Diss. / Tiivistelmäosa. - University of Helsinki, Faculty of Medicine, Haartman Institute, Haartman Institute, Department of Bacteriology and Immunology, Helsinki University Central Hospital, Department of Oncology. Myös paperimuodossa (ISBN 978-952-10-4257-7).

Diss. -- Helsingin yliopisto. / Nimiösivulla myös: Department of Physics, Faculty of Science, University of Helsinki & Finnish Meteorological Institute, Air Quality Department.

Abstract Heavy alcohol consumption places a substantial burden on health all over the world. Metabolites of alcohol evoke alterations that lead to tissue damage in many organs. Phosphatidylethanol (PEth) is a unique phospholipid formed in the cellular membranes during the metabolism of ethanol after alcohol consumption. PEth has attracted special attention as it is postulated to be a reliable marker of long term heavy alcohol consumption. The aims of present study were to investigate the immunogenicity of phosphatidylethanol in mice and to analyze the plasma antibodies binding to phosphatidylethanol in humans. In this study a clear immune response was generated in mice immunized with PEth in human low density lipoprotein (LDL) carrier. Mouse monoclonal IgM antibodies binding specifically to phosphoethyl head group of PEth were generated using hybridoma technology. Since PEth was shown to be immunogenic in mice, plasma was analyzed for the presence of antibodies also in humans. PEth-specific antibodies of IgG, IgA and IgM isotypes in plasma were detected in heavy drinkers of alcohol with or without pancreatitis as well as in the controls. The plasma levels of the antibodies binding to PEth were significantly lower in the study subjects with heavy alcohol use and in this present study sample the low IgA levels to PEth were better indicators of heavy alcohol consumption as compared to the some of the traditional markers of heavy alcohol use. The antibody levels to PEth associated significantly to plasma antibodies binding to malondialdehyde-acetaldehyde adducts that are known to be formed during alcohol metabolism but not to antibodies binding to phosphocholine which is generated by lipid oxidation in humans. In conclusion, this study demonstrates that phosphatidylethanol is immunogenic in mice when using carriers such as human LDL in the immunization process. The binding of the monoclonal antibodies specifically to the PEth head group suggests that it would be feasible to develop a diagnostic immunoassay to PEth. The presence of antibodies binding to PEth in plasma indicates that PEth may be a target of humoral immunity in humans. / Tiivistelmä Runsas alkoholinkulutus aiheuttaa maailmanlaajuisesti merkittäviä terveydellisiä haittoja. Alkoholin aineenvaihduntatuotteet muuttavat kudoksien rakenteita ja aiheuttavat kudosvaurioita. Fosfatidyylietanoli on alkoholin aineenvaihdunnan tuloksena solukalvoilla syntyvä fosfolipidi, jota on tutkittu kahdenkymmenen vuoden ajan lupaavana alkoholin suurkulutuksen merkkiaineena. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää fosfatidyylietanolin immunisoinnin aiheuttamaa vasta-aineiden muodostumista koe-eläinmallina käytetyissä hiirissä sekä määrittää ihmisten plasmanäytteistä vasta-aineita, jotka sitoutuvat fosfatidyylietanoliin. Tutkimuksessa havaittiin immuunivasteen muodostuminen hiirissä, jotka immunisoitiin ihmisen LDL hiukkasiin liitetyllä fosfatidyylietanolilla. Hiiren monoklonaalisia fosfatidyylietanoliin sitoutuvia IgM-luokan vasta-aineita tuotettiin tutkimuksessa soluviljelyn avulla. Fosfatidyylietanolin aiheuttama vasta-aineiden muodostuminen hiirillä johdatti mittaamaan fosfatidyylietanoliin sitoutuvia vasta-aineita myös ihmisiltä. Tutkimuksessa havaittiin fosfatidyylietanoliin sitoutuvia IgG-, IgA- ja IgM-luokan vasta-aineita alkoholin suurkuluttajilla, alkoholihaimatulehdusta sairastavilla ja verrokkihenkilöillä. Vasta-aineiden pitoisuudet olivat alkoholia runsaasti käyttävillä koehenkilöillä merkitsevästi pienemmät kuin verrokkiryhmällä. Matalat IgA-vasta-ainepitoisuudet osoittautuivat aineistossa paremmaksi alkoholin suurkulutuksen osoittajiksi kuin eräät tavanomaisesti käytetyt alkoholinkäytön merkkiaineet. Plasman fosfatidyylietanoli-vasta-aineiden ja alkoholin aineenvaihdunnan seurauksena syntyvien malondialdehydi-asetaldehydi-addukteihin sitoutuvien vasta-aineiden määrän välillä havaittiin merkitsevä yhteys, jota ei havaittu rasvojen hapettumisen seurauksena syntyvien fosfokoliini-vasta-aineiden ja fosfatidyylietanoli-vasta-aineiden välillä. Tutkimus osoittaa, että hiirillä voidaan aikaansaada vasta-ainevälitteinen immuunivaste, kun ne rokotetaan ihmisen LDL-hiukkaseen liitetyllä fosfatidyylietanolilla. Fosfatidyylietanoliin spesifisesti sitoutuvien monoklonaalisten vasta-aineiden tuottaminen voi tulevaisuudessa johtaa immunologisen diagnostisen määritysmenetelmän kehittämiseen. Fosfatidyylietanoliin sitoutuvien plasman vasta-aineiden havaitseminen viittaa siihen, että fosfatidyylietanoli on vasta-ainevälitteisen immuunivasteen kohde myös ihmisillä.

