Jaakko Piitulainen: Kuitulujitteinen bioaktiivinen istute kallon luupuutosten korjausleikkauksissa Lectio praecursoria 30.10.2015 Arvoisa kustos, arvoisa vastaväittäjä, arvoisat kuulijat Onnettomuus. Aivokasvain. Paise. Kallon luun puutos syntyy tavallisimmin päähän kohdistuneen vamman seurauksena. Kallonluun murtuman ja tähän liittyvän verenvuodon hoitamiseksi tehty leikkaus voi johtaa tilanteeseen, jossa osa kallon luusta on jouduttu poistamaan. Tämän lisäksi kallon luupuutos voi syntyä tulehduksen, kasvaimen tai aivoverenkiertohäiriön leikkaushoitoon liittyen. Kallon luupuutosten korjaaminen on hyödyllistä. Kallonluun tärkeänä tehtävänä on suojata aivoja. Lisäksi potilaan oireissa voi luupuutoksen korjaamisen myötä tapahtua merkittävää paranemista. Esimerkiksi luupuutokseen liittyvä päänsärky yleensä vähenee ja epämukavuuden tunne poistuu. Väheksyä ei sovi myöskään psyykkisiä vaikutuksia, joita kallon aikaisemman ulkomuodon palauttaminen aikaansaa. Ihosiirre. Munuaissiirre. Luusiirre. Keinoläppä. Polviproteesi. Kalloistute. Biomateriaalien eli ihmiskehon sisälle istutettavien keinomateriaalien kehittäminen ja käyttöönotto on stimuloinut ihmismieltä jo ennen ajanlaskumme alkua. Ensimmäiset arkeologiset viitteet kallon luupuutoksen korjaamisesta ovat Perun Inka-kulttuurin kukoistuksen ajoilta. Tänä päivänä kallon luupuutoksen korjaamiseen käytetään potilaan omaa luuta ja erilaisia biomateriaaleja, joilla tässä yhteydessä tarkoitetaan luunkorvikemateriaaleja. Luunkorvikemateriaaleina käytetään esimerkiksi muoveja, titaania sekä luusementeiksi kutsuttuja seoksia. Korjausleikkauksessa potilas nukutetaan ja kirurgi ihoviillon kautta paljastaa luupuutoksen reunat. Potilaan oma luusiirre on ensisijainen korjausmateriaali kallon luupuutosten hoidossa. Siirre voidaan ottaa esimerkiksi lonkkaluusta tai toisaalta kallon luusta. Tavallisimmin käytetään kuitenkin omaa kallonluuta, joka on irrotettu talteen ja säilytetty pakkasessa. Potilaan toivuttua sairaudestaan voidaan pakastettu kallonluu istuttaa takaisin paikalleen. Mikäli oma luusiirre ei ole käytettävissä, valitaan kullekin potilaalle sopivin biomateriaali. Yleisinä periaatteina valintaan liittyen voidaan esittää, että pienten luupuutosten korjaamisessa voidaan käyttää erilaisia
standardikokoisia istutteita, tai leikkauksen aikana sopivan kokoiseksi muotoiltavia paikka-aineita. Hyvin suurten luupuutosten korjaamisessa käytetään tavallisemmin yksilöllisesti, siis mittatilaustyönä ennen toimenpidettä valmistettua istutetta. Suomessa tehdään vuosittain noin 100 kallon luupuutoksen korjausleikkausta. Maailmanlaajuisesti kyseessä on merkittävän kokoinen potilasryhmä, jonka määrän voi olettaa edelleen kasvavan liikennemäärien lisääntyessä, lääketieteen hoitokeinojen parantuessa sekä valitettavasti konflikteihin liittyen. Keskimäärin joka viidennellä potilaalla ilmenee korjausleikkauksen jälkeen lisätauti, joka johtaa uusintaleikkaukseen tai korjausmateriaalin poistamiseen. Hoidon epäonnistumisena pidetään tilannetta, jossa korjausmateriaali poistetaan. Tavallisin tähän johtava syy on luusiirteen tai keinomateriaalin infektoituminen eli tulehtuminen. Huolimatta yli 5000 vuoden tuotekehityksestä, mikään käytössä olevissa luunkorvikemateriaaleista ei siis ole täydellinen. Eri materiaaleilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, mutta mikään nykyään käytössä olevista materiaaleista ei yksiselitteisesti ole muita parempi. Uusia biomateriaaleja tarvitaan, jotta ne vastaisivat paremmin oman kallonluun ominaisuuksia ja rakennetta. Istutettavan materiaalin kyky luutua yhteen ympäröivän kallon luun kanssa voi vähentää lisätautien, kuten tulehduksen tai istutteen irtoamisen riskiä. Kiinnostavaa on myös, voidaanko tulehduksia aiheuttavien bakteerien kasvua vähentämällä parantaa kallon luupuutoksen korjausleikkauksen hoitotuloksia. Korjausmateriaalilta edellytetään vähintään kallonluuta vastaavia kestävyys- ja lujuusominaisuuksia. Lisäarvoa tuo, mikäli materiaalia on helppo muotoilla