Abstract Pulmonary surfactant is a lipid-protein mixture that lines the inner surface of the lung. The main function of surfactant is to reduce surface tension at the air-liquid interface, thus preventing alveolar collapse at the end of expiration. Lack of surfactant is the main cause of respiratory distress syndrome (RDS) in preterm infants. Very preterm babies are at risk of developing a lung disease called bronchopulmonary dysplasia (BPD). The surfactant proteins SP-A, -B, -C and -D have important functions in surfactant structure, homeostasis and innate immunity of the lung. The genes of these proteins have been studied as candidates for several multifactorial lung diseases both in adults and in children. The aim of the present study was to examine the genetic variation in SP genes and to evaluate the role of SP gene polymorphism in the etiology of severe pulmonary infantile diseases, including RDS, BPD and severe respiratory syncytial virus (RSV) infection among the Finnish population. Conventional allelic association methods in combination with multiparameter analysis and family-based transmission disequilibrium test (TDT) were used. The SP-D Met11 allele was associated with a risk for severe RSV bronchiolitis in a matched case-control setting of 84 infants with severe RSV infection and 93 control infants. The variants of the SP-C gene had no detectable association with BPD. However, a modest association of SP-C Asn138 and Asn186 alleles with RDS was found. A length variation in the SP-B gene was associated with BPD among very preterm infants born before 32 weeks of gestation. The SP-B intron 4 deletion variant allele increased the risk for BPD especially in very low birth weight infants. The association was confounded by birth order, being evident only among presenting infants, who are more prone to ascending infections during a preterm birth process. The present study provides new evidence about the significance of SP gene polymorphisms in the etiology of complex infantile pulmonary diseases, including RDS, BPD and severe RSV bronchiolitis. The results help us to understand the molecular mechanisms underlying these diseases and may, in the long run, enable better treatment of these life-threatening diseases. / Tiivistelmä Keuhkosurfaktantti on keuhkon sisäpintaa peittävä kalvomainen rasva-proteiinikompleksi, jonka tärkein ominaisuus on pintajännityksen vähentäminen keuhkorakkuloissa. Surfaktantin puutos ennenaikaisesti syntyneillä lapsilla aiheuttaa hengitysvaikeusoireyhtymän, RDS-taudin (respiratory distress syndrome). Alle 30 raskausviikon iässä syntyneistä, useimmiten RDS-taudin saaneista keskosista n. 30 % sairastuu vakavaan krooniseen keuhkotautiin, BPD-tautiin (bronchopulmonary dysplasia). Surfaktanttiproteiineilla SP-A, -B, -C ja -D on osoitettu olevan tärkeä tehtävä surfaktantin toiminnassa ja keuhkon synnynnäisessä immuniteetissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää surfaktanttiproteiineissa esiintyvän geneettisen muuntelun määrää ja merkitystä keskosten RDS- ja BPD-taudeissa sekä pienten lasten vakavassa respiratory syncytial -viruksen (RSV) aiheuttamassa keuhkotulehduksessa. Tutkimuksen laajin osa keskittyi tutkimaan keskosten BPD-tautia ja surfaktanttiproteiinien geenien osuutta siinä. Geneettisen muuntelun merkitystä tarkasteltiin populaatiogeneettisin keinoin tapaus-verrokkiasetelmissa ja perheaineistojen avulla. Yhteensä analysoitiin noin tuhannen lapsen ja yli kahdensadan vanhemman DNA-näytteet. Tutkimuksessa havaittiin SP-D-geenissä olevan metioniini11-geenimuodon liittyvän pienten lasten vakavaan RSV-infektioon. Lisäksi saatiin uutta tietoa SP-C-geenin populaatiotason yleisestä muuntelusta ja todettiin SP-C:n asparagiini138 ja asparagiini186 -geenimuotojen yhteys keskosten RDS-taudin esiintymiseen. Merkittävin löydös oli SP-B-geenissä olevan deleetiovariantin kytkeytyminen alle 32-viikkoisina syntyneiden keskosten BPD-tautiin. Geneettisen altistuksen lisäksi BPD-tautiin sairastumiseen vaikuttivat lukuisat keskosuudelle ominaiset seikat, kuten alhainen syntymäpaino, RDS-tauti ja syntymähetkellä todettu hapenpuute. Geneettisen tekijän vaikutus oli voimakkain erittäin pienipainoisilla keskosilla. Tutkimuksen tulokset ovat tuoneet arvokasta lisätietoa surfaktanttiproteiinien geenien osuudesta keskosten RDS- ja BPD-taudeissa sekä pienten lasten vakavassa RSV-infektiossa. Ne auttavat ymmärtämään näiden molekyylibiologisia syntymekanismeja ja voivat ajan mittaan olla edistämässä uusien hoitomuotojen kehittämistä.