Abstract Various bone proteins and growth factors are needed during the bone healing cascade. If the body cannot produce sufficient quantities of these factors, bone trauma healing can be improved with an implant that contains the required growth factors. However, an added bone protein extract needs a suitable delivery system to protect the proteins from degradation and to release them gradually, promoting new bone formation. This study focused on evaluating and optimization of the bone forming capacity of various scaffold systems of reindeer bone protein extract formulations using different experimental models. The tested carrier systems for various reindeer bone protein extract doses were collagen sponge and bioactive glass granules in critical-size defect model of rat femur. Calcium salt compositions (beta-tricalcium phosphate (β-TCP), hydroxyapatite or calcium sulphate) in disc and compressed pellet forms were tested in the thigh muscle pouch model of mouse. Various β-TCP granules combined with polyethylene/glycerol and stearic acid gel were tested in a hole defect model of sheep femur and humerus. Control groups involved carrier materials with no protein extract or untreated defects. In the sheep study, reference materials also included autograft and demineralized bone matrix (DBM). New bone formation, bone healing, and carrier resorption were evaluated based on radiographs, peripheral computerized tomography (pQCT), mechanical tests, histological examination, and micro-CT. New bone formation and bone union were markedly better in groups receiving higher doses of the extract and with follow-ups of six or more weeks, compared to empty defect or carrier without extract. Resorptions of carrier materials in active groups were faster and more active than in the control groups. The greatest bone formation occurred in the groups that had the bone protein extract readily available, which indicated that bone forming factors are required in sufficient concentrations at an early stage. The micro-CT analysis showed that bone formation in the groups with the extract was comparable to autograft, while the least bone formation was observed in the DBM and untreated groups. The present study indicated that the tested reindeer bone protein extract can be used to improve bone formation with various carriers. The study suggests that an inorganic carrier material together with stearic acid is the one of most suitable carrier alternatives for this extract. The developed medical device in paste form can be an alternative for autograft use. / Tiivistelmä Luun paraneminen vaatii erilaisia proteiineja ja kasvutekijöitä. Jos elimistö ei pysty tuottamaan riittävää määrää näitä tekijöitä, luumurtuma ei parane luonnollisesti vaan vaatii hoitoa, jossa murtuma alueelle viedään tarvittavia kasvutekijöitä. Kasvutekijät kiinnitetään tarkoituksenmukaiseen kantaja-aineeseen, jonka avulla kasvutekijöiden vapautumista ja toimintaa voidaan säädellä. Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida ja optimoida erilaisissa eläinmalleissa porosta eristetyn luuproteiiniuutteen kantaja-ainesysteemien toimivuutta. Testatut kantaja-ainemateriaalit olivat kollageenihuopa ja bioaktiivinen lasirae. Näitä testattiin useilla luuproteiiniannoksilla, ja mallina oli rotan reisiluun kriittisen koon murtuma. Hiiren reisilihasmallilla testattiin kalsiumsuolayhdistelmiä (beta trikalsiumfosfaatti (β-TCP), hydroksiapatiitti ja kalsiumsulfaatti) tablettina ja pellettinä. Lampaan reisi- ja olkaluiden reikämurtumamallilla testattiin erilaisia β-TCP-rakeita yhdistettynä polyetyleenistä, glyserolista ja steariinihaposta valmistettuun geeliin. Kontrollisryhmistä toinen sisälsi kantaja-aineen ilman luuproteiiniuutetta, toisessa ryhmässä murtuma jätettiin kokonaan hoitamatta. Lammaskokeessa verrattiin lisäksi omaluusiirteen ja demineralisoidun luumateriaalin (DBM) toimivuutta verrattuna poron luuproteiiniuutteeseen. Uudisluun muodostuminen, murtuman paraneminen ja kantaja-aineen hajoaminen arvioitiin natiiviröntgenillä, perifeerisellä tietokonetomografialla (pQCT), mekaanisin testein, histologisesti ja mikro-CT:llä. Luuproteiiniuutetta sisältäneillä ryhmillä oli luun paraneminen ja kantaja-aineen hajoaminen merkittävästi parempaa kuin uutetta sisältämättömillä ryhmillä. Uudisluun muodostuminen oli suurempaa korkeammilla annoksilla ja pitemmillä seuranta-ajoilla. Suurin uudisluun muodostus mitattiin ryhmillä, joissa luuproteiiniuute oli heti käytettävissä implantoinnin jälkeen. Tämä osoittaa, että varsinkin murtuman paranemisen alkuvaiheissa tarvitaan luuta muodostavia kasvutekijöitä riittävinä pitoisuuksina. Mikro-CT-analyysit osoittivat, että luuproteiiniuuttetta sisältäneet ryhmät olivat verrannollisia omaluusiirrehoidolle. Vähiten uudisluuta havaittiin DBM ja tyhjäreikäryhmissä. Tutkimus osoittaa, että poron luuproteiiniuutetta erilaisten kantajamateriaalien kanssa voidaan käyttää parantamaan luun muodostumista. Erityisesti epäorgaaninen kantajamateriaali steariinihapon kanssa on yksi soveltuvimmista vaihtoehdoista luu-uutteelle. Kehitelty pastamutoinen lääkinnällinen laite, joka sisälsi poron luuproteiiniuutteen ja kalsiumsuolakantaja-aineen, osoittautui vaihtoehdoksi omaluusiirrehoidolle.

