Development of Vibration Stimulus Technologies for Cellular Mechanobiology Studies
Halonen, Heidi (2026)
Tampere University
2026
Lääketieteen, biotieteiden ja biolääketieteen tekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Medicine, Biosciences and Biomedical 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
2026-08-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-4639-3
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-4639-3
Tiivistelmä
Korkeataajuinen (HF) mekaaninen värähtely tarjoaa lupaavan lähestymistavan solumallien kehittämiseen in vitro -sovelluksissa. Menetelmän laajempi käyttöönotto on kuitenkin haastavaa, sillä optimointiprosessit ovat työläitä ja kalliita, eikä kaupallisia HF-värähtelylaitteita ole riittävästi saatavilla. Tässä väitöskirjassa kehitettiin monipuolisia HF-värähtelyjärjestelmiä, jotka soveltuvat sekä korkeatuottoisiin että elävien solujen kuvantamistutkimuksiin. Lisäksi kehitettiin kuvankäsittelymenetelmiä, joilla voidaan arvioida mekanobiologisia vaikutuksia konfluenteissa soluviljelmissä. Tavoitteena oli tarjota käyttäjäystävällisiä työkaluja HF-värähtelykokeiden suunnitteluun ja toteutukseen.
Aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet matalan voimakkuuden HF-värähtelyyn (LMHF), jota on kohdistettu yksittäisiin viljelyalustoihin pääasiassa pystysuunnassa. Näissä asetelmissa solujen kasvua ja erilaistumista on arvioitu perinteisin päätepisteanalyysimenetelmin. Mekanobiologisia vaikutuksia tutkitaan kuitenkin yhä enemmän valomikroskopian avulla, jotta solutason mekanismeja voidaan ymmärtää tarkemmin. Laajojen aineistojen analysointi on kuitenkin haastavaa ilman soveltuvia kuvankäsittelytyökaluja. Tarvitaan siis uusia ratkaisuja sekä HF-värähtelylaitteisiin että analyysimenetelmiin, jotta soluviljelyolosuhteiden arviointi olisi kustannustehokkaampaa ja nopeampaa—erityisesti ennen pitkäkestoisten ja resursseja vaativien pitkäaikaissolukokeiden aloittamista.
Tutkimuksissa I ja II kehitettiin ja testattiin korkeatuottoisia värähtelyjärjestelmiä tukemaan ihmisen rasvakudoksen kantasolujen (hASC) luuerilaistumista. Viisi päällekkäin asetettua kuoppalevyä kiinnitettiin itse rakennettuihin värähtelyalustoihin, joissa subwooferit toimivat aktuaattoreina. Järjestelmät toimivat pääasiassa open-loop-periaatteella ja tuottivat joko pystysuuntaista tai vaakasuuntaista korkean voimakkuuden HF-värähtelyä (HMHF), jonka oletettiin jäljittelevän luun muodostusta tukevaa mekaanista kuormitusta. Väitöskirjassa osoitettiin, että laitteistot mahdollistavat solusovellusten yleisesti käytetyt HF-värähtelytaajuudet. Tutkimuksessa II esiteltiin kuvankäsittelymenetelmiä aktiinitukirangan rakenteen ja järjestäytymisen sekä tumamuodon muutosten kvantifiointiin konfluenteissa näytteissä. Näiden työkalujen avulla voitiin tutkia stimulaatioparametrien ja viljelyolosuhteiden pitkäaikaisia vaikutuksia lukuisista kuvista. Luuerilaistumismediumin havaittiin olevan keskeinen luuerilaistumisen käynnistämisessä, mikä ilmeni myös muutoksina tumamuodossa ja aktiinitukirangan ristikkäisessä järjestäytymisessä. Pystysuuntainen neliöaaltomainen HMHF-värähtely edisti luuerilaistumista tutkimuksessa I, kun taas sinimuotoinen HMHF-värähtely tutkimuksessa II vaati solujen kiinnittymistä vasteen aikaansaamiseksi. Vaakasuuntainen stimulaatio voimisti biokemiallisesti indusoitua varhaisen vaiheen osteogeneesiä, kun taas pystysuuntainen stimulaatio heikensi sitä. Suuntavaikutukset heijastuivat myös aktiinitukirangan rakenteeseen ja järjestäytymiseen, mutta biokemiallisesti indusoidut tumamuodon muutokset vaimentuivat riippumatta stimulaation suunnasta.