Abstract Each year in Finland, approximately 5.7% of infants are born preterm, i.e., before 37 completed weeks of gestation. Preterm birth is a major cause of mortality and several neonatal morbidities, especially the respiratory diseases. Infants born very preterm (<32 wk) are at higher risk of developing a chronic lung disease called bronchopulmonary dysplasia (BPD). The genetic factors predisposing to spontaneous preterm birth (SPTB) and BPD are incompletely known. The aims of this thesis project were to identify genetic factors that affect susceptibility to SPTB and BPD. Genetic case-control association studies were performed in mothers and infants of northern Finnish origin (SPTB study), or in multiple populations of very preterm infants of Finnish or European origin (BPD study). The candidate genes were selected based on their proposed roles in inflammation which is involved in both SPTB and BPD susceptibility. Additionally, the aim was to study the possible functional role of polymorphisms in the gene encoding surfactant protein B (SP-B) that have been shown previously to associate with pulmonary function. An association between Met31Thr polymorphisms in the gene encoding SP-D (SFTPD) and SPTB infants was found. The other collectin genes that were studied, encoding SP-A and mannose-binding lectin, did not associate with SPTB in mothers or infants. An intronic polymorphism in the gene encoding Kit ligand (KITLG) was associated with the risk of BPD in the northern Finnish and in the combined population that originated from Finland, Canada and Hungary. The role of KITLG in BPD was further supported by biomarker data, which showed higher concentrations of Kit ligand at the time of birth in infants that later developed BPD. The genes encoding interleukin 6 (IL-6), its receptors, IL-10, tumor necrosis factor alpha or glucocorticoid receptor did not associate with BPD susceptibility. Finally, a genetic variant 131Thr in the gene encoding SP-B (SFTPB) was associated with lower SP-B levels in vivo and delayed secretion in vitro. To date, there is no effective method to prevent SPTB, and especially the extremely preterm infants are at an increased risk of developing serious respiratory diseases. Better understanding of the mechanisms underlying both SPTB and BPD could help in the successful prediction of risk groups as well as in the design of new preventive and treatment strategies. / Tiivistelmä Noin 5,7 % lapsista syntyy Suomessa ennenaikaisesti, eli ennen kuin raskaus on kestänyt täydet 37 viikkoa. Ennenaikainen syntymä altistaa vastasyntyneen lapsen vakaville pitkäaikaissairauksille. Erityisesti hyvin pienillä keskosilla, jotka ovat syntyneet ennen 32. raskausviikkoa, on suurempi riski sairastua vakavaan hengitysvaikeuteen eli bronkopulmonaaliseen dysplasiaan, joka tunnetaan myös nimellä BPD-tauti. Perinnölliset tekijät vaikuttavat niin spontaanin ennenaikaisen syntymän (SEAS) kuin BPD-taudinkin taustalla, mutta nämä tekijät tunnetaan huonosti. Tässä väitöskirjatyössä pyrittiin tunnistamaan perinnöllisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat SEAS:in ja BPD-taudin taustalla. Perinnöllisen taustan selvittämisessä ehdokasgeenien sisältämien muuntelevien kohtien esiintyvyyttä verrattiin terveiden verrokkien ja tautitapausten välillä. SEAS-tutkimuksessa tutkimusväestö koostui suomalaisista äideistä ja heidän lapsistaan. BPD-tutkimuksessa oli mukana hyvin ennenaikaisesti syntyneitä lapsia Suomesta, Kanadasta ja Unkarista. Tämän lisäksi kokeellisten tutkimusten avulla tutkittiin aiemmin keuhkosairauksiin liittyneen geenin muuntelevien kohtien osuutta sen koodaaman surfaktanttiproteiini (SP) B:n toiminnassa. Tutkimuksissa havaittiin SP-D:tä koodaavan geenin Met31Thr-polymorfismin olevan mahdollinen riskitekijä SEAS:lle lapsilla, mutta se ei selittänyt SEAS-riskiä äideissä. SP-A:ta ja mannoosia sitovaa lektiiniä koodaavilla geeneillä ei ollut yhteyttä SEAS-riskiin. Kit-ligandia koodaavan geenin intronissa sijaitseva polymorfismi selitti BPD-tautiriskiä pohjoissuomalaisessa sekä yhdistetyssä tutkimusväestössä. Lisäksi lapsilla, jotka myöhemmin sairastuivat BPD-tautiin, havaittiin suurempia Kit-ligandipitoisuuksia syntymähetkellä. Interleukiini 6:ta (IL-6), sen reseptoreita, IL-10:ta, tuumorinekroosifaktori-alfaa tai glukokortikoidireseptoria koodaavien geenien polymorfismien ja BPD-taudin välillä ei ollut yhteyttä. SP-B:tä koodaavan geenin Ile131Thr-polymorfismin Thr-variaatio liittyi alhaisempaan SP-B:n pitoisuuteen lapsivedessä sekä hidastuneeseen proteiinin tuottoon kokeellisessa solumallissa. Tulokset antavat uutta tietoa SEAS:n ja BPD-taudin perinnöllisestä taustasta. Tämä tieto voi auttaa synnytyksen käynnistymiseen sekä BPD-alttiuteen johtavien biologisten mekanismien selvittämisessä ja uusien hoitokeinojen kehittämisessä.