Abstract Fouling in papermaking causes major economic drawbacks due to downtime of process and paper quality defects. The surface fouling is a complex phenomenon in a paper making process, which is affected by several interconnected factors such as process environment changes from wet to dry with increasing temperature along with the variety of sticky materials present in paper raw materials. These impurities, such as waxes, coating binders, hot melts and pressure-sensitive adhesives have a tendency to attach to the surfaces of machinery during paper production and cause surface fouling. The focus of this thesis was on the mechanisms of sticking and surface fouling on a paper machine surfaces caused by problematic sticky organic materials. The sticking potential of six styrene–butadiene latices varying in carboxylation degree, crosslinking density and viscoelasticity and one polyacrylate pressure sensitive adhesive were studied using a cylindrical probe tack method under dry and aqueous conditions. Sticking potential was measured using low and high energy surfaces as an adherent. Also a new practical method for the on-site evaluation of nonstick properties of cylinder coating materials was developed. This method enables monitoring the condition of the coating during its life cycle and also provides the opportunity to compare the performance of different drying cylinder coating materials. The research performed clearly showed that low viscoelastic modulus of latex increases sticking tendency. The results also showed that presence of water can either increase or decrease adhesion depending on the moisture content ant the physic-chemical properties of sticky materials. A low surface energy coating strongly decreases sticking compared to a high energy surface and have a lower susceptibility to fouling in the dry environment. In aqueous conditions, the use of high-energy surfaces decreases adhesion of latices due to their strong interaction with water. Also, the results indicated that carboxylation decreases sticking potential of latex in both dry and aqueous environments. / Tiivistelmä Paperikoneiden likaantuminen aiheuttaa suuria tuotannollisia menetyksiä johtuen tuotantoprosessin katkoksista ja paperin laadun ongelmista. Paperikoneen pintojen likaantuminen on monimutkainen prosessi, johon vaikuttavat monet toisistaan riippuvat tekijät ja siten likaantumisilmiötä on vaikea hallita. Paperin raaka-aineet voivat sisältää epäpuhtauksia, kuten vahoja, kuumasulate- ja tarraliimoja, jotka tarttuvat paperikoneen pintoihin aiheuttaen niiden likaantumista. Lisäksi paperin prosessiympäristö muuttuu märästä kuivaan valmistusprosessin edetessä ja lämpötilan kasvaa samanaikaisesti. Tässä väitöskirjassa on kuvattu paperikoneen pintojen likaantumisen mekanismeja ja erityisesti orgaanisten lika-aineiden tarttumista. Tutkimuksessa selvitettiin probe tack -menetelmää käyttäen kuuden erilaisen styreeni-butadieenilateksin ja polyakrylaattitarraliiman tarttuvuutta matalan ja korkean pintaenergian pinnoilla sekä kuivissa että märissä olosuhteissa. Työhön oli valittu latekseja, joiden karboksylointiaste, ristisilloitustiheys ja viskoelastiset ominaisuuden olivat erilaisia. Lisäksi väitöskirjatyössä kehitettiin paikan päällä suoritettava mittausmenetelmä paperikoneen kuivaussylinterien pinnoitteen puhtaana pysyvyyden määrittämiseksi. Tällä menetelmällä voidaan mitata pinnoitteiden kuntoa niiden elinkaaren aikana ja myös vertailla erilaisia pinnoitteita keskenään. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että styreeni-butadieenilateksien matala kimmokerroin lisää niiden tarttumista paperikoneen pinnoille. Veden läsnäolo voi joko lisätä tai vähentää tarttumista riippuen veden määrästä ja lika-aineiden fysiokemiallisista ominaisuuksista. Myös paperikoneen pinnoitteen pintaenergia vaikuttaa tarttuvuuteen. Paperikoneen pinnoitteiden pieni pinta-energia vähentää tarttumista kuivissa olosuhteissa, kun taas korkean pintaenergian pinnoitteet vähentävät lateksien tarttuvuutta vesiolosuhteissa. Lisäksi lateksien karboksylointi vähentää niiden tarttumista sekä kuivissa että märissä olosuhteissa.