toimenpiteen aikana, eikä se hankaloita esimerkiksi magneettikuvan ottamista tai sädehoidon antamista. Lisäksi materiaalin odotetaan olevan helposti saatavilla sekä tuotantokustannuksiltaan taloudellinen. Jo 1500-luvulla italialaisen lääkärin Fallopiuksen neuvoessa käyttämään kultalevyä luupuutoksen korjaamisessa, monet aikalaiset, mukaan lukien ranskalaiskirurgit Paré ja Franco esittivät pelkonsa näiden jalojen metallien voivan päätyä muihin taskuihin kuin potilaan hyväksi. Pohjalainen tiivistää ja kysyy, mihin se on hyvä? Ennen uuden biomateriaalin käyttöönottoa tarvitaan tutkittua tietoa. Onko materiaali turvallinen? Soveltuuko se siihen tarkoitukseen, johon se on suunniteltu? Tutkimukseni vastaa erityisesti näihin
kahteen kysymykseen. Lisäksi pyrin selvittämään, millaisia hoitotulokset uudella materiaalilla ovat verrattuna muihin käytössä oleviin vaihtoehtoihin. Väitöstutkimukseni on tehty biomateriaalitieteen ja lääketieteen risteämiskohdassa. Biomateriaalitieteen pyrkimyksenä on kehittää uusia ja parempia materiaaleja, joista tehtyjen sovellusten avulla ihmisen sairauksia voidaan hoitaa, kudospuutoksia korjata tai terveyttä lisätä. Sanalla sanoen, varaosien kehittämisestä on kyse. Ennen kliinistä potilastutkimusta, on uuden lääketieteelliseen käyttöön aiotun sovelluksen toimintaa ja kudosyhteensopivuutta testattava muilla keinoin. Tämän jälkeen, mikäli tulokset ovat suotuisat, voidaan suunnitella, hyväksyttää ja käynnistää kliininen tutkimus. Kliinisistä tutkimuksista kertyneen tutkitun tiedon avulla käytännön työtä tekevän lääkärin on mahdollista soveltaa tietoa ja valita kulloiseenkin tilanteeseen paras toimintamalli. Kuitulujitteisen kallon luupuutoksen korjaamiseen tarkoitetun istutteen kehittämisessä edettiin ensimmäisiin kliinisiin sovelluksiin 1990-luvun ja 2000-luvun taitteessa. Turun yliopistossa valittiin kehityspoluksi pyrkimys matkia kallonluun huokoista, kerroksittaista rakennetta. Materiaalin kestävyysominaisuuksia voidaan parantaa käyttämällä erilaisia kuituja lujittamaan rakennetta. Luonnossa tällainen materiaali on esimerkiksi puu, jonka rakenteen vahvistavat pitkittäiset selluloosakuidut. Myös luun kestävyysominaisuudet perustuvat kuituihin, nimittäin kollageenikuituihin. Biomateriaalikäytössä lasikuituja on tutkittu 60-luvulta saakka, ensin hammaslääketieteen sovelluksissa. Lasikuitulujitteisesta muovista valmistettavan kalloistutteen rakenne on kevyt, kestävä ja huokoinen. Rakenteen sisälle päätettiin lisätä bioaktiivista lasia, jonka luutumisominaisuuksista ja bakteerikasvua vähentävistä ominaisuuksista oli kertynyt runsaasti tietoa 1980-luvulta alkaen. Tässä työssä myös Turun yliopiston ja Åbo Akademin tutkijat ovat saaneet kansainvälistä tunnustusta. Bioaktiivinen lasi on osoittautunut 1990-luvulla ja 2000-luvulla toteutetuissa kliinisissä tutkimuksissa käyttökelpoiseksi materiaaliksi erilaisten tulehtuneiden onteloiden hoidossa. Esimerkiksi pään- ja kaulan alueen kirurgiassa otsaontelon ja korvalokeroston hankalien tulehdusten hoidon keinovalikoimaan on kuluneen kymmenen vuoden aikana noussut ontelon täyttäminen bioaktiivisella lasilla. Lääketieteen kehityskulkuun liittyvä erikoisalojen kehittyminen on aikaansaanut tilanteen, jossa samaa vaivaa voidaan hoitaa eri erikoisalojen osaajien toimesta. Kirurgian alalla kallon
luupuutoksen hoito on keskittynyt neurokirurgeille. Luupuutoksen anatomia ei aina noudata oppiaineiden rajoja, jonka seurauksena myös pään- ja kaulan alueen kirurgiaan perehtyneet sekä biomateriaalien käyttöön tottuneet korvalääkärit sekä suu- ja leukakirurgit joskus osallistuvat näiden potilaiden hoitoon. Myös plastiikkakirurgin apua saatetaan tarvita riittävän ihopeiton varmistamiseen. Väitöstutkimukseni on toteutettu Turun yliopiston, Turun yliopistollisen keskussairaalan ja Oulun yliopistollisen sairaalan yhteistyönä. Tutkittava kalloistute on yhdistelmämateriaali eli komposiitti, jonka runko on lasikuiduilla vahvistettua huokoista muovia. Rakenteen sisällä on bioaktiivista