Hammaskiille on nisäkkään ruumiin kovinta kudosta, ja kiilteen tutkimuksella on sekä paleontologiassa että lääketieteessä yli satavuotiset perinteet. Esimerkiksi ihmisapinoiden ja niiden fossiilien kiilteen paksuudessa esiintyviä eroja on hyödynnetty tutkittaessa eläinten taksonomista sukulaisuutta, niiden elämänhistoriaa ja hampaiden toiminnallisia ominaisuuksia. On kuitenkin toistaiseksi ollut arvoitus, miten kiille tarkalleen kehittyy ja miten se jakautuu huomattavan eripaksuisiksi kerroksiksi dentiinin ympärille.

Nyt poikkitieteellinen tutkimusryhmä Helsingin yliopistossa ja Aalto-yliopistossa on onnistunut kehittämään laskennallisen mallin, joka kuvaa hammaskiilteen eritystä sääteleviä prosesseja. Tutkijat hyödynsivät klassista Stefanin yhtälöä, jonka avulla on tutkittu aiemmin muun muassa lumihiutaleiden muodostumista.

– On mielenkiintoista, miten samat fysiikan lait pätevät ja pystyvät kuvaamaan monimutkaisuuden lisääntymistä molemmissa systeemeissä, toteaa tutkijatohtori Teemu Häkkinen Aalto-yliopistosta Helsingin yliopiston tiedotteessa.

Tutkijoiden mukaan kiilteen muodostumista näyttää säätelevän se, kuinka kiillettä erittävien solujen saamat ravinteet kulkeutuvat hampaan eri osiin.

Tutkimuksissa hyödynnettiin hampaiden kolmiulotteisia röntgenkuvia, jotka oli tietokonemallinnettu. Mallinnetuista hampaista poistettiin ensin digitaalisesti kiille, joka sitten kasvatettiin uudelleen tietokonesimulaation avulla. Tutkijat vertasivat kiilteen geometrista kasvumallia ravinne-diffuusiorajoitteiseen kasvumalliin ja huomasivat, että jälkimmäinen ennusti oikein kiilteen muodon.

Mallin parametreja säätelemällä tutkijat onnistuivat mallintamaan muun muassa ihmisen, orangin ja sian kiilteen muodot, vaikka nämä poikkeavat selkeästi toisistaan.

Vertaillessaan simulaation tuloksia aidon hampaan kasvulinjoihin, jotka pystytään näkemään hiukkaskiihdyttimellä kuvatuista hammaskuvista, tutkijat totesivat simulaation toistavan koko prosessin, ei ainoastaan lopullista pinnanmuotoa.

Orangin poskihampaissa on erityisen monimutkainen kiillepinta, mutta tämänkin pinnan muoto pystytään ennustamaan lisäämällä ravinne-diffuusiorajoitetta verrattuna ihmisen hampaaseen. Orankien ravintoon kuuluu kovia hedelmiä ja puun kuorta, ja näiden pureskeluun soveltuvat kurttupintaiset poskihampaat ovat saattaneet kehittyä hyvin pienen kiilteenerityksen muutoksen seurauksena.

Tutkimustulos on merkittävä, koska se voi auttaa ymmärtämään niitä evolutiivisia prosesseja, joiden myötä läheisesti toisilleen sukua olevilla eläimillä – kuten ihmisellä ja orangilla – on hyvin erilaiset hampaat.

– Mallista voi olla apua myös kiilteen kehityksessä tapahtuvien häiriöiden tutkimuksessa, kertoo akatemiaprofessori Jukka Jernvall Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutista.

– Esimerkiksi kiilteen paikallisten hypoplasiavaurioiden syy on usein epäselvä, ja nyt kehitetyn mallinnuksen avulla voidaan tutkia, onko syynä jo kiille-elimen kehityksen alkuvaiheessa tapahtuva häiriö, tarkentaa professori Leo Tjäderhane.

Lähteet:

Häkkinen TJ, Sova SS, Corfe IJ, Tjäderhane L, Hannukainen A, Jernvall J. Modeling enamel matrix secretion in mammalian teeth. PLoS Comput Biol 2019. Julkaistu verkossa 29.5.2019.

Helsingin yliopiston tiedote ”Lumihiutaleiden syntymekanismi auttaa tutkijoita selvittämään hampaan kiilteen muodostumista” 29.5.2019.

Prof. Jukka Jernvallin ja prof. Leo Tjäderhanen sähköpostihaastattelu 10.6.2019.