Abstract Rheumatoid arthritis (RA) is an autoimmune disease causing inflammation of synovial joints, which may lead to permanent changes in cartilage and bone tissues. RA patients have antibodies binding to citrullinated and also to carbamylated proteins. Antibodies binding to citrulline are associated with more severe disease progression and may already appear years before clinical disease onset. Citrulline and the lysine carbamylation product, homocitrulline, are similar in structure. Citrullinated proteins have been studied in RA and in neurological diseases, but researchers have been unaware of the effect of homocitrulline in citrulline detection methods. The purpose of the present study was to clarify the features of protein-bound citrulline and homocitrulline in relation to research done on citrullination and in immunological reactions related to rheumatoid arthritis. In the first study of this thesis the confounding role of homocitrulline in citrulline detection was shown. In the first and second study the features of experimentally induced antibodies were assessed. The antibodies induced with citrulline- and homocitrulline-containing protein structures were shown to react both with the ureido groups and the protein structures. The antibodies were able to distinguish between citrulline and homocitrulline in the same sequence even though binding to both. In the third study the simultaneous presence of citrulline and homocitrulline in RA synovial tissue was shown. In conclusion, considering the simultaneous presence of citrulline and homocitrulline and the binding features of the experimentally induced antibodies, homocitrulline could have a yet unsolved role in RA. Secondly, the existence of homocitrulline should be borne in mind in studies on citrullination. / Tiivistelmä Nivelreuma on niveltulehduksen aiheuttava autoimmuunitauti, joka voi johtaa pysyviin muutoksiin nivelen rusto- ja luukudoksessa. Nivelreumaa sairastavilla esiintyy vasta-aineita sitrullinoituneita ja karbamyloituneita proteiineja vastaan. Sitrulliiniin sitoutuvia vasta-aineita voi esiintyä elimistössä jo vuosia ennen taudin puhkeamista, ja niiden esiintyminen on yhdistetty vaikeampaan taudinkuvaan. Sitrulliini ja lysiinin karbamylaatiotuote homositrulliini ovat rakenteellisesti samankaltaisia. Proteiinien sitrullinaatiota on tutkittu nivelreumassa ja neurologisissa taudeissa, mutta homositrulliinin olemassaoloa tai sen vaikutusta tutkimusmenetelmiin ei ole huomioitu. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää proteiineihin sitoutuneiden sitrulliinin ja homositrulliinin ominaisuuksia aikaisempiin tutkimuksiin ja nivelreuman immunologisiin reaktioihin liittyen. Tässä tutkimuksessa homositrulliinin osoitettiin häiritsevän sitrulliinin tunnistamista. Ensimmäisessä ja toisessa osatyössä aiheutettiin kokeellisesti vasta-aineita sitrulliinia ja homositrulliinia sisältävillä proteiinirakenteilla. Vasta-aineiden havaittiin reagoivan sekä ureidoryhmän että proteiinirakenteen kanssa. Vasta-aineet pystyivät erottamaan sitrulliinin ja homositrulliinin toisistaan samassa rakenteessa, vaikka sitoutuivat kumpaankin. Kolmannessa osatyössä osoitettiin, että sitrulliinia ja homositrulliinia esiintyy samanaikaisesti nivelreumapotilaan tulehtuneessa nivelkalvossa. Tutkimus osoitti, että sitrulliinin ja homositrulliinin samanaikainen esiintyminen ja kokeellisesti aiheutettujen vasta-aineiden ominaisuudet huomioiden homositrulliinilla voi olla jokin toistaiseksi selvittämätön rooli nivelreumassa. Homositrulliinin olemassaolo on syytä huomioida sitrullinaatiota tutkittaessa.

