Väitös: Tietokonemallinnus luo uutta tietoa epiteelikudosten esteominaisuuksista ja mekaanikasta

Epiteelikudokset muodostavat kehossamme suojaavia esteitä ja erottavat näin kudokset ympäristöstään. Nämä kudokset muodostuvat solukerroksista, ja monet epiteelin ominaisuuksista ja toiminnoista riippuvat näiden solujen välisistä solu-solu-liitoksista. Nämä liitokset koostuvat useista komponenteista, kuten tiiviistä liitoksista, jotka muodostavat solujen välisen esteen, ja vyöliitoksista, jotka kiinnittävät solut mekaanisesti toisiinsa.

Monet epiteelikudoksiin vaikuttavat sairaudet johtavat epiteeliesteen, ja erityisesti tiiviiden liitosten, toimintahäiriöihin. Tällaisia sairauksia ovat esimerkiksi Suomessakin hyvin yleinen tulehduksellinen suolistosairaus ja silmänpohjan ikärappeuma, joka on länsimaissa yleisin syy sokeutumiseen.

Naapureidensa lisäksi epiteelisolut kiinnittyvät niiden alla olevaan materiaaliin, mahdollistaen, yhdessä vyöliitosten kanssa, epiteelisolujen mekaanisen kommunikaation toistensa ja ympäristönsä välillä. Epiteelikudosten ja niiden ympäristön mekaaniset ominaisuudet ja niiden muutokset liittyvät moniin sairauksiin, kuten kasvainten muodostumiseen. Yleisimmät syövät ovatkin epiteeliperäisiä. Epiteelin biofysiikan perustutkimus on olennainen askel näiden sairauksien ymmärtämisessä ja parempien hoitojen kehittämisessä.

Väitöskirjan tavoite oli laskennallisten mallien kautta parantaa ymmärrystämme epiteelin muodostamasta esteestä ja siitä, miten epiteelisolujen mekaaninen ympäristö vaikuttaa niiden toimintaan. Erityisesti tavoitteena oli tutkia epiteelin esteen ja erityisesti tiiviiden liitosten pääkomponentteja sekä tutkia ympäristön jäykkyyden merkitystä solujen väliseen voimanvälitykseen.

Työssä hyödynnettiin erilaisia laskennallisia menetelmiä. Näitä ovat muun muassa ns. steady-state-läpäisevyysmalli, multikompartmenttimalli, satunnainen resistanssiverkko, elementtimenetelmä ja solupohjainen malli.

Tulokset osoittivat, että tiiviiden liitosten rakenteella ja niiden rakenteellisella dynamiikalla on olennainen merkitys koko epiteelin esteominaisuuksien määrittämisessä.

Lisäksi tuloksista havaittiin, että liitosten rakenteellinen dynamiikka ja siinä tapahtuvat muutokset näkyvät eri tavoin kahdessa yleisessä epiteeliesteen mittauksessa: merkkiainemolekyylien läpäisevyydessä ja epiteelin sähköisessä resistanssissa. Epiteelin voimansiirtoa koskevat tulokset osoittivat, että jäykkä materiaali solujen alla rajoittaa huomattavasti mekaanisten voimien välittymistä solujen välillä. Lisäksi epiteelisolut voivat välittää tietoa jäykkyyden vaihtelevuudesta, kuten jäykkyyden paikallisista ja äkillisistä muutoksista, pitkien matkojen päähän.

— Mallinnustulokset sekä parantavat perusymmärrystämme epiteelin biofysiikasta että auttavat ohjaamaan kokeellista työtä. Ne luovat laskennallisia alustoja uusille hypoteeseille ja tukevat kokeellisten tulosten analysointia, Tervonen kertoo.

— Laskennallinen mallinnus ja kokeelliset menetelmät muodostavat toisiaan tukevan tutkimustyökalun, joka parantaa ymmärrystämme epiteelien toiminnasta esteenä sekä niiden biomekaniikasta ja täten auttaa meitä ymmärtämään monia epiteelipohjaisia sairauksia.

Diplomi-insinööri Aapo Tervosen biolääketieteen tekniikan alaan kuuluva väitöskirja Computational Modeling of Epithelial Barrier Properties and Biomechanics tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnassa perjantaina 14.1.2022 klo 12.00 alkaen. Vastaväittäjänä toimii Senior lecturer Dawn Walker Sheffieldin yliopistosta Britanniasta. Kustoksena toimii professori Jari Hyttinen lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnasta.