Abstract Aortic valve stenosis (AS) is one of the most diffuse valvular diseases in developed countries. AS is a progressive disease, which usually results in serious life-threatening adverse events. Defining a treatment strategy for AS is a focus of cardiovascular research, although the topic is still controversial because of its related clinical and economical implications. Surgical aortic valve replacement (AVR),which is regarded as the gold standard for the treatment of severe symptomatic AS, affords excellent results, particularly in asymptomatic patients with good functional status. AVR requires the institution of cardiopulmonary bypass and aortic cross-clamping, and the duration of these procedures is directly associated with increasing morbidity and mortality, especially in patients with preoperative comorbidities. Accordingly, techniques aimed at decreasing the duration of cardiopulmonary bypass and aortic cross-clamping have the potential to improve postoperative outcomes of AVR. In the present study, we demonstrated that the Perceval sutureless bioprosthesis could significantly reduce the duration of the surgical procedure. This was associated with improved immediate postoperative outcomes and long-term freedom from adverse events. The use of a Perceval sutureless bioprosthesis can facilitate AVR through minimally invasive approaches and is associated with fewer transfusions of packed red cells compared to full sternotomy approaches, even with traditional stented bioprostheses. It could be expected that patients at intermediate-high risk would benefit more from the combination of a fast surgical procedure, performed with reduced surgical invasiveness. When compared to transcatheter aortic valve implantation (TAVI), the Perceval sutureless bioprosthesis was associated with increased incidence of device success as well as less paravalvular leak, with similar immediate and 1-year outcomes. Finally, AVR with the Perceval sutureless bioprosthesis provided excellent hemodynamics at rest and under high workload. The significant increase of effective orifice area under stress suggests that the Perceval sutureless bioprosthesis is the valve of choice for patients with small aortic annuli or when prosthesis-patient mismatch is anticipated. / Tiivistelmä Aorttaläpän ahtauma on yksi yleisimmistä läppävioista kehittyneissä maissa. Aorttaläpän ahtauma on etenevä sairaus, joka yleensä johtaa vakaviin henkeä uhkaaviin haittatapahtumiin. Aorttaläpän ahtauman hoitotavasta keskustellaan kiivaasti sydän- ja verisuonitautien tutkimuksessa siihen liittyvien kliinisten ja taloudellisten vaikutusten vuoksi. Aorttaläppäleikkausta, jossa aorttaläppä korvataan proteesilla, on aina pidetty vaikean oireisen aorttaläpän ahtauman hoidon kultaisena standardina, koska sen tulokset ovat erinomaisia, etenkin oireettomilla potilailla, joilla sydämen toiminta on hyvä. Leikkaus vaatii sydän-keuhkokoneen käyttöä ja aortan sulkemista, joiden kesto on suoraan yhteydessä kasvavaan sairastavuuteen ja kuolleisuuteen erityisesti potilailla, joilla on muitakin sairauksia. Niinpä tekniikat, jotka lyhentävät sydän-keuhkokoneen käyttöaikaa ja aortan sulkuaikaa, voivat mahdollisesti parantaa aorttaläppäleikkauksen tuloksia. Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että ompeleettoman biologisen Perceval-läppäproteesin käyttö vähensi merkittävästi leikkauksen kestoa. Tämä oli yhteydessä parantuneisiin lyhyen ja pitkän aikavälin tuloksiin leikkauksen jälkeen. Ompeleettoman biologisen Perceval-läppäproteesin käyttö voi helpottaa aorttaläppäleikkausta, koska se voidaan asentaa vähemmän kajoavasta avauksesta, ja siihen liittyy vähemmän punasolusiirtoja rintalastan kokoavaukseen verrattuna, myös silloin kun käytetään kokoavausta ja perinteisiä stenttibioproteeseja. Voisi olla odotettavaa, että keskisuuren tai suuren riskin potilaat hyötyisivät enemmän leikkauksesta, jossa yhdistyvät toimenpiteen nopeus ja vähäisempi kajoavuus. Katetriteitse asennettuun biologiseen keinoläppään (TAVI) verrattuna ompeleeton biologinen Perceval-läppäproteesi oli yhteydessä parempaan laitteen toimimiseen ja pienempään paravalvulaariseen vuotoon. Muut tulokset heti leikkauksen jälkeen ja yhden vuoden seurannassa olivat samanlaisia. Lopuksi voidaan todeta, että aorttaläppäleikkaukseen ompeleettomalla biologisella Perceval-läppäproteesilla liittyi erinomainen hemodynamiikka levossa ja korkean työkuorman aikana. Stressin aikaisen tehokkaan aorttaläpän aukon pinta-alan merkittävä kasvu osoittaa, että ompeleeton biologinen Perceval-läppäproteesi on hyvä valinta potilaille, joilla on pieni aorttaläpän aukko tai kun on odotettavissa proteesin ja potilaan yhteensopimattomuutta.