Abstract Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease and infections potentially contribute to its pathogenesis. Oxidation of LDL (low-density lipoprotein) is a key event in atherogenesis. Lipid peroxidation produces reactive aldehydes such as malondialdehyde (MDA) and MDA-acetaldehyde that form immunogenic adducts on for example LDL particles. This thesis investigated natural IgM antibodies that recognize MDA and MDA-acetaldehyde adducts and bind, through molecular mimicry, to epitopes on oral pathogenic bacteria. In the first study, the induction of cross-reactive IgM antibodies binding to MDA adducts was investigated in mice immunized with periodontopathogen Porphyromonas gingivalis. The effect of immunization on the development of atherosclerosis was analyzed after a high fat diet. Immunization of mice with killed P. gingivalis elevated IgM levels to MDA adducts and reduced atherosclerosis. Mouse monoclonal IgM to MDA modified LDL recognized epitopes on P. gingivalis that were identified as gingipain protease enzyme of this bacterium. The presence of IgM with similar specificity was also demonstrated in human sera. In the second study the effect of immunization with MDA modified LDL in conferring protection against pathogen-accelerated atherosclerosis was investigated. Mice were immunized with MDA modified LDL before challenge with live P. gingivalis. The extent of atherosclerosis after a high fat diet was reduced in immunized mice compared to control groups. Immunized mice had elevated IgM and IgG levels to MDA modified LDL compared to controls. The third study investigated antibody recognition of MDA-acetaldehyde adducts in umbilical cord blood plasma of preterm and full-term newborns. Natural IgM to MDA-acetaldehyde adducts was enriched in umbilical cord blood plasma compared to maternal levels even in preterm neonates. This thesis highlighted the importance of immune recognition of MDA adducts by natural IgM antibodies, and demonstrated that pathogenic bacteria and MDA derived structures are recognized by natural IgM throughout the lifespan. These natural IgM are proposed to modulate the development of chronic inflammatory diseases such as atherosclerosis and periodontitis. / Tiivistelmä Valtimonkovettumatautiin, eli ateroskleroosiin, liittyy matala-asteinen tulehdustila, ja myös infektiot vaikuttavat taudin ilmentymiseen. LDL:n (low-density lipoprotein) hapettuminen on merkittävä valtimonkovettumataudin syntyä edistävä reaktio. Lipidiperoksidaatio tuottaa reaktiivisia aldehydejä, kuten malonidialdehydiä (MDA) ja MDA-asetaldehydiä, jotka muodostavat immuunijärjestelmän tunnistamia rakenteita esimerkiksi LDL-partikkeleihin. Väitöskirjassa tutkittiin luonnollisia IgM-vasta-aineita, jotka tunnistavat MDA- ja MDA-asetaldehydirakenteita, ja jotka rakenteiden samankaltaisuuden takia sitoutuvat myös parodontiittipatogeenien epitooppeihin. Ensimmäisessä työssä MDA-rakenteisiin sitoutuvien IgM-vasta-aineiden ristireaktiota tutkittiin hiirillä, jotka immunisoitiin Porphyromonas gingivalis parodontiittipatogeenillä. Hiirten immunisoiminen inaktivoidulla P. gingivalis bakteerilla lisäsi IgM-vasta-ainetasoja MDA-rakenteita vastaan ja vähensi valtimonkovettumatautia. MDA-LDL:ään sitoutuva hiiren monoklonaalinen IgM-vasta-aine sitoutui P. gingivalis bakteerin proteiineihin, joiden tunnistettiin olevan osia tämän bakteerin gingipain proteaasientsyymistä. Myös ihmisen seerumista osoitettiin IgM-vasta-aineita, joilla oli samantyyppinen sitoutumisspesifisyys. Toisessa työssä tutkittiin MDA-LDL-immunisaation suojaavaa vaikutusta infektion kiihdyttämän valtimonkovettumataudin synnyssä. Hiiret immunisoitiin MDA-LDL:llä ennen infektiota elävällä P. gingivalis bakteerilla. Valtimonkovettumatauti väheni immunisoiduilla hiirillä rasvaruokinnan jälkeen verrattuna kontrolliryhmiin. Immunisoiduilla hiirillä IgM- ja IgG-vasta-ainetasot MDA-LDL:ää vastaan olivat kohonneet verrattuna kontrolliryhmiin. Kolmannessa työssä tutkittiin, tunnistavatko ennenaikaisten ja täysiaikaisten vastasyntyneiden luonnolliset vasta-aineet MDA-asetaldehydirakenteita. IgM-vasta-aineita MDA-asetaldehydirakenteisiin esiintyi jo ennenaikaisesti syntyneiden napaverinäytteissä. MDA-asetaldehydiin sitoutuvien IgM-vasta-aineiden määrä vastasyntyneillä oli korkeampi verrattuna äiteihin. MDA-rakenteet ovat yksi tärkeä kohde immuunijärjestelmän luonnollisille IgM-vasta-aineille, jotka tunnistavat myös taudinaiheuttajabakteereja. Näillä vasta-aineilla voi olla vaikutusta kroonisten tulehdustautien, kuten valtimonkovettumataudin ja parodontiitin syntymekanismeissa.

