Computational Modeling of Epithelial Barrier Properties and Biomechanics
Tervonen, Aapo (2022)
Tervonen, Aapo
Tampere University
2022
Biolääketieteen tekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Biomedical Sciences and Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2022-01-14
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2242-7
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2242-7
Tiivistelmä
Epiteelit ovat solukerroksia, jotka erottavat kudokset ympäristöstään ja säätelevät molekyylien ja ionien liikkumista kudosten välillä. Näiden kudosten toiminnan kannalta tärkeässä osassa ovat solujen väliset liitokset, erityisesti esteen muodostavat tiiviit liitokset sekä voimia solusta toiseen välittävät vyöliitokset. Koska epiteeleihin kohdistuu useita ulkoisia ärsykkeitä – kuten bakteerit suolessa ja ilman epäpuhtaudet keuhkoissa – ne ovat alttiita lukuisille sairauksille. Monet näistä sairauksista johtavat epiteeliesteen hajoamiseen sekä muutoksiin solujen biomekaniikassa. Aktiivisesta tutkimuksesta huolimatta, epiteelien muodostavan esteen rakennetta ja niiden biomekaanisia ominaisuuksia tai niissä tapahtuvien muutosten vaikutuksia ei vielä tunneta tarpeeksi hyvin tehokkaiden hoitojen kehittämiseksi.
Esteominaisuuksien ja epiteelin biomekaniikan tutkimiseen on monia kokeellisia menetelmiä, joilla on omat rajoitteensa. Epiteeliesteen, ja erityisesti solujen välisiä tiiviitä liitoksia, tutkivat menetelmät usein mittaavat epiteelinlaajuisia ominaisuuksia eivätkä aina kykene havaitsemaan paikallisia tai nopeita muutoksia. Epiteelin toimintaa ohjaavien voimien tutkimiseen puolestaan on useita kokeellisia menetelmiä, mutta ne eivät usein pysty luomaan täydellistä kokonaiskuvaa ilmiöstä. Laskennallinen mallinnus tarjoaa työkaluja tukemaan kokeellista tutkimusta yhdistämällä solubiologiaa, matematiikkaa, ja biofysiikan teoriaa laskennallisiin työkaluihin. Epiteelikudosten mallintaminen on aktiivisinta biomekaniikan osalta, mutta se on keskittynyt pääasiassa kudosten kehittymisen mallintamiseen, eikä solujen mekaanista ympäristöä usein huomioida. Epiteelin esteominaisuuksien mallintaminen on puolestaan harvinaista.
Väitöskirjani tavoite on matemaattisten mallien kautta parantaa ymmärrystämme epiteelin muodostamasta esteestä ja miten epiteelisolujen mekaaninen ympäristö vaikuttaa niiden toimintaan. Erityisesti tarkoituksena on tunnistaa esteiden pääkomponentit epiteelin muodostamissa kudoksissa, ymmärtää tiiviiden liitosten rakenteellista dynamiikkaa, tutkia epiteelien sähköfysiologisiin mittauksiin tarkoitettujen mittausjärjestelmien mittausherkkyyttä, ja selvittää epiteelin mekaanisen ympäristön vaikutusta solujen välisiin voimiin.
Väitöstutkimuksessani kehitin kolme uutta laskennallista mallia ja hyödynsin olemassa olevaa mallinnusalustaa yhteen tutkimukseen. Nämä mallit perustuvat moneen erilaiseen mallinnusmenetelmään. Epiteeliesteen, tarkemmin silmän takaosassa sijaitsevan veri-verkkokalvoesteen, pääkomponenttien tunnistamiseen hyödynnettiin niin sanottua steady-state mallia. Tiiviiden liitosten dynamiikkaa kuvattiin stokastisia kompartmentti- ja virtapiirimalleja hyödyntämällä. Epiteelin sähköfysiologista mittausjärjestelmää tutkittiin käyttäen elementtimenetelmää. Ympäristön mekaniikan vaikutusten selvittämistä varten kehitettiin solupohjainen malli.
Tulokset osoittivat, että epiteelin muodostamissa kudosesteissä läpäisevyyden määrittää pääasiassa solujen välissä sijaitsevat tiiviit liitokset. Tarkempaa tiivisliitosmallia hyödyntämällä ennustimme, että suurempien molekyylin epiteelin läpäisemisen mahdollistava vuotoreitti koostuu kahdesta komponentista eri osissa tiiviitä liitoksia. Lisäksi tarkastelimme tiiviiden liitosten rakenteellisen dynamiikan vaikutusta epiteelistä mitattuihin läpäisevyys- ja sähköresistanssiarvoihin ja havaitsimme, että dynaaminen rakenne vaikuttaa näihin mittasuureisiin eri tavalla. Mallimme sähköfysiologisesta mittausjärjestelmästä osoitti, että mittauselektrodien asettelu vaikuttaa epiteelistä mitattavaan kohtaan, mutta ei mittaustuloksiin. Viimeisen tutkimuksen tuloksien mukaan solujen ympäristön jäykkyydellä on merkittävä rooli voimien välittymisessä solujen välillä. Lisäksi solut kykenevät näiden voimien avulla viestimään tietoa muutoksista ympäristön jäykkyydessä pitkien etäisyyksien päähän.