Tutkimuksessa III kehitettiin miniatyyrinen vaakasuuntainen värähtelyjärjestelmä, joka mahdollistaa elävien näytteiden korkearesoluutioisen kuvantamisen. Kehitetty signaalilähde ja time-lapse-kuvantamisprotokolla osoittivat laitteen yhteensopivuuden sekä mekaanisten impulssien että HF-värähtelyn kanssa yleisesti käytetyillä stimulaatiotaajuuksilla. Laitteisto soveltui myös elävien solujen kuvantamiseen, ja tämä non-endpoint-menetelmä mahdollisti nopeiden ja paikallisten mekanobiologisten vasteiden tutkimisen fluoresenssi- ja differentiaali-interferenssimikroskopialla MDCK II-epiteelisolulinjassa, joka ilmensi Emerald-Okludiinia. Solumuodon ja kaksisoluliitosten (BCJ) arviointia varten kehitetty kuvankäsittelymenetelmä viittasi siihen, että epiteelisolut kestävät toistuvaa LMHF-värähtelyä, jonka on aiemmissa tutkimuksissa osoitettu stimuloivan luuerilaistumista.
Väitöskirjassa osoitettiin myös, että tutkimuksessa II kehitetyllä järjestelmällä tuotettu pystysuuntainen HMHF-värähtely edisti hASC-solujen luuerilaistumisen alkuvaihetta kolmiulotteisessa hydrogeelissä viljeltäessä. Sovellettaessa tutkimukseen II kehitettyä aktiinitukirangan analyysimenetelmää havaittiin, että stimulaatio vaikutti solujen levittäytymiseen ja tukirangan yhdensuuntaisuuteen. Väitöskirjassa kehitettiin manuaalinen kuvankäsittelymenetelmä BCJ-rakenteiden paksuuden kvantifiointiin, mutta tutkimuksessa III käytetyn valomikroskopian resoluutio ei ollut riittävä MDCK II-solujen vasteiden luotettavaan arviointiin.
Väitöskirja esittelee uusia tutkimustyökaluja HF-värähtelyn suunnitteluun, soveltamiseen ja soluvaikutusten analysointiin. Kehitetyt HF-värähtelyjärjestelmät soveltuvat useisiin solusovelluksiin. Kuvankäsittelymenetelmät tukevat mekanobiologisten vasteiden arviointia solupopulaatiotasolla, mikä on keskeistä solujen kasvun ja erilaistumisen ymmärtämisessä. HF-värähtelyn laajamittainen soveltaminen in vitro -tutkimuksissa—kuten kudosregeneraatiossa, tautimekanismien tutkimuksessa ja lääkeainekehityksessä—edellyttää kuitenkin edelleen viljelyolosuhteiden optimointia.
Aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet matalan voimakkuuden HF-värähtelyyn (LMHF), jota on kohdistettu yksittäisiin viljelyalustoihin pääasiassa pystysuunnassa. Näissä asetelmissa solujen kasvua ja erilaistumista on arvioitu perinteisin päätepisteanalyysimenetelmin. Mekanobiologisia vaikutuksia tutkitaan kuitenkin yhä enemmän valomikroskopian avulla, jotta solutason mekanismeja voidaan ymmärtää tarkemmin. Laajojen aineistojen analysointi on kuitenkin haastavaa ilman soveltuvia kuvankäsittelytyökaluja. Tarvitaan siis uusia ratkaisuja sekä HF-värähtelylaitteisiin että analyysimenetelmiin, jotta soluviljelyolosuhteiden arviointi olisi kustannustehokkaampaa ja nopeampaa—erityisesti ennen pitkäkestoisten ja resursseja vaativien pitkäaikaissolukokeiden aloittamista.