Abstract Water contamination is a global problem and the growing utilization of limited water resources creates a need for efficient purification methods. Industrial effluents are polluting the natural waters, e.g. uncontrolled mining activities in developing countries have created numerous environmental hazards and different types of pollutants. This study focuses on novel adsorbents and photocatalytic materials in order to reach the aim of more efficient and affordable water treatment. This thesis aimed at making active, efficient, and viable adsorbents out of waste materials, as well as using photocatalysis in water treatment for organic pollutants originating from different types of industries. Local Peruvian agro-waste was used as a precursor for activated carbon that was used in adsorption studies for single (As(V) and methylene blue, MB), and multicomponent mixtures (As(V)/Pb/Cd), and real polluted river water. An industrial intermediate product, hydrous TiO2, was used for As(III)/As(V) removal. Photocatalytic materials included a commercial photoactive TiO2 (P25), and tailor-made TiO2 based nanofibers (NF) decorated with Pt/Pd. The results show that the agro-waste based activated carbons show high potential as adsorbents (e.g. ~100% As(V) removal in 2 h). With the multicomponent solution there is evidently competition for the adsorption sites; Pb was removed most efficiently. The specific surface area and pore size distribution play an important role in MB adsorption, as with As(V) the ash content is the most influential parameter. The industrial intermediate product has a high adsorption capacity towards both As(III) and As(V) (over 96% removals in 4 h), and is promising for use in natural and wastewater treatment due to its adsorption properties, availability, low cost, and non-toxicity. Photocatalysis was found to be an efficient removal method for the pollutants tested, also in the diluted industrial wastewater matrix, e.g. diuron was removed 99% in 1 h. The NFs are promising for the efficient photocatalytic degradation of organic effluents in aqueous streams such as wastewaters originating from e.g. biofuel production or fine chemicals and pharmaceutical industry. This study provides new and valuable knowledge for the purification of waters, especially when aiming at developing inexpensive water treatment materials and methods for different applications. / Tiivistelmä Puhtaan veden puute on maailman laajuinen ongelma, ja raskasmetallien ja orgaanisten haitta-aineiden päätymistä ympäristöön ja luonnonvesiin voidaan vähentää hyvällä ja tehokkaalla teollisuuden jätevesien käsittelyllä. Uusia ja tehokkaita, ympäristön kannalta suotuisia ja kestäviä vedenpuhdistustekniikoita tarvitaan erityisesti kehitysmaissa, joissa esim. kontrolloimaton kaivostoiminta aiheuttaa ympäristö- ja terveyshaittoja. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin perulaisesta maatalousjätteistä aktiivihiiltä kemiallisella aktivoinnilla, ja seurattiin niiden kykyä adsorboida haitta-aineita (As(V), Pb, Cd, metyleenisini) yksi- ja monikomponenttiliuoksista ja saastuneesta luonnonvedestä (Puyango-Tumbesjoki, Peru). Lisäksi tutkittiin teollisuuden välituotteen (TiO2) aktiivisuutta arseenin, As(III) ja As(V), adsorptiossa. Viimeisessä osiossa tutkittiin valokatalyysiä orgaanisten haitta-aineiden poistossa vesiliuoksista sekä kaupallisella TiO2 P25 -katalyytillä että kokeellisilla Pd/Pt-dopatuilla TiO2 -nanokuiduilla. Tulokset osoittavat, että paikallisesta raaka-aineesta valmistetut aktiivihiilet ovat hyvin potentiaalisia vedenpuhdistusmateriaaleja saavuttaen jopa 100% As(V) poistuman (2h). Adsorboitavien ionien välillä on nähtävissä kilpailua monikomponettiadsorptiossa; lyijyn havaittiin poistuvan tehokkaimmin tutkituissa olosuhteissa. Adsorbentin ominaispinta-ala ja huokoskokojakauma ovat tärkeitä tekijöitä metyleenisinin adsorptiossa, kun taas tuhkapitoisuudella on arseenin adsorptioon suurempi vaikutus. Teollisuuden TiO2-välituotteella havaittiin olevan korkea adsorptiokapasiteetti sekä As(III)- että As(V)-spesieksiä kohtaan saavuttaen yli 96% poistumat (4h). Se on lupaava materiaali edelleen kehitettäväksi ja käytettäväksi esimerkiksi luonnonvesien ja jätevesien puhdistuksessa johtuen sen hyvistä adsorptio-ominaisuuksista, saatavuudesta, edullisuudesta ja myrkyttömyydestä. Valokatalyysin havaittiin olevan toimiva menetelmä orgaanisten molekyylien hajottamiseen, myös laimeasta teollisuuden jätevesimatriisista, esim. diuroni poistui 99% tunnissa. Nanokuitujen tapauksessa aktiivinen metalli vaikutti merkittävämmin reaktion tehokkuuteen kuin ominaispinta-ala. Tämä työ tarjoaa uutta ja tärkeää tietoa vesien puhdistukseen kun tavoitteena on löytää tehokas ja edullinen menetelmä erityyppisiin sovelluksiin.

