null Rapyttelyn vaikutus silman kyynelkalvon lipidikerrokseen

Räpyttelyn vaikutus silmän kyynelkalvon lipidikerrokseen

Kuivasilmäisyys on kivulias sairaus, josta kärsivät miljoonat ihmiset kaikkialla maailmassa ja joka johtuu kyynelnesteen haihtumisesta silmän pinnalta. Professori Ilpo Vattulaisen johtamassa Helsingin yliopiston tutkimusryhmän PRACE-hankkeessa keskitytään tämän haihtumisen syihin. Hankkeessa tutkitaan silmän pinnalla olevia lipidimolekyylejä ja räpyttelyn vaikutusta niiden toimintaan.

Kuivasilmäisyys on yksi yleisimmistä silmän sairauksista, josta kärsii arviolta yli 400 miljoonaa ihmistä eri puolilla maailmaa. Kuivasilmäisyys johtuu kyynelnesteen liiallisesta haihtumisesta silmien pinnalta, jolloin silmät kuivuvat, niissä on roskan tunnetta ja näkö usein sumenee. Tilaa voi pahentaa pitkäaikainen näyttöpäätetyöskentely ja ilmastoidut tilat, joissa ilma on hyvin kuivaa.

On epäselvää, miksi jotkut kärsivät kuivasilmäisyydestä ja toiset eivät. Kuivasilmäisyyden hoitoon on saatavilla silmätippoja, mutta niitä on käytettävä säännöllisesti toistuvien oireiden lievittämiseksi. Hoitamattomana kuivasilmäisyys voi harvinaisissa tapauksissa johtaa sokeuteen.

Kuivasilmäisyyden osalta tiedetään, että kyynelnesteen liiallinen haihtuminen liittyy silmän kostean pinnan päällä olevan kyynelkalvon lipidikerroksen häiriintyneeseen toimintaan. Kyynelkalvon lipidikerros pitää silmät kosteina, sillä se estää haihtumista. Miten lipidikerros toimii ja miksi sen toiminta joskus häiriintyy, on ollut professori Ilpo Vattulaisen johtaman Helsingin yliopiston tutkimusryhmän PRACE-hankkeen tutkimuksen kohteena.

”Hankkeen perusteella suuri uutinen on se, että toiminta epätasapainossa räpyttelyn aikana on aivan erilaista kuin toiminta tasapaino-olosuhteissa, johon ei liity räpyttelyä.”
Ilpo Vattulainen

Ilpo Vattulainen on erikoistunut biologisen fysiikan alaan käyttäen biologisten järjestelmien toimintaa ohjaavien fysikaalisten periaatteiden selvittämisessä teoreettisia ja laskennallisia tekniikoita. Hänen ryhmänsä on soveltanut tietojaan ja menetelmiään pyrkiessään ymmärtämään kyynelkalvon lipidikerroksen toimintamekanismeja, jotka estävät kosteuden haihtumista silmän pinnalta. Ryhmä on keskittynyt erityisesti lipidikerrosten tapoihin muuttaa keskeisiä biologisia prosesseja.

Ryhmän aiempi simulaatiotyö oli osoittanut, miten vahaesterit eli tietyt silmän pinnalla suurina määrinä esiintyvät lipidimolekyylit voivat merkittävästi hidastaa veden haihtumista. Näissä simulaatioissa tarkasteltiin kuitenkin kyynelkalvon lipidikerroksen tasapainotilaa, joka ei anna todellista kuvaa siitä, mitä silmässä tapahtuu, kuten Vattulainen kertoo: ”Tuijottaessasi tietokoneen ruutua räpytät silmiäsi 5-10 sekunnin välein. Aina kun näin tapahtuu, silmien pinnalla olevat lipidikerrokset puristuvat kokoon ja laajenevat taas ennalleen.

”Halusimme selvittää, miten tämä puristumis- ja laajentumisprosessi, joka luo jatkuvaa tasapainottomuutta, vaikuttaa lipidikerrosten uudelleenjärjestymiseen, ja miten tämä puolestaan liittyy veden haihtumiseen.”

Ryhmä simuloi räpytyksen alaisia epätasapaino-olosuhteita perusteellisesti ja toisti sen useissa eri olosuhteissa. ”Tarkastelimme, miten haihtuminen muuttui vahaestereitä sisältävissä järjestelmissä verrattuna niihin, joissa ei ollut vahaestereitä. Toistimme saman myös muilla samanlaisilla lipideillä, kuten kolesteryyliesterillä. Tutkimme kunkin lipidin merkitystä silmän pinnan lipidikerrosten ominaisuuksille. Selvitimme lipidien osuutta veden haihtumisen hidastamisessa ja pyrimme simuloimaan kerroksia mahdollisimman paljon todellisuutta vastaavissa olosuhteissa.”