Abstract Advances over the past few decades in ante- and neonatal care have led to the survival of a growing number of premature infants of extremely low gestational age. However, the occurrence of serious diseases, particularly those affecting the most immature infants, remains high. Bronchopulmonary dysplasia (BPD), a chronic lung disease of premature infants, is one such disease. Our current understanding of the molecular pathogenesis of BPD is incomplete; consequently, there are few preventive and therapeutic options for BPD. Moreover, it is challenging to predict the risk of BPD. Previous studies of BPD in twins revealed that the heritability of BPD is quite high. However, the individual genes that predispose premature infants to BPD are largely unknown. The aim of this study was to identify and study genes associated with BPD in order to investigate its pathogenesis. An additional aim was to add to knowledge of the risk of BPD in newborn premature infants, with an emphasis on twins. A candidate gene study found no consistent association between common polymorphisms of vascular endothelial growth factor receptor 2 and BPD. A second candidate gene study noted an association between the gene encoding Kit ligand and BPD. A genome-wide association study found a suggestive association between a locus close to the gene encoding C-reactive protein (CRP) and BPD, and in subsequent analyses, plasma levels of CRP during the first week of life predicted BPD. Finally, a nationwide register study found that the risk of BPD was lower in twins than in singletons. The results of this study add to what is known of the genetics and pathogenesis of BPD. They also provide new data on the risk of BPD, which may be used to improve early identification of infants for whom the risk of developing BPD is high. / Tiivistelmä Ennenaikaisen syntymän ja keskoslasten hoidon kehittymisen myötä yhä useammat huomattavan epäkypsinä syntyneet lapset jäävät henkiin. Samalla erityisesti juuri näitä lapsia uhkaavien sairauksien esiintyvyys on pysynyt korkeana. Bronkopulmonaalinen dysplasia (BPD, keskosen krooninen keuhkosairaus) on yksi näistä sairauksista. BPD:n molekyylitasoinen tautimekanismi on vielä osin tuntematon, eikä BPD:tä tehokkaasti estävää tai siitä parantavaa hoitoa ole. Myös BPD riskin arvioiminen vastasyntyneen keskoslapsen kohdalla on vaikeaa. BPD on huomattavan perinnöllinen tauti. BPD:lle altistavista geeneistä on kuitenkin vasta vähän tietoa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli lisätä tietoa BPD:n tautimekanismista tutkimalla BPD:lle altistavia geenejä. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin BPD:n esiintyvyyttä ja syntymää edeltäviä riskitekijöitä erityisesti kaksosten osalta. Ehdokasgeenitutkimuksessa verisuonten endoteelikasvutekijää koodaava geeni ei assosioitunut toistuvasti BPD:hen. Kit ligandia koodaava geeni sen sijaan assosioitui. Koko genomin assosiaatiotutkimuksessa C-reaktiivista proteiinia (CRP) koodaavan geenin lähistöltä löydettiin BPD:hen mahdollisesti assosioituva alue. Lisäksi ensimmäisen viikon CRP-arvojen osoitettiin ennakoivan myöhemmin kehittyvää BPD:tä. BPD-riskin todettiin olevan matalampi kaksi- kuin yksisikiöisistä raskauksista syntyneillä lapsilla. Tutkimuksen tulokset lisäävät tietoa BPD:n perinnöllisyydestä ja sitä kautta BPD:n tautimekanismista. Tutkimus toi myös uutta tietoa BPD:n riskitekijöistä parantaen vastasyntyneen keskoslapsen BPD-riskin arviota.