Abstract Carbamylation of proteins in vivo occurs by cyanate, non-enzymatically when urea is dissociated, and by myeloperoxidase-catalyzed oxidation from thiocyanate. Carbamylation of low-density lipoprotein is suggested to enhance atherogenesis in patients with with chronic kidney disease and uremia. This thesis study assessed the questions of whether healthy humans or uremic patients under enhanced carbamylation have antibodies recognizing carbamyl-epitopes in plasma, and what is their role in vivo. Also, humoral immune response to carbamyl-LDL immunization and its impact on atherogenesis in LDLR-/- mice was investigated. In this thesis study, plasma antibodies to carbamylated proteins were detected in humans, and IgG antibodies to carbamylated proteins were associated with uremia and smoking, conditions with enhanced carbamylation. The human IgG and IgM antibodies binding to carbamyl-epitopes were associated with oxidation-specific epitopes in plasma. Monoclonal Fab antibodies with characteristics of a natural antibody and ability to bind both carbamyl- and malondialdehyde-derived epitopes were cloned from healthy humans. An investigated Fab antibody was able to bind epitopes found in atherosclerotic lesions and inhibit the uptake of modified LDL by macrophages. Human plasma antibodies and the monoclonal Fab bound to epitopes found on apoptotic cells. Human B-cells secreted antibodies with similar cross-reactive binding properties between carbamyl- and malondialdehyde adducts and apoptotic cells in vitro. Immunization with mouse carbamyl-LDL without adjuvant resulted in specific IgG immune response in LDLR-/- mice, but also a cross-reaction with malondialdehyde-adducts was observed. Carbamyl-LDL immunized mice had enhanced plasma antibody binding to apoptotic cells. Carbamyl-LDL immunization did not affect atherogenesis in mice. This thesis demonstrates that IgG antibodies to carbamyl-epitope might serve as a novel indicator of carbamylation in vivo in uremic patients or smokers. The cross-reactivity between antibodies binding to carbamylated and oxidation-specific epitopes, and apoptotic cells may have a role in explaining the link between enhanced atherogenesis and kidney disease. / Tiivistelmä Proteiinien karbamylaatiota tapahtuu syanaatin vaikutuksesta. Sitä muodostuu urean hajotessa tai myeloperoksidaasin katalysoimana tiosyanaatin hapettuessa. Low-density lipoproteiinin eli LDL:n karbamylaation on esitetty edistävän valtimonkovettumataudin eli ateroskleroosin kehittymistä munuaisten vajaatoimintaa sairastavilla ureemisilla potilailla. Väitöskirjatyössä tutkittiin, onko terveillä ihmisillä ja ureemisilla potilailla karbamyyli-epitooppeja tunnistavia vasta-aineita, ja mikä niiden merkitys on elimistössä. Humoraalista immuunivastetta karbamyyli-LDL-immunisaation jälkeen sekä sen vaikutusta ateroskleroosin kehittymiseen tutkittiin LDL-reseptoripuutteellisilla hiirillä. Tutkimuksessa osoitettiin, että ihmisillä on plasmassa karbamyloituja proteiineja tunnistavia vasta-aineita. IgG-luokan vasta-aineet ovat yhteydessä uremiaan ja tupakointiin, joissa karbamylaatio on lisääntynyt. Karbamyyli- ja hapettuneita epitooppeja tunnistavien plasman IgG- ja IgM-vasta-aineiden välillä havaittiin olevan yhteys. Työssä kloonattiin terveistä ihmisistä monoklonaalisia Fab-vasta-aineita, joilla on luonnollisten vasta-aineiden kaltaisia ominaisuuksia ja kyky sitoutua sekä karbamyyli- että malonidialdehydi-epitooppeihin. Yksi tutkittu Fab-vasta-aine sitoutui valtimonkovettumataudin ateroomissa oleviin epitooppeihin ja esti muuntuneen LDL:n sisäänoton makrofagi-soluihin. Ihmisen plasman vasta-aineet ja monoklonaalinen Fab-vasta-aine sitoutuivat apoptoottisten solujen pinnalla oleviin rakenteisiin. Soluviljelyolosuhteissa ihmisen B-solut tuottivat vasta-aineita, joilla oli samanlaisia ristireaktio-ominaisuuksia karbamyyli- ja malonidialdehydi-epitooppeja sekä apoptoottisia soluja kohtaan. Karbamyyli-LDL-immunisaatio sai aikaan IgG-immuunivasteen hiirillä karbamyyli-LDL:a kohtaan, mutta myös ristireaktio malonidialdehydi-rakenteita sekä apoptoottisia soluja kohtaan havaittiin. Karbamyyli-LDL-immunisaatio ei vaikuttanut ateroskleroosin kehittymiseen hiirillä. Tutkimus osoittaa, että IgG-vasta-aineet karbamyyli-epitooppeja kohtaan voivat olla uudenlainen karbamylaation merkkiaine elimistössä ureemisilla potilailla ja tupakoitsijoilla. Karbamyloituneiden ja hapettuneiden epitooppien sekä apoptoottisten solujen välillä havaituilla vasta-aineiden ristireaktioilla voi olla merkitystä valtimonkovettumataudin etenemiseen munuaisten vajaatoiminnassa.

