Lumihiutaleiden syntymekanismi auttaa tutkijoita selvittämään hampaan kiilteen muodostumista

Fyysikot ja matemaatikot ovat käyttäneet klassista Stefanin yhtälöä tutkiessaan muun muassa lumihiutaleiden muodostumista. Nyt poikkitieteellinen tutkimusryhmä Helsingin yliopistossa ja Aalto-yliopistossa sovelsi samoja yhtälöitä hampaan kiilteen eritykseen. Juuri julkaistu tutkimus esittää laskennallisen mallin hampaan kiilteen eritystä sääteleville prosesseille. Tutkimus auttaa ymmärtämään miten eri lajeilla, kuten orangilla ja ihmisellä, on varsin erilaiset hampaat.

Hammaskiille muodostuu pehmeänä, mutta valmiina se on kehon mineralisoitunein ja kovin osa. Kiilteen kovuus mahdollistaa hampaiden kestämisen koko yksilön elämän ajan ja sen yli, koska hammasfossiilit ovat yleisimpiä löytöjä sukupuuttoon kuolleista lajeista. Toisin kuin muu luusto, valmis kiille ei uudistu. Kiilteen erittyminen on kriittinen askel hampaan muodon viimeistelyssä.

Tutkijat Aalto-yliopistosta ja Helsingin yliopistosta ehdottavat, että kiillettä erittävien solujen ravinnesaatavuuden vaihtelevuus hampaan eri osissa säätelee kiilteen muodostumista. Vaikka kiille on kolmiulotteinen rakenne, tutkijat havaitsivat, että useissa tilanteissa matriksin eli kiillemateriaalin eritystä pystytään luotettavasti mallintamaan kahdessa ulottuvuudessa, mikä tekee ongelman ratkaisemisesta laskennallisesti huomattavasti helpompaa.

Tutkijat toteuttivat mallintamisen ottamalla poikkileikkauksia hampaasta. Mallin matemaattisten yhtälöiden ratkaisemiseen sovellettiin yleisesti käytettyjä laskennallisia menetelmiä. Tutkijoiden kehittämä tietokonemalli pohjautuu samaan teoriaan kuin muun muassa lumihiutaleiden kasvua simuloiva malli.

"Kiilteestä ei ehkä ensimmäisenä tulisi mieleen lumihiutaleet, mutta on mielenkiintoista, miten samat fysiikan lait pätevät ja pystyvät kuvaamaan monimutkaisuuden lisääntymistä molemmissa systeemeissä", sanoo Teemu Häkkinen Aalto-yliopistosta.

Tietokonemallinnukset käyttivät hampaiden kolmiulotteisia röntgenkuvia, joista kiille oli ensin digitaalisesti poistettu ja sitten kasvatettu uudelleen tietokonesimulaation avulla. Vertaillessa geometristä kiilteen kasvua ravinne-diffuusiorajoitteiseen kasvuun, tutkijat huomasivat jälkimmäisen ennustavan oikean kiilteen muodon.

Säätelemällä parametreja tutkijat onnistuivat mallintamaan muun muassa ihmisen, orangin ja sian kiilteen muodot, vaikka nämä poikkeavat selkeästi toisistaan. Vertaillessaan simulaation tuloksia aidon hampaan kasvulinjoihin jotka näkyvät hiukkaskiihdyttimellä kuvatuissa hammaskuvissa, tutkijat totesivat simulaation toistavan koko prosessin, eikä ainoastaan lopullista pintamuotoa.

Orangin poskihampaissa on erityisen monimutkainen kiillepinta, ja tämäkin pinta pystytään ennustamaan lisäämällä ravinne-diffuusiorajoitetta ihmisen hampaaseen verrattuna. Orankien ravintoon kuuluu myös kovia hedelmiä ja puun kuorta, ja näiden pureskeluun soveltuvien kurttupintaisten poskihampaiden evoluutio on voinut vaatia varsin pienen muutoksen kiilteen eritykseen.

"Kiilteen tutkimuksella on yli 100-vuotiset perinteet sekä paleontologiassa että lääketieteessä, ja tämä uusi tutkimus tuo aivan uuden näkökulman alalle, ja voi auttaa ymmärtämään evolutiivisia prosesseja, mutta myös kiilteen kehityksessä tapahtuvia häiriöitä", kertoo Akatemiaprofessori Jukka Jernvall Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutista.

Alkuperäinen artikkeli:

Häkkinen TJ, Sova SS, Corfe IJ, Tjäderhane L, Hannukainen A, Jernvall J (2019) Modeling enamel matrix secretion in mammalian teeth. PLoS Comput Biol 15(5): e1007058. doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007058

Lisätietoja:

Teemu Häkkinen
Tohtoriopiskelija
Aalto-yliopisto
[email protected]

Jukka Jernvall
[email protected]
puh. 040 740 3478