Abstract The repair of thoracoabdominal aortic aneurysms carries a substantial risk of ischaemic perioperative spinal cord injury. Although several protective methods have been developed, the risk of paraplegia has not been eliminated. Moreover, aortic aneurysms, including arch aneurysms, are complex clinical challenges requiring cerebral protection with hypothermic circulatory arrest (HCA). Hypothermia lowers the rate of cerebral metabolism and allows a temporary halt of the systemic circulation. However, there is still a risk for cerebral damage and a need for additional neuroprotective methods. During the last 15 years, our research group has used a porcine model to investigate a variety of neuroprotective tools. In this thesis, an animal model was utilized to study the efficacy of remote ischaemic preconditioning (RIPC) to ameliorate ischaemic damage to the central nervous system, and to shed light on the potential mechanism. Moreover, diazoxide, the pharmacological mimetic of RIPC, was tested in the HCA animal model. In the first Study (I), RIPC showed beneficial effect on the spinal cord against ischaemic insult as recorded with motor-evoked potentials. Strikingly, the beneficial effect of RIPC was observed even before the ischaemia. In the second Study (II), some beneficial effect of RIPC was seen in the immunohistochemical analysis of the spinal cord ischemia but the result remains inconclusive. Similarly, the diazoxide-treated animals had better hemodynamic status postoperatively and mildy better antioxidant activity of the brain in the third Study (III). The fourth study (IV) was a review of the current knowledge of RIPC from the cardiovascular point of view. Our studies indicate that RIPC might be a potential adjunct for preventing neuronal ischaemic injury in the setting of thoracoabdominal aortic surgery. Our result indicates that further preclinical studies with diazoxide are required before studies can be conducted in humans. / Tiivistelmä Torakoabdominaalisen aortan aneurysman kirurginen korjaaminen sisältää riskin iskeemiselle selkäytimen vauriolle. Vaikka useita suojaavia tekniikoita on kehitetty, paraplegian riskiä ei ole saatu poistettua kokonaan. Kirurgisen korjaamisen haasteellisuus moninkertaistuu, jos aneurysma on laajentunut myös aortan kaareen. Tällöin vaaditaan hypotermista verenkierron pysäytystä (HCA). Hypotermia alentaa aivojen metabolista aktiivisuutta merkittävästi ja siten verenkierron väliaikainen pysäytys on mahdollista. Tästä huolimatta hypotermiseen verenkierron pysäytykseen liittyy riski aivokudoksen vauriolle. Meidän tutkimusryhmämme on tutkinut useita keskushermostoa suojaavia tekniikoita ja lääkeaineita viimeisen 15 vuoden aikana. Käytämme sikaa koe-eläin mallina, jota on tämänkin väitöskirjan osajulkaisuissa käytetty. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena on ollut tutkia sekä esialtistavan raajaiskemian (RIPC) että farmakologisen mimeetin, diazoxiden, keskushermostoa suojaavia vaikutuksia sekä niiden mahdollista vaikutusmekanismia. Ensimmäisessä osajulkaisussa esialtistava raajaiskemia paransi selkäytimen iskemian sietokykyä, mikä näkyi alaraajojen motorisissa herätepotentiaaleissa. Merkittävintä tutkimuksessa oli, että esialtistavan raajaiskemian edulliset vaikutuksen selkäytimeen oli nähtävissä jo ennen iskemiaa. Toisessa osajulkaisussa esialtistava raajaiskemialla oli nähtävissä edullisia, mutta ei varauksettomia, vaikutuksia selkäytimen iskemian immunohistokemiallisessa analyysissä. Kolmannessa osatyössä diazoxidin vaikutukset iskemiaa vastaan nähtiin parempana hemodynaamisena tilana ja antioksidatiivisen aktiivisuuden lisääntymisenä aivoissa, mutta tulos on myös tulkinnanvarainen. Neljäs osajulkaisu kokosi tämän hetken tietämyksen esialtistavasta raajaiskemiasta. Tutkimuksissamme osoitimme, että esialtistava raajaiskemiassa on potentiaalia tulla yhdeksi välineeksi keskushermoston iskemiaa vastaan torakoabdominaalisen aortan kirurgiassa. Lisäksi diazoxidin mahdolliset neuroprotektiiviset vaikutukset vaativat lisää koe-eläintutkimuksia ennen ihmiskokeisiin siirtymistä.