Nämä atomimittakaavan molekyylidynamiikkasimulaatiot ovat tarjonneet ensimmäisen atomistisen kuvan kyynelkalvon lipidikerroksen epätasapainotilan ominaisuuksista. Ryhmä havaitsi, että silmän räpäytyksen yhteydessä kolesteryyliesterit ja vahaesterit muodostavat ei-polaarisessa lipidimassassa monikerroksisia kristallimaisia rakenteita, jotka estävät haihtumista. Polaariset lipidit myös asettuvat vettä vasten, jolloin kyynelkalvon lipidikerros leviää kostean pinnan päälle.

Atomimittakaavan molekyylidynamiikkasimulaatioiden avulla tutkitut kyynelkalvon lipidikerroksen puristumis-laajentumissyklit tarjoavat ensimmäisen atomistisen kuvan kyynelkalvon lipidikerroksen epätasapainotilan ominaisuuksista. Järjestelmät käynnistyvät tasapainoisesta laajentuneesta tilasta, jossa pintapaine on pieni. Silmän räpäytyksen jäljittelemiseksi järjestelmät puristetaan nopeasti kokoon suurella pintapaineella, jossa pinta-ala lipidiä kohden on pieni, ja laajennetaan taas pienen pintapaineen tilaan. Useiden peräkkäisten puristumis- ja laajentumissyklien jälkeen vaaleanvihreät kolesteryyliesterit ja harmaat vahaesterit muodostavat ei-polaarisessa lipidimassassa monikerroksisia kristallimaisia rakenteita, jotka toimivat haihtumista ehkäisevänä esteenä ja hidastavat veden haihtumista. Tummanvihreät polaariset lipidit asettuvat vettä vasten ja levittävät kyynelkalvon lipidikerroksen kostean pinnan päälle. (Kuva: Juho Liekkinen / Vattulaisen ryhmä)

Lisäksi havaittiin, että epäjärjestyneessä lipidirakenteessa olevilla vesimolekyyleillä on enemmän mahdollisuuksia irtaantua vesifaasista ja kulkeutua ilmaan, kun taas ei-polaaristen lipidikomponenttien erittäin tiivis, kidemäinen rakenne toimii tehokkaana esteenä, joka hidastaa veden haihtumista. Kyynelkalvon lipidikerroksen bulkkivaiheen rakennetta sääntelevät lipidikoostumus ja termodynaamiset olosuhteet.

”Hankkeen perusteella suuri uutinen on se, että toiminta epätasapainossa räpyttelyn aikana on aivan erilaista kuin toiminta tasapaino-olosuhteissa, johon ei liity räpyttelyä”, Vattulainen sanoo. ”Käytännössä tämä voisi johtaa kuivasilmäisyyden hoidossa vahaestereitä sisältäviin silmätippoihin, joita ei tällä hetkellä ole. Tämä tarkoittaisi, että tippojen vaikutus kestäisi pidempään eikä niitä tarvitsisi laittaa joka tunti.”

Hanketta voitaisiin jatkaa perehtymällä useisiin muihin tutkimuslinjoihin. Tutkittujen kyynelkalvojen lipidikerrosten paksuus oli 20–30 nanometriä, mutta todellisuudessa niiden paksuus on yleensä lähempänä 100:aa nanometriä. Niiden tutkiminen vaatisi kuitenkin paljon suurempia laskentaresursseja. Tämän lisäksi simulaatioissa ei otettu huomioon mitään todellisissa kyynelkalvojen lipidikerroksissa esiintyviä proteiineja. Monia pinta-aktiivisia proteiineja, joita tiedetään esiintyvän keuhkoissa, myös niitä, jotka mahdollistavat hapen pääsyn vereen, esiintyy myös kyynelkalvojen lipidikerroksissa”, Vattulainen sanoo. ”Mikään kokeellinen työ tai simulaatio ei ole tähän mennessä onnistunut selittämään näiden proteiinien esiintymistä silmässä.”

Vattulainen ja hänen Helsingin yliopiston tutkimusryhmänsä luottavat siihen, että kuivasilmäisyyden tutkimusta jatketaan Kajaaniin rakenteilla olevan uuden peta-luokan supertietokoneen LUMIn ansiosta. Suomi omistaa 25 prosenttia koneen laskentakapasiteetista. ”Kun haimme tähän hankkeeseen PRACEn resursseja, omat laskentaresurssimme olivat varsin pieniä, joten olimme erittäin iloisia, että PRACE päätti tukea meitä”, Vattulainen kertoo.


Myönnetyt resurssit:
Hankkeelle myönnettiin 67 000 000 laskentatuntia Ranskassa sijaitsevalta Joliot-Curie-Rome-supertietokoneelta, jota isännöi GENCI/CEA Ranskassa.

Lisätietoja:

Alkuperäisen artikkelin tiedot:

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Harry O’Neill