Abstract Cancer progression is a multistep process dependent on tumour-stroma interactions. Various cell types, such as fibroblasts, endothelial, inflammatory and stem cells, as well as extracellular matrix (ECM) proteins, such as collagens, contribute to the tumour outcome. Tumour growth and invasion is accompanied by the proteolysis of ECM components mediated by various enzymes, such as matrix metalloproteases (MMPs). Proteolytic fragments released into the circulation may reflect cancer progression. The aim of this study was to develop novel in vitro methods for investigating cell invasion and for measuring cancer-associated collagen degradation. Human carcinoma cell invasion studies in vitro are often performed in organotypic cell culture models, mainly composed of rat or mouse ECM proteins. To create a human microenvironment for invasion studies, a novel organotypic model based on human uterine myoma (benign tumour) tissue was developed. Compared to the conventional collagen-based organotypic model, in the myoma model the carcinoma cell invasion depth was about eightfold and the invasion resembled, to a greater degree, the invasion pattern of dissected tissue samples of cancer patients. In addition, the invasion was easily quantified with a novel radioimmunoassay measuring type III collagen degradation products from the organotypic culture media. As human mesenchymal stem cells (MSCs) are one of the stromal cell types that may affect tumour progression, the mechanisms of stem cell invasion were also studied. On the surface of MSCs, Toll-like receptor 9 (TLR9) functions in immune defence against microbes. The activation of TLR9 with microbial DNA-resembling molecules induced human MSC invasion into the myoma tissue in a MMP-13-mediated fashion. To analyse cancer-associated soft tissue degradation, a novel enzyme immunoassay was developed. This novel assay enabled, for the first time, the measurement of type III collagen degradation products from human serum samples. In head and neck cancer patient sera, high levels of type III and type I collagen degradation products were shown to predict poor survival. In conclusion, the novel myoma model showed that the tumour microenvironment crucially affects carcinoma cell invasion. In addition, cancer-associated type III collagen degradation was successfully measured in cell cultures and in human sera by novel immunoassays. / Tiivistelmä Syövän eteneminen on monivaiheinen tapahtuma, jossa syöpäsolut ovat vuorovaikutuksessa lähiympäristönsä kanssa. Ympäristön eri solutyypit, kuten kantasolut ja sidekudoksen fibroblastit sekä soluväliaineen proteiinit kuten kollageenit, vaikuttavat syöpäsolujen invaasioon eli tunkeutumiseen ympäröivään kudokseen. Syövän invaasiossa useat entsyymit, mm. matriksin metalloproteaasit (MMP:t), hajottavat soluväliainetta. Kasvaimen kehittymisen aikana verenkiertoon vapautuu soluväliaineen hajoamistuotteita, joiden määrä voi kuvastaa sairauden etenemistä. Väitöstutkimuksen tarkoituksena oli kehittää uusia menetelmiä solujen invaasion ja syöpään liittyvän kollageenin hajoamisen tutkimiseen. Ihmisen karsinoomasolujen invaasion tutkimuksessa on perinteisesti käytetty kolmiulotteisia soluviljelymalleja, jotka koostuvat pääasiassa rotan tai hiiren soluväliaineproteiineista. Työssä kehitettiin uusi viljelymalli, jossa soluja kasvatettiin ihmisen hyvälaatuisen kohtukasvainkudospalan eli myooman päällä. Perinteiseen kollageenimalliin verrattuna myoomamallissa karsinoomasolut tunkeutuivat noin kahdeksan kertaa syvemmälle, ja solujen kasvu muistutti enemmän potilaiden syöpäkudosnäytteissä havaittua kasvutapaa. Invaasion voimakkuuden määrittämiseen kehitettiin vasta-aineisiin perustuva menetelmä, jolla mitattiin soluviljelmän kasvatusliuokseen myoomakudoksesta vapautuneiden tyypin III kollageenin hajoamistuotteiden määrää. Koska kantasolujen tiedetään voivan vaikuttaa syöpäkasvaimen leviämiseen, tutkimme myös ihmisen luuytimen kantasolujen invaasiota. Kantasolujen pinnalla TLR9-reseptori osallistuu immuunipuolustukseen mikrobeja vastaan. Kun reseptoria aktivoitiin mikrobi-DNA:ta muistuttavilla molekyyleillä, kantasolut alkoivat invasoitua myoomakudokseen ja MMP-13:n aktiivisuus soluissa lisääntyi. Syöpään liittyvän pehmytkudoksen hajoamisen tutkimiseksi kehitettiin vasta-ainemenetelmä, jolla onnistuttiin ensi kertaa mittaamaan potilaiden seeruminäytteistä tyypin III kollageenin hajoamistuotteita. Pään ja kaulan alueen syöpäpotilailla korkean tyypin III kollageenin hajoamistuotepitoisuuden todettiin liittyvän huonoon ennusteeseen. Tutkimus osoitti, että kasvaimen ympäristö vaikuttaa olennaisesti syöpäsolujen leviämiseen. Syöpään liittyvää tyypin III kollageenin hajoamista pystyttiin työssä kehitetyillä menetelmillä mittaamaan sekä soluviljelmistä että potilaiden seeruminäytteistä.