Aikaisemmat tiliselvitykset ja raportoinnit varojen käytöstä on annettu , , , ja

Transkriptio

1 RAPORTTI LIIKUNTATIETEELLISESTÄ TUTKIMUSPROJEKTISTA Tutkimuksen johtaja ja suorituspaikka Helminen, Heikki Juhani, LKT, prof. emeritus ( alkaen) Biolääketieteen laitos, Anatomia, Kuopion yliopisto Tutkimuksen nimi ja asiasanat Liikuntakuormitus, ruston kollageeniverkosto ja nivelrikon ehkäisy Opetusministeriöltä saatu rahoitus tutkimukseen yhteensä ( ): V. 2008: Tutkimuksen alkamis- ja päättymisajankohta: Tämä tutkimus on jatkoa aiemmalle 5-vuotiselle tutkimushankkeelle: Kuormituksen vaikutus nivelrustoon. KUVANI-projekti, V vaihe : Osaprojekti: Liikuntakuormitus, ruston kollageeniverkosto ja nivelruston ehkäisy. Varoja hankkeeseen on OPM vuosina myöntänyt yhteensä: Aikaisemmat tiliselvitykset ja raportoinnit varojen käytöstä on annettu , , , ja TUTKIMUKSEN TIETEELLISET TULOKSET: Tutkimuksen tieteenala ja tavoite: Tämä tutkimus on biolääketieteellistä ja fysiologista perustutkimusta. Tutkimuksen tarkoituksena on ollut tutkia koe-eläimillä (hiiri, hamsteri ja kaniini) kuinka yhtäältä yksilön kasvu ja kehitys ja toisaalta liikuntakuormitus vaikuttavat nivelruston ominaisuuksien kehittymiseen. Myös on tutkittu sian polven nivelruston ja - yhdessä hollantilaisen tutkimusryhmän kanssa - hevosen vuohisnivelen nivelen nivelruston kehitystä ja vasteita liikuntakuormitukselle. Erityisen huomion kohteena on ollut nivelruston kollageenisäikeistön ominaisuuksien tutkiminen. Tärkeä tieteellinen kysymys oli se, että voisiko liikuntakuormitus vahvistaa kollageenisäikeistöä jopa niin, että myöhemmän iän nivelrikkoisuutta voitaisiin ehkäistä? Keskeiset tieteelliset tulokset ja julkaisut: Hiiri: kollageenin määrä lisääntyi ja ja säikeiden järjestys muuttui kasvun ja ikääntymisen myötä. Hiiret liikkuivat juoksupyörässä nuorina n. 4 km/yö ja 18 kk:n iässä noin 2 km/yö. Iän mukana polvinivelen nivelrikkoisuus lisääntyi. Eläinten nivelrikkoisuus näytti olevan vähäisempää kuin kontrolleilla nuorilla juoksijahiirillä (< 6 kk), mutta merkittävää eroa ei ollut juoksijoiden ja kontrollieläinten välillä havaittavissa 18 kk:n iässä (käsikirjoitus valmisteilla). Hamsteri: Hamstereiden, jotka liikkuivat nuorina (<6 kk) juoksupyörässä km/yö, nivelruston kollageenisäikeistön järjestäytymisessä tapahtui muutoksia ruston väli- ja syvässä vyöhykkeessä liikuntakuormituksen vaikutuksesta (julkaisu 2/nro 59). Kuitenkaan ruston biomekaanisissa ominaisuuksissa muutoksia ei voitu havaita. Myös hamstereilla nuoruuden liikuntakuormitus näytti vähentävän nivelrikkoisuutta kun taas vanhemman iän (12 kk > 15 kk) liikuntakuormitus lisäsi nivelrikkoa. Kasvun ja kehityksen aikana kollageenin määrä rustossa lisääntyi, mutta liikuntakuormituksen vaikutus lisäykseen jäi vielä avoimeksi. Kaniini: Kaniinin kasvun ja kehityksen aikana polven nivelruston kollageenisäikeistössä tapahtuu merkittäviä muutoksia. Eläinten vanhetessa ruston väli- ja syvässä vyöhykkeissä säikeet kulkivat yhä enemmän kohtisuoraan nivelpintaa vastaan. Rusto kypsyi sääriluun rustossa aikuiseen rakenteeseen 3 kk:n ikään mennessä ja vielä niin, että sääriluun nivelrusto kehittyi varhemmin kuin reisiluun rusto. Kollageenin ja sen poikkisidosten määrä rustossa