Tässä väitöskirjassa kehittämäni mallit muodostavat laskennallisia alustoja, jotka kykenevät luomaan uutta tietoa epiteelien toiminnasta ja tukemaan kokeellista tutkimusta esimerkiksi luomalla uusia hypoteeseja ja mahdollistamalla tulosten kvantitatiivisen analysoinnin. Laskennallinen mallinnus yhdessä kokeellisten menetelmien kanssa muodostavat toisiaan tukevan tutkimustyökalun, joka parantaa ymmärrystämme epiteelien toiminnasta esteenä sekä niiden biomekaniikasta ja täten auttaa meitä ymmärtämään monia epiteelipohjaisia sairauksia.
Esteominaisuuksien ja epiteelin biomekaniikan tutkimiseen on monia kokeellisia menetelmiä, joilla on omat rajoitteensa. Epiteeliesteen, ja erityisesti solujen välisiä tiiviitä liitoksia, tutkivat menetelmät usein mittaavat epiteelinlaajuisia ominaisuuksia eivätkä aina kykene havaitsemaan paikallisia tai nopeita muutoksia. Epiteelin toimintaa ohjaavien voimien tutkimiseen puolestaan on useita kokeellisia menetelmiä, mutta ne eivät usein pysty luomaan täydellistä kokonaiskuvaa ilmiöstä. Laskennallinen mallinnus tarjoaa työkaluja tukemaan kokeellista tutkimusta yhdistämällä solubiologiaa, matematiikkaa, ja biofysiikan teoriaa laskennallisiin työkaluihin. Epiteelikudosten mallintaminen on aktiivisinta biomekaniikan osalta, mutta se on keskittynyt pääasiassa kudosten kehittymisen mallintamiseen, eikä solujen mekaanista ympäristöä usein huomioida. Epiteelin esteominaisuuksien mallintaminen on puolestaan harvinaista.
Väitöskirjani tavoite on matemaattisten mallien kautta parantaa ymmärrystämme epiteelin muodostamasta esteestä ja miten epiteelisolujen mekaaninen ympäristö vaikuttaa niiden toimintaan. Erityisesti tarkoituksena on tunnistaa esteiden pääkomponentit epiteelin muodostamissa kudoksissa, ymmärtää tiiviiden liitosten rakenteellista dynamiikkaa, tutkia epiteelien sähköfysiologisiin mittauksiin tarkoitettujen mittausjärjestelmien mittausherkkyyttä, ja selvittää epiteelin mekaanisen ympäristön vaikutusta solujen välisiin voimiin.
Väitöstutkimuksessani kehitin kolme uutta laskennallista mallia ja hyödynsin olemassa olevaa mallinnusalustaa yhteen tutkimukseen. Nämä mallit perustuvat moneen erilaiseen mallinnusmenetelmään. Epiteeliesteen, tarkemmin silmän takaosassa sijaitsevan veri-verkkokalvoesteen, pääkomponenttien tunnistamiseen hyödynnettiin niin sanottua steady-state mallia. Tiiviiden liitosten dynamiikkaa kuvattiin stokastisia kompartmentti- ja virtapiirimalleja hyödyntämällä. Epiteelin sähköfysiologista mittausjärjestelmää tutkittiin käyttäen elementtimenetelmää. Ympäristön mekaniikan vaikutusten selvittämistä varten kehitettiin solupohjainen malli.
Tulokset osoittivat, että epiteelin muodostamissa kudosesteissä läpäisevyyden määrittää pääasiassa solujen välissä sijaitsevat tiiviit liitokset. Tarkempaa tiivisliitosmallia hyödyntämällä ennustimme, että suurempien molekyylin epiteelin läpäisemisen mahdollistava vuotoreitti koostuu kahdesta komponentista eri osissa tiiviitä liitoksia. Lisäksi tarkastelimme tiiviiden liitosten rakenteellisen dynamiikan vaikutusta epiteelistä mitattuihin läpäisevyys- ja sähköresistanssiarvoihin ja havaitsimme, että dynaaminen rakenne vaikuttaa näihin mittasuureisiin eri tavalla. Mallimme sähköfysiologisesta mittausjärjestelmästä osoitti, että mittauselektrodien asettelu vaikuttaa epiteelistä mitattavaan kohtaan, mutta ei mittaustuloksiin. Viimeisen tutkimuksen tuloksien mukaan solujen ympäristön jäykkyydellä on merkittävä rooli voimien välittymisessä solujen välillä. Lisäksi solut kykenevät näiden voimien avulla viestimään tietoa muutoksista ympäristön jäykkyydessä pitkien etäisyyksien päähän.
Tässä väitöskirjassa kehittämäni mallit muodostavat laskennallisia alustoja, jotka kykenevät luomaan uutta tietoa epiteelien toiminnasta ja tukemaan kokeellista tutkimusta esimerkiksi luomalla uusia hypoteeseja ja mahdollistamalla tulosten kvantitatiivisen analysoinnin. Laskennallinen mallinnus yhdessä kokeellisten menetelmien kanssa muodostavat toisiaan tukevan tutkimustyökalun, joka parantaa ymmärrystämme epiteelien toiminnasta esteenä sekä niiden biomekaniikasta ja täten auttaa meitä ymmärtämään monia epiteelipohjaisia sairauksia.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4754]