Abstract Advances in perinatal treatment practices—such as antenatal corticosteroids, surfactant replacement therapy, and gentler ventilator modalities—have improved the survival of infants born preterm. Consequently, later morbidity and pulmonary outcome for survivors has attracted increasing interest. The incidence of bronchopulmonary dysplasia (BPD) remains high and the condition is manifesting in infants born at earlier gestational weeks than before. This so-called new BPD results from the arrest of alveolar development and is associated with less structural airway injury and interstitial fibrosis than previously. Long-term follow-up data on lung function, lung structure and respiratory morbidity of children treated with modern methods is insufficiently known. We performed a follow-up study of 88 preterm-born children and 88 matched term-born controls at school age. Children born preterm had lower values in lung function measurements than term-born peers. Reductions were most marked in those with a history of BPD. In accordance with the foetal origins hypothesis, children with intrauterine growth restriction (IUGR) had lower lung function than gestation-controls. This indicates that poor growth in utero is an additional burden on pulmonary health. Both IUGR and BPD predicted lower lung function independently. High-resolution computed tomography of the lung was obtained from 21 children with a history of BPD. Structural abnormalities were common, children with severe BPD being most affected. Preterm children were hospitalised more often than controls, mainly because of wheezing disorders. However, BPD did not influence the hospitalisations. According to the meta-analysis of the contemporary data available, the respiratory outcome of children who had only mild BPD may have improved in comparison to old follow-up data, whereas the results for those without BPD or moderate-to-severe BPD have remained remarkably stable despite progress in treatment practices during early life. In conclusion, preterm children had subtle impairments in lung function at school age. Although they were fairly asymptomatic, concern about the possible long-term effects of preterm birth on pulmonary health is justified. It has been proposed that BPD may predispose individuals to an early COPD-like disorder. Preterm children must be protected from any additional burden on respiratory health and should be monitored appropriately for early detection of lung disease. / Tiivistelmä Keskosten tehohoito on kehittynyt viime vuosikymmeninä merkittävästi, ja yhä epäkypsempänä syntyvät keskoset selviävät hengissä syntymän jälkeen. Keskosten pitkäaikainen keuhkosairaus, bronkopulmonaalinen dysplasia (BPD), on perinteisesti johtunut hengityskonehoidon ja happikaasun aiheuttamasta keuhkovauriosta ja johtanut keuhkokudoksen arpeutumiseen. Aiempaa ennenaikaisemmilla keskosilla esiintyy kuitenkin nykyään niin sanottua uutta BPD:tä, jonka ajatellaan johtuvan enemmän keuhkorakkuloiden kehityshäiriöstä kuin hoitojen aiheuttamasta keuhkovauriosta. Selvitimme, miten nykyaikaisilla menetelmillä hoidettujen keskosten keuhkojen rakenne ja toiminta kehittyvät kouluikään mennessä. Seurantatutkimukseemme osallistui 88 ennenaikaisena syntynyttä, kouluikään ehtinyttä lasta ja 88 täysiaikaisena syntynyttä, kaltaistettua verrokkia. Keskosena syntyneiden lasten keuhkofunktio oli kouluiässä huonompi kuin täysiaikaisena syntyneiden verrokkien. Alhaisin keuhkofunktio oli niillä keskosena syntyneillä lapsilla, jotka olivat sairastaneet vastasyntyneenä BPD:n. Myös kohdunsisäiseen kasvuhäiriöön (intrauterine growth restriction, IUGR) liittyi alentunut keuhkofunktio. BPD ja IUGR ennustivat alentunutta keuhkofunktiota toisistaan riippumatta. Tutkimuksessa tehtiin myös keuhkojen ohutleiketietokonekuvaus 21 keskoselle, jotka olivat sairastaneet BPD:n. Lähes kaikilla havaittiin poikkeavia löydöksiä – eniten niillä, joilla oli ollut vastasyntyneenä BPD:n vaikea tautimuoto. Keskosina syntyneet joutuivat kahden ensimmäisen vuoden aikana verrokkeja useammin sairaalahoitoon. Yleisimpiä syitä olivat hengityksen vinkumista aiheuttavat taudit kuten ilmatiehyttulehdus, ahtauttava keuhkoputkitulehdus tai akuutti astmakohtaus. Vastasyntyneenä sairastettu BPD ei kuitenkaan lisännyt todennäköisyyttä joutua sairaalahoitoon. Tutkimuksessa tehtiin myös meta-analyysi nykyaikaisilla menetelmillä hoidettujen keskosten keuhkofunktiosta: lievää BPD:tä sairastavien tulokset näyttävät parantuneen, kun taas keskivaikeaa tai vaikeaa tautimuotoa sairastavien ja ilman BPD:tä selvinneiden keuhkofunktio ei ole muuttunut uusien hoitojen myötä. Yhteenvetona voidaan todeta, että keskosten keuhkojen toimintakyky on jonkin verran alentunut täysiaikaisiin verrattuna. Lievästi alentunut keuhkofunktio ei kuitenkaan yleensä aiheuttanut koululaisille oireita. Keskosena syntyneiden lasten hengityselinten toimintaa on syytä seurata, sillä niin sanotun uuden BPD:n pitkäaikaisesta ennusteesta ei ole vielä tietoa.