÄ Nivelrikon perimmäisten syiden jäljillä FT Hannu Karjalainen selvitti väitöskirjatutkimuksessaan erilaisten kuormitustekijöiden vaikutusta rusto- ja luusolujen geenitoimintaan. Geenien roolin selvittäminen luu-, rusto-, sekä kantasolujen toiminnassa voi tuoda lisätietoa nivelrikon, osteoporoosin tai huonosti parantuvien luunmurtumien taustalla olevista mekanismeista. Nivelrikon ilmaantumisen yksi riskitekijä on niveleen kohdistuva liiallinen kuormitus. Ylipainon tai muun liiallisen rasituksen kuluttava vaikutus nivelrikon synnyssä on helppo ymmärtää. Nivelruston rappeutuminen voi kuitenkin aiheutua myös kuormituksen puutteesta, tai jopa ilman ulkoista syytä. Tällöin nivelrikon synnylle voi altistaa myös yksilön perimä. Kuormitusta aistiessaan rustoja luusolut pyrkivät vahvistamaan kudoksen rakennetta tuottamalla ruston ja luun rakennusaineita perimän, eli geenien, sisältämien ohjeiden mukaisesti. Luu sopeutuu kuormitukseen hyvin, mutta nivelruston sopeutumiskyky on huomattavasti heikompi. Kuormitus kohdistuu nivelruston ja rustonalaisen luun rakenteita ylläpitäviin soluihin moninaisina ja yllättävänkin suurina voimina. Nivelrikon kehittymisen yhtenä syynä voi olla se, että rustosolut eivät kykene reagoimaan kuormitukseen tarpeeksi tehokkaasti ylläpitääkseen nivelruston normaalia rakennetta. FT Hannu Karjalainen Itä-Suomen yliopiston Biolääketieteen yksiköstä on tutkinut väitöskirjatutkimuksessaan erilaisten kuormitustekijöiden vaikutusta rustoja luusolujen geenitoimintaan. Rustosoluihin kohdistuu erittäin voimakas paine Rustosolut viimeistelevät nivelruston erikoislaatuisen rakenteen lapsuuden ja nuoruuden aikana. Pieninä ryhminä rustokudoksen sisällä elävät solut ylläpitävät, 28 Niveltieto 3 / 2014 ja rajallisessa määrin myös kohentavat, nivelruston rakennetta myös aikuisiällä. Ihmisen liikkuessa luiden päitä nivelessä peittävä nivelrusto joutuu puristukseen. Rustokudosta puristava voima aiheuttaa ruston solujen altistumisen monenlaisille fysikaalisille voimille. Kuormituksen alkuvaiheessa soluja ympäröivän nesteen paine nousee voimakkaasti. Pelkästään arkiaskareiden aikana rustosoluihin voi kohdistua 200 ilmakehän paine. Vertailukohtana voi ajatella auton renkaan painetta, joka on 2–3 ilmakehää. Rustosolut kuitenkin kestävät paineen hyvin. Tutkimuksissa rustosolut ovat säilyneet hengissä jopa 1500 ilmakehän paineessa. Puristavan voiman jatkuessa, esim. polvinivelessä seisottaessa, ruston sisällä oleva neste alkaa puristua ulos ja kudos painuu kasaan. Tällöin solut altistuvat mm. kudoksesta ulospuristuvan nesteen virtaukselle sekä litistävälle, että venyttävälle voimalle. Virtaavan nesteen mukana kulkevat sähköisesti varautuneet hiukkaset altistavat rustosoluja myös sähkövirroille. Myös rustosoluja ympäröivän nesteen väkevyys kasvaa kuormituksen jatkuessa. Väitöstutkimuksessa selvitettiin, miten rustosolut reagoivat paineeseen, venytykseen tai osmoottisen paineen, eli liuenneitten aineiden pitoisuuden, nousuun soluviljelyolosuhteissa. Samankaltaisissa tutkimuksissa on aiemmin havaittu kohtalaisen kuormituksen edistävän ruston rakenteiden tuotantoa soluissa, kun taas ylikuormitus on lamannut tuotantoa tai jopa saanut solut hajottamaan ruston rakenteita. Tämä kertoo siitä, että rustosolut Aiemmissa tutkimuksissa on havaittu, että fysikaaliset kuormitustekijät voivat saada luu- ja rustosolut tuottamaan luu- ja rustokudoksen rakenteita. Solut saattavat myös muokata, tai jopa hajottaa, kudosrakenteita kuormituksen seurauksena. Solunsisäiset tapahtumat, jotka johtavat solujen toiminnan muutoksiin, ovat vielä epäselviä. kykenevät aistimaan kuormitusta ja pyrkivät vastaamaan kohtuulliseen kuormitukseen parantamalla ruston rakennetta. Liiallinen kuormitus puolestaan johtaa rustokudoksen rappeutumiseen. Se, miten rustosolut tarkkaan ottaen aistivat voimia ja reagoivat kuormitukseen, on vielä epäselvää. Aiemmissa tutkimuksissa on lähinnä selvitetty ruston rakenteelle ennestään olennaisiksi