2 lisääntyi merkittävästi kasvun ja kehityksen, so. painonnousun myötä (julkaisut 1/185, 194). Sika: Sian nivelrustossa tapahtuu kollageenisäikeistössä dramaattinen muutos ruston syvien säikeiden orientaation muuttuessa kasvun ja kehityksen aikana pinnansuuntaisesta asennosta kulkemaan kohtisuoraan ruston pintaa vastaan (julkaisut 1/178, 182). Hevonen: Nuorten hevosten aktiivinen harjoittaminen nopeutti nivelruston kollageenisäikeistön kypsymistä siten, että kollageenin poikkisidosten lukumäärä lisääntyi. Samalla kuitenkin kävi niin, että normaalisti laitumella oleviin hevosiin verrattuna, kollageenin ja proteoglykaanien määrä nivelrustossa oli alhaisempi harjoitelleilla eläimillä (julkaisut 1/179, 186, 187). Nivelpinnan eri osien kuormitus vaikutti merkittävästi ko. kohdan kollageenisäikeistön ominaisuuksien kehittymiseen ja proteoglykaanien määrään (julkaisu 1/189). Kasvu ja harjoittelu vaikuttivat myös rustonalaisen luun kollageenisäikeistön järjestäytymiseen ja ominaisuuksiin (1/181). Luusto: Luun kollageenisäikeistössä tapahtui merkittäviä määrän ja laadun muutoksia eläimen kasvun ja kehityksen sekä vanhenemisen myötä. Nämä muutokset vaikuttivat luun biomekaanisiin ominaisuuksiin ja alttiuteen murtua (julkaisut:1/191, 192, 195, 198, 199; 2/60,61). Yhteenveto: Edellä olevat koe-eläimillä tehdyt tutkimukset osoittivat selvästi, että kasvun ja kehityksen aikana nivelruston kollageenisäikeistössä tapahtuu merkittäviä määrällisiä ja laadullisia muutoksia. Muutokset näyttävät riippuvan ennen kaikkea kasvuun liittyvästä painon lisäyksestä mutta myös siitä kuormituksesta, jolle nivel tai sen osa altistui. Pienillä koe-eläimillä (hiiri ja hamsteri) saadut tulokset eivät antaneet tyhjentävää käsitystä nivelkuormituksen vaikutuksista kollageenisäikeistön ominaisuuksien kehitykseen. Kuitenkin hevosilla suoritetut kokeet osoittivat kiistattomasti, että nivelkuormituksella ja harjoittelulla on vaikutuksia paitsi nivelruston kollageenisäikeistön ominaisuuksiin (määrä, järjestäytyminen, poikkisidosten määrä) myös proteoglykaanien paikalliseen määrään rustossa. Helminen: 1. Scientific articles in international journals with peer review Practical considerations in the use of polarized light microscopy in the analysis of the collagen network in articular cartilage Rieppo J, Hallikainen J, Jurvelin JS, Kiviranta I, Helminen HJ, Hyttinen MM Microsc Res Tech 2008;71: Early exercise advances the maturation of glycosaminoglycans and collagen in the extracellular matrix of articular cartilage in the horse van Weeren R, Firth EC, Brommer H, Hyttinen MM, Helminen HJ (AE), Rogers CW, DeGroot J, Brama PA Equine Vet J 2008;40: Disturbed synthesis of type II collagen interferes with rate of bone formation and growth and increase bone resorption in transgenic mice Nieminen J, Sahlman J, Hirvonen T, Lapveteläinen T, Miettinen M, Arnala I, Malluche HH, Helminen HJ Calcif Tiss Int 2008;82: Changes in subchondral bone mineral density and collagen matrix organization in growing horses Holopainen JT, Halmesmäki E, Harjula T, Tuukkanen J, Brama PAJ, van Weeren R, Helminen HJ, Hyttinen MM Bone 2008;43:

