Väitös

Uudenlaisia luun kaltaisia luusiirremateriaaleja kovien keraamien ja joustavien polymeerien yhdistelmistä

Sanna Pitkänen
Luupuutoksia hoidetaan pääasiassa potilailta itseltään kerätyillä luusiirteillä, vaikka potilaiden hoitoon on tarjolla lukuisia erilaisia synteettisiä luusiirremateriaaleja. Kalsiumfosfaatti-keraamit ja bioaktiivinen lasi ovat luun kasvua ohjaavia ja jopa luun muodostusta lisääviä luusiirremateriaaleja, mutta niiden käyttöä rajoittavat erityisesti kovuus ja hauraus. Yhdistelmämateriaalit eli komposiitit vaikuttavat lupaavilta luusiirremateriaaleilta, joissa yhdistyvät parhaimmillaan hyvä luun kasvun ohjaamiskyky ja mekaaniset ominaisuudet.

Uusien synteettisten luusiirteiden kehityksessä tarvitaan tehokkaita ja luotettavia soluviljelymenetelmiä, joiden avulla voidaan arvioida uusien materiaalien kykyä tukea luun ja verisuonten muodostumista. Aikuisen kantasolut, kuten rasvakudoksen ja luuytimen kantasolut, ovat erinomainen työkalu luusiirremateriaalien tutkimukseen, sillä ne pystyvät erilaistumaan sekä luusoluiksi että verisuonten endoteelisoluiksi. Filosofian maisteri Sanna Pitkänen tutki väitöskirjassaan luun ja verisuonten muodostumista synteettisissä luusiirremateriaaleissa. Tutkimuksessa käytettiin sekä soluviljely- että eläinmallia.

Pitkänen tutki kalsiumfosfaattikeraamin ja bioaktiivisen lasin vaikutusta rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistukseen. Samalla hän arvioi yleisesti luuerilaistuksessa käytettyjen kasvutekijöiden, luun morfogeneettisten proteiinien (BMP)-2, BMP-7 ja verisuonen endoteelin kasvutekijän (VEGF), tehokkuutta rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistuksessa. Luuerilaistusliuos ilman lisättyjä kasvutekijöitä oli kuitenkin tehokkaampi rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistaja kuin kasvutekijät 3-ulotteisissa luusiirremateriaaleissa.

– Tulos on merkittävä ja kyseenalaistaa kalliiden kasvutekijöiden käyttöä luun muodostusta lisäävinä tekijöinä soluviljelytutkimuksissa, Pitkänen toteaa.

Koska kovien ja hauraiden keraamien istuttaminen luupuutoksiin leikkauksen aikana on haastavaa,  eivätkä keraamit pysty kantamaan kuormaa, tutkijatiimi kehitti elastisen ja biohajoavan β-trikalsiumfosfaatti/poly(L-laktidi-ko-ε-kaprolaktoni) -komposiitin hyödyntämällä ylikriittistä hiilidioksidia. Tutkimuksessa pystyttiin luomaan ensimmäistä kertaa erittäin huokoinen ja keraamipitoinen komposiitti ylikriittisellä hiilidioksidiprosessoinnilla.

Pitkänen tutki uusien komposiittien vaikutusta rasvakudoksen kantasolujen luu- ja endoteelierilaistumiseen soluviljelmissä sekä kudosyhteensopivuutta ja luunmuodostumista kanin reisiluuhun istutetuissa komposiiteissa.

– Tärkeimpänä tuloksena pystyimme näyttämään, että kanin luukudos kasvaa suoraan kiinni komposiittiin sekä huokoisen rakenteen sisään jo neljässä viikossa. Komposiitti on korkeasta keraamipitoisuudesta huolimatta joustavaa ja sitä voidaan muotoilla helposti saksilla kesken leikkauksen, jos tarve vaatii. Tämä tutkimus on luonut vahvan pohjan uuden synteettisen luusiirremateriaalin kehitykselle, Pitkänen kertoo.

Pitkänen tutki väitöskirjassaan myös 3D-tulostettuja komposiitteja, joissa polykaprolaktoniin yhdistettiin bioaktiivista lasia tai bioaktiivisen lasin ja kuparin seosta. Pitkänen tutki komposiittien kykyä tukea luuytimen kantasolujen luuerilaistumista sekä napanuoran endoteelisolujen kykyä muodostaa verisuonirakenteita soluviljelmissä. Korkealla kuparipitoisuudella osoitettiin olevan soluja tuhoavia vaikutuksia. Vaikka kuparia on ehdotettu verisuonittumista lisääväksi tekijäksi luusiirremateriaaleihin, tutkimus osoitti matalammankin kuparipitoisuuden häiritsevän luuytimen kantasolujen kypsymistä luusoluiksi.

– Tuloksemme kyseenalaistavat kuparin lisäämisen positiivisia vaikutuksia bioaktiivista lasia sisältävään luusiirremateriaaliin. Bioaktiivisella lasilla on jo itsessään positiivinen vaikutus sekä luun että verisuonten muodostumiseen, Pitkänen selittää.

Sanna Pitkänen (os. Huttunen) on syntynyt Lahdessa ja asunut lapsuutensa Lempäälässä. Hän työskentelee tällä hetkellä tuotekehityksen projektipäällikkönä Biomendex Oy:ssa, joka on tuore tamperelainen kudosteknologisia materiaaleja kehittävä yritys.

Filosofian maisteri Sanna Pitkäsen solu- ja kudosteknologian alaan kuuluva väitöskirja In vitro and in vivo osteogenesis and vasculogenesis in synthetic bone grafts tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnassa perjantaina 31.1.2020 klo 12 alkaen Arvo-rakennuksen auditoriossa F114, Arvo Ylpön katu 34. Vastaväittäjänä toimii professori Pekka Vallittu Turun yliopistosta.  Kustoksena toimii apulaisprofessori Susanna Miettinen lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1414-9

Kuva: Juha Pitkänen