tiedettyjen geenien ilmentymistä kuormitetuissa soluissa, eli toisin sanoen tutkittu ruston tärkeimpien rakenneosasten tuotantoa kuormituksessa. Erilaiset kuormitustekijät vaikuttavat eri geeneihin Väitöstutkimuksessaan Karjalainen etsi uusia geenejä, joiden toimintaa kuormitetuissa rustosoluissa ei vielä tunneta. Kandidaattigeenejä haettiin DNA-matriisitekniikalla, joka mahdollistaa suuren geenijoukon toiminnan tutkimisen samanaikaisesti. Sekä nestepaine että venytys aiheuttivat toisistaan poikkeavia muutoksia solujen geenitoimintaan. Paine vaikutti geeneihin, jotka osallistuvat solujen kasvuun, olosuhteisiin sopeutumiseen ja solun erilaistumiseen. Solujen venytys puolestaan vaikutti solun jakautumiseen, kudosten rakenteen säätelyyn osallistuviin geeneihin. Tutkimuksessa havaittiin myös rustosolujen hyödyntävän amino- Ultraääniterapian mahdollisuudet Nivelrikko on myös rustonalaisen luun sairaus. Yhdessä väitöstutkimuksen osatyössä tutkittiinkin luusoluja, joita oli altistettu luunmurtumien hoidossa käytettävälle pienitehoiselle ultraäänelle. Ultraääniterapian periaatteena on tehostaa luunmurtuman paranemiseen osallistuvien rusto-, luu- ja kantasolujen toimintaa keinotekoisesti ultraäänen paineaaltojen avulla. Ultraääniterapian vaikutusmekanismia ei kuitenkaan vielä tunneta, mutta aiemmat solukokeet viittaavat siihen, että terapeuttinen ultraääni voi lisätä luun ja ruston tuotantoa. Terapeuttisen ultraäänen on myös havaittu edistävän kantasolujen erilaistumista rusto- ja luusoluiksi. Luunmurtuman paranemisvaiheessa murtumakohtaan muodostuu aluksi rustoa, joka edelleen kalkkeutuu ja korvautuu luukudoksella. Tämän vuoksi ultraäänen vaikutusten selvittäminen luusoluissa voi tuoda lisätietoa myös nivelrikon syntyyn osallistuvista geeneistä. Väitöstutkimuksessa tutkittiin ultraäänen vaikutusta luutyyppisiin soluihin ensimmäistä kertaa koko ihmisen perimän mittakaavassa. Kokeessa tallennettiin kaikkien ihmisen geenien ilmentymistaso luusoluissa ultraäänialtistuksen jälkeen. Tutkimuksessa löydettiin lähes neljäsataa geeniä, joiden ilmentymiseen ultraääni vaikutti. Luusoluja soluviljelymaljalla valmiina ultraäänialtistukseen. Soluja elätetään pinkissä ravintoliuoksessa. Viljelymaljan kuoppien pohjan läpi näkyvät ultraäänikiteet. Tutkimuksen perusteella ultraäänialtistus vaikutti solukalvoihin ja geenien ilmentämisen säätelyyn. Ultraääni ei kuitenkaan lisännyt luulle tai rustolle tyypillistä geeniluentaa mahdollisesti siksi, että koeasetelmassa pyrittiin välttämään ultraäänen lämmittävää vaikutusta sekä hallitsemattomia heijastuksia, jotka voivat myös vaikuttaa soluvasteisiin. Koe myös osoitti, että ultraäänen voimakkuus ei välttämättä selitä sen aikaansaamia vaikutuksia soluissa, sillä pienimmällä teholla altistetuissa soluissa havaittiin eniten vaikutuksia. Kokeessa löydettyjen geenien roolin selvittäminen luu-, rusto-, sekä kantasolujen toiminnassa voi tuoda lisätietoa useamman tuki- ja liikuntaelinsairauden (kuten nivelrikon, osteoporoosin tai huonosti parantuvien luunmurtumien) taustalla olevista mekanismeista. NIVELRIKON PERIMMÄISTEN SYIDEN JÄLJILLÄ Tällä laitteella rustosoluja altistettiin jaksoittain toistuvalle venytykselle kuudella silikonimaljalla. Nivelessä rustosolut altistuvat samankaltaiselle venytykselle erityisesti toisiaan vasten painuvien rustonkohtien reunoilla. hapon kaltaista yhdistettä, tauriinia, suojautuakseen elinympäristönsä osmoottisen paineen nousulta. Jo aiemmin on osoitettu rustosolujen hyödyntävän tauriinia selvitäkseen ympäristönsä osmoottisen paineen nopeasta laskusta. Tauriinin on myös havaittu auttavan luusoluja säilyttämään tyypillisiä ominaisuuksiaan. Tämän vuoksi väitöstutkimuksessa selvitettiin myös, edistääkö tauriini luuytimen kantasolujen erilaistumista luu- tai rustosoluiksi. Tästä ei kuitenkaan saatu tutkimuksessa vakuuttavaa näyttöä. Hannu Karjalainen Biolääketieteen yksikkö, anatomian oppiaine Itä-Suomen yliopisto, Kuopion kampus Niveltieto 3 / 2014 29