Abstract Thoracic aortic aneurysms (TAAs) are a significant source of morbidity and mortality. Classical risk factors for TAAs are hypertension, atherosclerosis, male gender, smoking, age, high body mass index, family history and chronic obstructive pulmonary disease. In addition, in certain cases of TAAs, i.e., ascending aortic aneurysms (AscAA), genetic factors are highly prominent. Matrix metalloproteinases are in a major role in the destruction of the aortic wall and the imbalance between matrix metalloproteinases, and their inhibitors are involved in the formation of aneurysms. In addition, osteopontin is a potent regulator of matrix metalloproteinases and it is widely expressed in injured arteries. Recently, telomere shortening has been shown to be involved in the development of abdominal aortic aneurysms (AAA). In this aneurysm type, atherosclerosis has a major role. Since atherosclerosis is frequently absent in the case of TAAs, the length of telomeres was measured in the blood samples of TAA patients. The purpose of this thesis was to study the genetic background of TAAs of the ascending aorta and furthermore, the molecular background of this disease. The first study was done with families with TAAs, and dissections and one chromosomal locus (5q13-14) of the studied seven loci showed a significant genetic linkage for TAAs. Two other studies were done exploiting our TAA case-control material. Study II showed elevated levels of osteopontin, matrix metalloproteinase type 2 and 9 in the plasma and tissue samples of TAA patients compared with controls. In the third study, longer blood leukocyte telomeres were found in the DNA samples of TAA patients compared with controls; furthermore, the elevation of telomere lengthening protein telomerase expression was found in the tissue samples of TAA patients. This thesis presents region 5q13-14 as a potential genetic regulator for TAAs in Finnish families. In addition, elevated levels of osteopontin, matrix metalloproteinase type 2 and 9 can be considered as a plasma biomarker for aneurysmal disease. Furthermore, longer blood leukocytes were found to be a significant risk factor for developing TAAs. / Tiivistelmä Rinta-aortan aneurysmat ovat merkittävä sairastumisiin ja kuolemiin johtava tekijä. Perinteisinä riskitekijöinä aneurysmille on pidetty korkeaa verenpainetta, ateroskleroosia, miessukupuolta, tupakointia, ikää, ylipainoa, suvussa esiintyneitä aneurysmatapauksia ja keuhkoahtaumatautia. Näiden lisäksi erityisesti nousevan rinta-aortan alueella esiintyvissä aneurysmissa myös perinnöllisillä tekijöillä on korostunut merkitys. Matriksimetalloproteinaaseilla ja niiden estäjillä on merkittävä rooli, kun aortan seinämää hajotetaan. Tasapainon järkkyminen kyseisten proteiinien keskinäisessä suhteessa voi johtaa aneurysman muodostumiseen. Myös osteopontiinin tiedetään olevan tehokas matriksimetalloproteinaasien säätelijä, ja sitä tuotetaankin yleisesti vahingoittuneessa verisuonessa. Telomeerien lyhentyminen on vastikään yhdistetty vatsa-aortan alueella esiintyviin aneurysmiin, joissa ateroskleroosilla on yleensä merkittävä rooli. Koska ateroskleroosi on vain harvoin nousevan rinta-aortan alueen aneurysmien taustalla, rinta-aortan aneurysmapotilaiden valkosolujen telomeerien suhteelliset pituudet määritettiin. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä keskityttiin löytämään geneettinen kytkentä rinta-aortan aneurysmien ja jonkin seitsemän tutkitun kromosomialueen välille. Geneettinen kytkentä löydettiin kromosomialueelta 5q13-14. Osatöissä 2 ja 3 hyödynnettiin rinta-aortan aneurysmien potilas- ja verrokkiaineistoja. Osatyö 2 osoitti, että matriksimetalloproteinaasien (2 ja 9) määrät ovat kohonneet rinta-aortan aneurysmapotilaiden näytteissä verrokkeihin verrattuna. Osatyössä 3 telomeerien suhteelliset pituudet veren valkosoluissa olivat pidemmät nousevan rinta-aortan aneurysmapotilaiden näytteissä verrokkihenkilöiden näytteisiin verrattuna. Myös telomeraasin tuotto oli lisääntynyt rinta-aortan aneurysmapotilaiden aorttakudosnäytteissä. Väitöskirjassa esitetään tuloksena kromosomialue 5q13-14 geneettisenä säätelijänä suomalaisissa suvuittain esiintyvissä rinta-aortan aneurysmatapauksissa. Kohonneita matriksimetalloproteinaasien ja osteopontiinin tasoja voidaan lisäksi pitää biomarkkereina rinta-aortan aneurysmien sairastavuudelle. Veren valkosolujen pidemmät telomeerit näyttävät myös olevan yhteydessä rinta-aortan aneurysmien sairastavuuteen.