3 182. Changes in spatial collagen content and collagen network architecture in porcine articular cartilage during growth and maturation Rieppo J, Hyttinen MM, Halmesmaki E, Ruotsalainen H, Vasara A, Kiviranta I, Jurvelin JS, Helminen HJ Osteoarthritis Cartilage 2009;17: Cartilage collagen fibril network in newborn transgenic mice analyzed by electron microscopic stereology Långsjö TK, Arita M, Helminen HJ Cells Tissues Organs 2009:190: Sports, loading of cartilage, osteoarthritis and its prevention - Editorial Helminen HJ Scand J Med Sci Sports 2009;19: Comparison of single-phase isotropic elastic and fibril-reinforced poroelastic models for indentation of rabbit articular cartilage Julkunen P, Harjula T, Marjanen J, Helminen HJ, Jurvelin JS J Biomech 2009;42: Effect of loading on the organisation of the collagen fibril network in juvenile equine articular cartilage Brama PAJ, Holopainen J, van Weeren PR, Firth EC, Helminen HJ, Hyttinen MM J Orthop Res 2009;27: Influence of exercise and joint topography on depth-related spatial distribution of proteoglycan and collagen content in immature equine aerticular cartilage Brama PAJ, Holopainen J, van Weeren PR, Firth EC, Helminen HJ, Hyttinen MM Equine Vet J 2009;41: Influence of intensity and changes of physical activity on bone mineral density of immature equine subchondral bone Brama PAJ, Firth EC, van Weeren PR, Tuukkanen J, Holopainen J, Helminen HJ, Hyttinen MM Equine Vet J 2009;41: Changes in collagen fibril network organization and proteoglycan distribution in equine articular cartilage during maturation and growth Hyttinen MM, Holopainen J, van Weeren PR, Firth EC, Helminen HJ, Brama PAJ J Anat 2009;215: Biomechanical, biochemical and structural correlations in immature and mature rabbit articular cartilage Julkunen P, Harjula, T, Iivarinen J, Marjanen J, Seppänen K, Närhi T, Arokoski J, Lammi MJ, Brama PA, Jurvelin JS, Helminen HJ Osteoarthritis Cartilage 2009;17: Physical exercise improves properties of bone and its collagen network in growing and maturing mice Isaksson H, Tolvanen V, Finnilä MAJ, Iivarinen J, Tuukkanen J, Seppänen K, Arokoski JPA, Brama PA, Jurvelin JS, Helminen HJ Calcif Tissue Int 2009;85:247-56

4 192. Long-term voluntary exercise of male mice induces more beneficial effects on cancellous and cortical bone than the collagenous matrix Isaksson H, Tolvanen V, Finnilä MAJ, Iivarinen J, Turunen A, Silvast TS, Tuukkanen J, Seppänen K, Arokoski JPA, Brama PA, Jurvelin JS, Helminen HJ Exp Gerontol 2009;44: Quantitative analysis of spatial proteoglycan content in articular cartilage with Fourier transform infrared imaging spectroscopy: Critical evaluation of analysis methods and specificity of the parameters Rieppo L, Saarakkala S, Närhi T, Holopainen J, Lammi M, Helminen HJ, Jurvelin JS, Rieppo J Microsc Res Tech 2010;73: Maturation of collagen fibril network structure in tibial and femoral cartilage of rabbits Julkunen P, Iivarinen J, Brama PA, Arokoski J, Jurvelin JS, Helminen HJ Osteoarthritis Cartilage 2010;18: Collagen and mineral deposition in rabbit cortical bone during maturation and growth: Effect on tissue properties Isaksson H, Harjula T, Koistinen A, Iivarinen J, Seppänen K, Arokoski JPA, Brama PA, Jurvelin JS, Helminen HJ J Orthop Res 2010 Jun 10 Epub ahead of print 196. Quantitative analysis of collagen network structure and fibril dimensions in cartilage repair with autologous chondrocyte transplantation Långsjö TK, Vasara AI, Hyttinen MM, Lammi MJ, Kaukinen A, Helminen HJ, Kiviranta I Cells Tissues Organs 2010 Jul 26 Epub ahead of print 197. Effects of growth and exercise on composition, structural maturation and appearance of osteoarthritis in articular cartilage of hamsters Julkunen P, Halmesmäki EP, Iivarinen J, Rieppo L, Närhi T, Marjanen J, Rieppo J, Arokoski J, Brama PA, Jurvelin JS, Helminen HJ J Anat 2010;217: Rabbit cortical bone tissue increases its elastic stiffness but becomes less viscoelastic with age Isaksson H, Malkiewicz M, Nowak R, Helminen HJ, Jurvelin JS Bone 2010, in press Infrared spectroscopy reveals both qualitative and quantitative differences in equine subchondral bone during maturation Kobrina Y, Isaksson H, Sinisaari M, Rieppo L, Brama PA, van Weeren R, Helminen HJ, Jurvelin JS, Saarakkala S J Biomed Opt 2010, in press 2. Scientific articles in international monographs, books or conference books with peer review Comparison of indentation models of articular cartilage Marjanen J, Julkunen P, Harjula T, Helminen HJ, Jurvelin JS Abstracts of the 16 th Congress, European Society of Biomechanics, Lucerne, Switzerland, 6-9 July J Biomechanics 2008;41Suppl1:S299

