Matemaattinen mallintaminen avaa uusia ovia nivelrikon tutkimukseen

Matemaattisen mallintamisen avulla voidaan selvittää tiettyjä mekanismeja, kuten nivelruston vaurioituminen, nivelrikon eteneminen ja mahdollinen osittainen parantuminen. Mallinnuksella pystytään lisäksi simuloimaan erilaisia kuntoutusliikkeitä yksilöllisesti.

Itä-Suomen yliopisto on mukana tekemässä tulevaisuuden tutkimusta nivelrikkohoidon saralla matemaattista mallinnusta hyödyntäen.

”Matemaattisella mallinnuksella voidaan simuloida esimerkiksi solujen, kudosten ja nivelien toimintaa, mutta myös mekanobiologiaa. Lähinnä sellaista, mitä ei voida mitata. Esimerkiksi polviniveleen kohdistuvan trauman yhteydessä saattaa tulla myös nivelrustoon vaurio. On melko mahdotonta määritellä, miten iso riski on sille, että siitä kehittyisi nivelrikko”, professori Rami Korhonen Itä-Suomen yliopistosta kertoo.

Yliopistossa on kehitetty matemaattisia malleja, joilla voi magneetti- tai röntgenkuvan ja liikeanalyysin perusteella kehittää 3D-malli koko polvinivelestä ja muistakin nivelistä.

”Pystymme arvioimaan esimerkiksi, mitä nivelrustovaurion ympärillä tapahtuu. Tuleeko sinne erimerkiksi puristumia tai venymiä, jotka ovat riskitekijöitä sille, että kudoksen kollageeniverkosto tai proteiiniglykaanimolekyylit lähtevät mahdollisesti vähenemään”, Korhonen toteaa.

Nivelrustovaurion yhteydessä voi esiintyä myös tulehdusta, joka aiheuttaa ruston rappeumaa.

”Pystymme siis selvittämään tiettyjä mekanismeja, kuten ruston vaurioituminen ja nivelrikon eteneminen, ja esimerkiksi miten kudoksen proteiinien määrä pystyy palautumaan.”

Urheilijat tutkimuksen kohteena

Journal of Orthopaedic Research -lehdessä julkaistiin aiheeseen liittyvä artikkeli vuonna 2023. Artikkeli voitti lehden Vuoden paras artikkeli -palkinnon. Artikkelissa käsiteltiin urheilijoiden eturistisiteen vammoja.

”Tutkimme urheilijoita, joilla oli eturistiside mennyt poikki ja se oli korjattu jännesiirteellä. Osalla heistä oli myös nivelruston ja nivelkierukan vaurioita. Selvitimme, mikä on ruston kuormituksen yhteys ruston rappeutumiseen sekä miten nivelnesteessä havaitut tulehdusta aiheuttavat sytokiinit kulkeutuvat kudokseen ja rappeuttavat sitä.”

Seuranta-aineistoa pystyttiin vertaamaan kokeisiin, ja lopputulos oli sama. Yksittäisessä esimerkissä biomekaanisen ylikuorman vaikutus oli hyvin merkittävä ruston vaurioalueella. Vastaavasti tulehdustekijät vaikuttivat enemmän ympäri kudoksen pintaa. Periaatteessa mallilla voidaan haluttaessaan arvioida, mitä sitten pitäisi tehdä.

”Ja se on varmaan se kysymys, mikä kiinnostaa nivelrikkopotilaita tai niitä, joilla on nivelvamma”, Korhonen sanoo.

Matemaattisella mallinnuksella pystytään simuloimaan erilaisia kuntoutusliikkeitä yksilöllisesti; mikä on ison ja mikä pienen riskin liike. Nykyään Käypä hoito -suositusten mukaisesti kaikille on samat ohjeet.

”Mutta näin se ei ole. Teemme paljon yhteistyötä Helsingin yliopiston ja Helsingin yliopistollisen sairaalan ylilääkäri Jari Arokosken kanssa. Hän on todella innostunut tästä aiheesta. Hän haluaisi omissakin käytänteissä hyödyntää näitä tekniikoita”, Korhonen toteaa.

Nivelruston palautuminen

Euroopassa on jo jonkin aikaa Virtual Physiological Human -yhteisö kehittänyt ihmiskehon virtuaalisia malleja simuloimaan todellisuutta.

”Ideana on, että niillä malleilla pystyisi esimerkiksi löytämään optimaalisia, yksilöllisiä kuntoutus- tai lääkehoitoja”, Korhonen kertoo.

Itä-Suomen yliopisto on mukana Virtual Human Twin -tutkimuksissa, jossa kehitetään ja tutkitaan tiettyjen lääkehoitojen vaikutuksia. Ensin on tehty laboratoriotason mittauksia, joiden tuloksia on sitten hyödynnetty matemaattisten mallien luomisessa.

”Siinä pystyy ikään kuin identifioimaan ne tietyt lääkehoidon mekanismit – millä tavalla ne toimivat ja parantavatko ne rustoa vai ei”, Korhonen kertoo. ”Vanhakantainen ajatus on, että nivelrusto ei pysty yhtään palautumaan. Varsinkin proteiiniglykaanien määrä voi muuttuu sopivassa ympäristössä. Saat siihen sopivan kuormituksen ja tulehduksen pois, niin silloin nivelrusto pystyy tietyn määrän palautumaan lähemmäs normaalin kudoksen ominaisuuksia.”

Nivelrikkoon liittyvät hoidot ovat riippuvaisia myös esimerkiksi siitä, missä kohtaa nivelpintaa ja minkälainen vaurio on. Lisäksi tutkitaan, onko niveleen tullut solukuolemia ylikuorman perusteella ja mikä on tulehduksen määrä.

”Siellä on monta erilaista muuttujaa, mitkä vaikuttavat hoitoon. Ne pystytään tavallaan ottamaan huomioon simulaation avulla”, Korhonen selventää.

Kun tutkimus siirretään ns. koko ihmisen tasolle, silloin tietoa voi olla liian vähän. Siksi kaikkea mallinnuksen antamaa tutkimustietoa ei pystytä aina validoimaan, vaikka jonkin tason validointi on aina tärkeää luotettavan tuloksen saamiseksi. Korhonen tekeekin ryhmänsä kanssa paljon laboratorio- ja potilasmittauksia, kuten magneettikuvauksia ja liikeanalyysiä.

”Magneettikuvilla voi seurata, kuinka kudosmuutoksia tapahtuu ajan kuluessa. Sen jälkeen, kun matemaattinen malli on tämän tiedon perusteella validoitu, voimme simuloida erilaisten hoitojen vaikutuksia.”

Laskennalliset tieteet yhteistyöhön

Laskennalliset tieteet, matematiikka, fysiikka, neurotieteet, biologia sekä kudosteknologia ovat alkaneet tehdä yhteistyötä.

”Euroopassa on montakin ERC-hanketta menossa. Esimerkkinä hanke, jossa kehitetään matemaattisia malleja, joilla voi selvittää, kuinka saa kehitettyä optimaalisen keinoruston, esimerkiksi solusiirteinä.”

Itä-Suomen yliopisto on mukana tanskalaisen Aalborgin yliopiston ja ruotsalaisen Lundin yliopiston Mathematical Modeling of Knee Osteoarthritis -hankkeessa, jossa on tarkoitus kehittää näitä menetelmiä eri tasoilla, lähtien solutasosta koko niveleen asti.

Lue lisätietoa

• Virtual Human Twins 
• Virtual Physiological Human -projekti
• Mathematical modeling of knee osteoarthritis -hanke