Tutkijat selvittivät uusia paranemismekanismeja vaurioituneessa nivelrustossa

Nivelen terveyden kannalta on keskeistä ymmärtää miten nivelen ympäristö vaikuttaa rustosoluihin. Syvempi ymmärrys tautia edistävistä solumekanismeista tukee farmaseuttisten hoitojen kehitystä nivelrikon ehkäisemiseksi.

Tuki- ja liikuntaelimistön sairaudet, kuten nivelrikko, vaikuttavat kasvavissa määrin taudista kärsivien potilaiden elämänlaatuun ja tuovat valtavia kustannuksia terveydenhuollolle. Viime vuosina kehitettyjä laskennallisia malleja on valjastettu ennustamaan potilaan nivelrikon puhkeamista ja sen etenemistä. Polvinivelmallit ovat selvittäneet muun muassa nivelen tulehdustilaa ja biomekaanisia voimia kävelyn aikana. Solu-kudostason mallit ovat kuitenkin jääneet vähemmälle huomiolle, vaikka solut vaikuttavat merkittävästi ruston kudosmuutoksiin. Kattavampi käsitys nivelrikon solu- ja kudostason mekanismeista voi mahdollistaa paremman kyvyn ennustaa taudin aikaisen vaiheen etenemisestä. Lisäksi laskennalliset mallit voisivat tukea nivelrikkoa hidastavien lääkehoitojen tutkimusta.

Yhteistyössä Itä-Suomen yliopiston (UEF), Lundin yliopiston (LU), Iowan yliopiston (UIOWA) ja Massachusettsin teknillisen yliopiston (MIT) kanssa tutkijat sisällyttivät solujen aiheuttaman rustorappeutumisen uuteen tietokonemalliin, missä ennustettiin myös ruston mekaanista kuormitusta ja tulehdusta. Malli huomioi erilaiset solukuolematyypit, oksidatiivisen stressin ja tulehdusta edistävät molekyylit. Tutkijat havaitsivat, että vaurioittava kuormitus kasvattaa vahingoittuneiden solujen määrää ja ruston rappeutumista etenkin vaurioiden läheisyydessä, kun taas tulehdus saa aikaan laajemmalle levinneen ruston rappeutumisen. Nämä tulokset olivat myös yhteneviä aikaisemman kokeellisen tutkimuksen kanssa.

Tutkijat mallinsivat myös akuutin tulehduksen hillitsemistä, mikä johti ruston koostumuksen osittaiseen paranemiseen kuten on ehdotettu aiemmin kirjallisuudessa. Näin ollen kehitetty mallinnustapa voisi auttaa kehittämään uusia hoitostrategioita nivelrikon aikaiseen vaiheeseen. Mallilla voisi myös olla potentiaalia toimia laskennallisena testialustana erilaisille tulehdusta- ja oksidatiivistä stressiä ehkäiseville nivelrikkolääkkeille.

”Perusteellisen kokeellisen kalibroinnin jälkeen malli voi tarjota arvokasta tietoa lääkeaineiden liikkeestä, soluihin sitoutumisesta ja vaikutuksista rustossa. Meneillään olevassa yhteistyöprojektissa Iowan yliopiston kanssa mallia tullaan hyödyntämään potentiaalisen antioksidanttihoidon vaikutusten arvioinnissa. Malli voi auttaa arvioimaan, milloin lääke tulisi injektoida niveleen suurimman hyödyn saavuttamiseksi, ja mitä annostusta tulisi käyttää kullekin potilaalle. Esimerkiksi polvinivelessä nämä tekijät voivat riippua potilaan nivelruston mekaanisista ominaisuuksista ja nivelen tulehduksesta, mitkä voidaan huomioida kehittämällämme laskennallisella mallilla”, sanoo artikkelin pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija Joonas Kosonen.

Tutkimusta rahoittivat Luonnontieteiden, laskennan ja tekniikan tohtoriohjelma (SCITECO), Itä-Suomen yliopiston strateginen rahoitus, Suomen Akatemia (rahoituksen numerot 334773 – ERA PerMed, 324529), Novo Nordisk säätiö (rahoituksen numero NNF21OC0065373, the Center for Mathematical Modeling of Knee Osteoarthritis (MathKOA)), Alfred Kordelinin säätiö (rahoituksen numero 190317), Maire Lisko säätiö, Sigrid Jusélius säätiö, Saastamoisen säätiö, Instrumentariumin tiedesäätiö ja Ruotsin tutkimusvaltuusto (2019-00953— ERA PerMed).

Lisätietoja:

Väitöskirjatutkija Joonas P. Kosonen, puh: +358 50 3043474, joonas.kosonen@uef.fi

Tutkijatohtori Atte S.A. Eskelinen, puh: +358 40 7483373, atte.eskelinen@uef.fi

Yliopistotutkija Petri Tanska, puh: +358 50 3642842, petri.tanska@uef.fi

Alkuperäinen artikkeli:

Joonas P. Kosonen, Atte S.A. Eskelinen, Gustavo A. Orozco, Petteri Nieminen, Donald D. Anderson, Alan J Grodzinsky, Rami K. Korhonen & Petri Tanska

Injury-related cell death and proteoglycan loss in articular cartilage: Numerical model combining necrosis, reactive oxygen species, and inflammatory cytokines. PLOS Computational Biology (2023). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1010337.

Artikkeli on ladattavissa osoitteesta: https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1010337

Kuvassa: Uudella biologisiin kokeisiin pohjautuvalla laskennallisella mallilla ennustettiin ruston rappeutumista ja selvitettiin mahdollisia paranemismekanismeja. Kuva: Joonas Kosonen.