5 61. Properties of collagen matrix in bone of maturing, growing and adult rabbits: effects on tissue mechanics Isaksson H, Harjula T, Iivarinen J, Seppänen K, Jurvelin JS, Helminen HJ Transactions of the 56th Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, New Orleans, Louisiana, March 6-9, Abstract-ID ORS Depth-dependent collagen content, orientation and tensile properties of equine cartilage during growth and maturation Sinisaari MJ, Rieppo L, Iivarinen J, Jurvelin JS, Saarakkala S, Korhonen RK, Helminen HJ Transactions of the 56th Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, New Orleans, Louisiana, March 6-9, Abstract accepted 63. Viscoelastic properties of bone are age-dependent A methodological comparison of nanoindentation protocols Isaksson H, Malkiewicz M, Harjula T, Nowak R, Helminen HJ, Jurvelin JS Transactions of the 56th Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, New Orleans, Louisiana, March 6-9, Abstract-ID ORS TUTKIMUKSEN HYÖDYNNETTÄVYYS KÄYTÄNNÖSSÄ JA PÄÄTÖKSENTEOSSA (ks. Liikuntahallinnollinen kehys): Edellä esitetyt tulokset tästä tutkimushankkeesta ja myös aikaisemmista tutkimuksistamme osoittavat kiistatta, että liikunta ja nivelkuormitus muuttavat nivelruston ominaisuuksia. Lasten ja nuorten aktiivinen liikuntaharrastus lisää ruston määrää kasvuikäisten nivelissä (Jones ym. Br J Sports Med 2003;37:382-3). Lisääntyneen ruston biokemiallisista ja biomekaanisista ominaisuuksista lapsilla ja nuorilla ei ole kuitenkaan tietoa. On kuitenkin täysi syy olettaa, että nuorten ruston ominaisuudet paranevat aktiivisen liikunnan seurauksena. Koe-eläimillä suoritetut kokeet tukevat tätä käsitystä. Toisaalta koe-eläimillä suoritetut tutkimukset ovat myös osoittaneet, että liiallinen kuormitus ja rasitus heikentävät nivelruston ominaisuuksia. Samantapaisia kielteisiä muutoksia nivelrustossa aiheuttaa yksipuolinen raskas työ (Felson. Bull Rheum Dis 1998;47:1-4). Missä kulkee raja sopivan aktiivisen ja toisaalta liiallisen nivelkuormituksen välillä, on vaikea määrittää ja se varmasti vaihtelee eri yksilöillä. Liikuntakulttuurin kannalta on myös huomattava se nivelruston ominaisuus, että kerran vaurioiduttuaan nivelrusto ei pysty korjaantumaan entiselleen. Tässä nivelrustokudos poikkeaa luukudoksesta. Murtunut luu pystyy paranemaan kokonaan, mutta vaurioitunut nivelrustoalue ei. Vaurioitunut nivelrusto altistaa kyseisen nivelen nivelrikolle. On arvioitu, että erilaisten nivelvammojen ehkäisy vähentäisi väestön nivelrikkoisuutta 14-25%:lla (Felson. Bull Rheum Dis 1998;47:1-4). Liikuntakulttuurin tulisikin havahtua huomaamaan, että kaikessa toiminnassa pitäisi torjua nivelten vammautuminen. Tämä edellyttää valmentajien ja urheilijoiden tietämyksen parantamista tässä asiassa. Kun nivelrustokudoksen kollageenitukivaruksessa ei aikuisella enää tapahdu suuriakaan muutoksia, nivelrikon ehkäisyssä huomio olisikin kiinnitettävä lasten ja nuorten nivelterveyden vahvistamiseen. Olemme esittäneet hypoteesin, jonka mukaan aktiivinen liikuntaharrastus nuorena vahvistaa ruston kollageenisäikeistöä, mikä ehkäisee vanhemmalla iällä ilmenevää nivelrikkoisuutta (Helminen ym. J Bone Miner Metab 2000;18:245-57). Hypoteesia tukee mm. suomalainen vuotiailla suoritettu epidemiologinen tutkimus, jonka mukaan arkipäivän kohtuullisen liikunta vähentää merkittävästi nivelrikon vuoksi suoritettavien tekonivelleikkauksien tarvetta (Manninen ym. Rheumatology 2001;41:432-7).

6 Lopuksi on korostettava, että liikapainoisella painon lasku on paras tapa ehkäistä nivelrikkoa. Painoindeksin pitäminen varhaisesta aikuisuudesta lähtien pienempänä kuin 25 kg/m 2 vähentää väestön nivelrikkoisuutta 27-53% (Felson. Bull Rheum Dis 1998;47:1-4). Oireista nivelrikkoa arvioidaan maassamme sairastavan noin henkilöä.