Tutkimuksissa I ja II kehitettiin ja testattiin korkeatuottoisia värähtelyjärjestelmiä tukemaan ihmisen rasvakudoksen kantasolujen (hASC) luuerilaistumista. Viisi päällekkäin asetettua kuoppalevyä kiinnitettiin itse rakennettuihin värähtelyalustoihin, joissa subwooferit toimivat aktuaattoreina. Järjestelmät toimivat pääasiassa open-loop-periaatteella ja tuottivat joko pystysuuntaista tai vaakasuuntaista korkean voimakkuuden HF-värähtelyä (HMHF), jonka oletettiin jäljittelevän luun muodostusta tukevaa mekaanista kuormitusta. Väitöskirjassa osoitettiin, että laitteistot mahdollistavat solusovellusten yleisesti käytetyt HF-värähtelytaajuudet. Tutkimuksessa II esiteltiin kuvankäsittelymenetelmiä aktiinitukirangan rakenteen ja järjestäytymisen sekä tumamuodon muutosten kvantifiointiin konfluenteissa näytteissä. Näiden työkalujen avulla voitiin tutkia stimulaatioparametrien ja viljelyolosuhteiden pitkäaikaisia vaikutuksia lukuisista kuvista. Luuerilaistumismediumin havaittiin olevan keskeinen luuerilaistumisen käynnistämisessä, mikä ilmeni myös muutoksina tumamuodossa ja aktiinitukirangan ristikkäisessä järjestäytymisessä. Pystysuuntainen neliöaaltomainen HMHF-värähtely edisti luuerilaistumista tutkimuksessa I, kun taas sinimuotoinen HMHF-värähtely tutkimuksessa II vaati solujen kiinnittymistä vasteen aikaansaamiseksi. Vaakasuuntainen stimulaatio voimisti biokemiallisesti indusoitua varhaisen vaiheen osteogeneesiä, kun taas pystysuuntainen stimulaatio heikensi sitä. Suuntavaikutukset heijastuivat myös aktiinitukirangan rakenteeseen ja järjestäytymiseen, mutta biokemiallisesti indusoidut tumamuodon muutokset vaimentuivat riippumatta stimulaation suunnasta.
Tutkimuksessa III kehitettiin miniatyyrinen vaakasuuntainen värähtelyjärjestelmä, joka mahdollistaa elävien näytteiden korkearesoluutioisen kuvantamisen. Kehitetty signaalilähde ja time-lapse-kuvantamisprotokolla osoittivat laitteen yhteensopivuuden sekä mekaanisten impulssien että HF-värähtelyn kanssa yleisesti käytetyillä stimulaatiotaajuuksilla. Laitteisto soveltui myös elävien solujen kuvantamiseen, ja tämä non-endpoint-menetelmä mahdollisti nopeiden ja paikallisten mekanobiologisten vasteiden tutkimisen fluoresenssi- ja differentiaali-interferenssimikroskopialla MDCK II-epiteelisolulinjassa, joka ilmensi Emerald-Okludiinia. Solumuodon ja kaksisoluliitosten (BCJ) arviointia varten kehitetty kuvankäsittelymenetelmä viittasi siihen, että epiteelisolut kestävät toistuvaa LMHF-värähtelyä, jonka on aiemmissa tutkimuksissa osoitettu stimuloivan luuerilaistumista.
Väitöskirjassa osoitettiin myös, että tutkimuksessa II kehitetyllä järjestelmällä tuotettu pystysuuntainen HMHF-värähtely edisti hASC-solujen luuerilaistumisen alkuvaihetta kolmiulotteisessa hydrogeelissä viljeltäessä. Sovellettaessa tutkimukseen II kehitettyä aktiinitukirangan analyysimenetelmää havaittiin, että stimulaatio vaikutti solujen levittäytymiseen ja tukirangan yhdensuuntaisuuteen. Väitöskirjassa kehitettiin manuaalinen kuvankäsittelymenetelmä BCJ-rakenteiden paksuuden kvantifiointiin, mutta tutkimuksessa III käytetyn valomikroskopian resoluutio ei ollut riittävä MDCK II-solujen vasteiden luotettavaan arviointiin.
Väitöskirja esittelee uusia tutkimustyökaluja HF-värähtelyn suunnitteluun, soveltamiseen ja soluvaikutusten analysointiin. Kehitetyt HF-värähtelyjärjestelmät soveltuvat useisiin solusovelluksiin. Kuvankäsittelymenetelmät tukevat mekanobiologisten vasteiden arviointia solupopulaatiotasolla, mikä on keskeistä solujen kasvun ja erilaistumisen ymmärtämisessä. HF-värähtelyn laajamittainen soveltaminen in vitro -tutkimuksissa—kuten kudosregeneraatiossa, tautimekanismien tutkimuksessa ja lääkeainekehityksessä—edellyttää kuitenkin edelleen viljelyolosuhteiden optimointia.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [5346]