lasia. Toisin sanoen, tutkin kuitulujitteisesta muovista ja bioaktiivisesta lasista valmistetun komposiittiistutteen avulla tehtyjen kallon luupuutosten korjausleikkausten hoitotuloksia. Prekliinisissä tutkimuksissa tämä lasikuiduilla vahvistettu, bioaktiivista lasia sisältävä yhdistelmämateriaali on osoittautunut ominaisuuksiltaan otolliseksi luutumiselle. Väitöskirjassani käytän kalloistutteesta lyhennettä FRC BG, johdettuna sanoista fiber-reinforced composite bioactive glass implant. Väitöskirjani koostuu neljästä osatyöstä, joista kolmessa tarkastellaan kallon luupuutoksen hoitotuloksia ja neljännessä käsitellään kalloistutteen lujuusominaisuuksia sekä rakenteen rikkoutumistapaa. Artikkelimuoto ei mahdollista kovin laajaa käsitteiden tai aikaisemman tutkimustiedon avaamista. Avatakseni näitä lukijalle olen halunnut kirjoittaa väitöskirjaani kattavan yhteenvedon. Yhteenvedossa käsittelen kallon luupuutosten korjausleikkauksen eli kranioplastian historiaa, joka on samalla myös materiaalitieteen historiaa. Esitän nykyisin käytössä olevat materiaalit sekä näihin liittyvät erityispiirteet. Korjausleikkauksen indikaatiot kertovat, milloin on syytä harkita kranioplastian tekemistä. Leikkausta edeltävä valmistelu, toimenpide sekä siihen liittyvät lisätaudit esitellään lukijalle. Lisäksi käyn systemaattisesti läpi FRC BG-istutteen kehittämiseen liittyvät aikaisemmat tutkimustulokset. Tämän tutkimuksen ensimmäisessä ja toisessa osatyössä selvitettiin uuden istutteen soveltuvuutta kallon luupuutoksen korjausmateriaaliksi. Kliininen tutkimus käynnistettiin vuonna 2007. Turun yliopistollisessa keskussairaalassa ja Oulun yliopistollisessa sairaalassa toteutettiin kliininen etenevä seurantatutkimus, jossa arvioitiin vuosina 2007 2014 uudella kalloistutteella tehtyjen kallon luupuutoksen korjausleikkausten hoitotuloksia. Kahdeksan vuoden aikana yhteensä 35
potilaan kallon luupuutos korjattiin tällä uudella istutteella. Ennen korjausleikkausta luupuutoksesta otettiin kolmiulotteinen kuva, jonka perusteella tehtiin pikamallinnustekniikalla muovinen kallomalli. Tämän mallin avulla valmistettiin yksilöllinen kalloistute käsityönä ennen leikkausta. Keskimääräinen seuranta-aika korjausleikkauksen jälkeen oli 2,5 vuotta. Luupuutoksen korjausleikkaukseen liittyviä tavanomaisia lisätauteja esiintyi tälläkin materiaalilla. Kolmannessa osatyössä selvitettiin taannehtivassa tutkimusasetelmassa vuosina 2002 2012 Turun yliopistollisessa keskussairaalassa tehdyn sadan kallon luupuutoksen korjausleikkauksen hoitotuloksia. Neljännessä kokeellisessa osatyössä testattiin istutteen kuormituksen kantokykyä ja murtumista staattisen kuormituksen alla. Halusin selvittää, lisäävätkö pitkittäiset lasikuitulujitteiset vahvikkeet istutteen kuormituksen kantokykyä. Lisäksi arvioin istutteen rakenteelle ja lasikuiduille tapahtuvia muutoksia kuormituksen lisääntyessä ja aiheuttaessa rakenteen hajoamisen. Tutkimus vahvisti aikaisemmin tehtyjä havaintoja, että kallon luupuutoksen korjausleikkauksiin liittyy huomattava määrä leikkauksen jälkeen ilmeneviä lisätauteja. Tässä tutkimuksessa havaitsin, että joka viidennen kallon luupuutoksen korjausleikkauksen jälkeen ilmenee lisätauti, joka johtaa uusintaleikkaukseen tai korjausmateriaalin poistamiseen. Toinen käytännön työn kannalta tärkeä asia on, että tutkimukseni perusteella kallon luupuutosten korjausleikkausten hoitotulokset olivat yhtä hyviä riippumatta siitä, käytettiinkö uutta FRC BG-istutetta, muita käytössä olevia synteettisiä materiaaleja tai omaa pakastettua luusiirrettä. Väitöskirjaksi aikomassani työssä esitän, että kuitulujitteinen bioaktiivinen kalloistute on turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali, joka soveltuu käytettäväksi sekä aikuis- että lapsipotilaiden kallon luupuutosten korjausleikkauksissa. Pyydän teitä, arvoisa professori Christian Lindqvist lääketieteellisen tiedekunnan määräämänä vastaväittäjänä esittämään ne muistutukset, joihin katsotte väitöskirjani antavan aihetta.