Abstract Collagen XVIII is a multidomain basement membrane proteoglycan with three tissue-specific isoforms. Endostatin, the C-terminal part of collagen XVIII, has antiangiogenic properties, while the frizzled-like domain of the longest isoform is suggested to be capable of inhibiting the Wnt/β-catenin signaling network. This study utilized several genetically modified mouse lines and electron microscopy to achieve new information on the biological role of collagen XVIII, its different isoforms, and the frizzled domain. Lack of collagen XVIII was found to affect the integrity of basement membranes of various tissues, leading to an abnormally loosened network structure. In the choroid plexus, the change in the basement membrane ultrastructure caused alterations in the production of the cerebrospinal fluid and predisposed to the development of hydrocephalus. In the kidney, broadening of the proximal tubular basement membrane was shown to be due specifically to the lack of the short isoform, while the lack of the two longer isoforms led to podocyte foot process effacement. Moreover, lack of collagen XVIII was found to cause softening of the kidney glomeruli and the levels of serum creatinine were elevated in the mutant animals, indicating altered kidney function. The hair follicle cycle was used as a model to study the possible role of the frizzled domain of collagen XVIII in the Wnt/β-catenin signaling cascade. The longer collagen XVIII isoforms were shown to be expressed in the basement membrane facing the dermal papilla and in the hair follicle bulge, containing the follicular stem cells. Lack of the long isoforms led to abnormalities in the progression of the first hair cycle, and the phenotype could be rescued via transgenic delivery of the frizzled domain of the longest isoform, suggesting its involvement in the regulation of the Wnt/β-catening signaling network during the cyclic growth of the hair. / Tiivistelmä Kollageeni XVIII on useista toiminnallisista osista koostuva tyvikalvojen proteoglykaani, jolla on kolme eri kudoksissa esiintyvää isomuotoa. Sen C-terminaalisella endostatiini-osalla on verisuonten kasvua estäviä vaikutuksia, kun taas pisimmän isomuodon frizzled-osan uskotaan estävän Wnt/β-kateniini signalointireitin toimintaa. Tässä tutkimuksessa saatiin uutta tietoa kollageeni XVIII:n, sen eri isomuotojen sekä frizzled-osan biologisesta merkityksestä useiden geenimuunneltujen hiirimallien sekä elektronimikroskopian avulla. Kollageeni XVIII:n puutoksen todettiin vaikuttavan tyvikalvojen rakenteen eheyteen useissa eri kudoksisssa, johtaen epänormaalisti löyhtyvään verkkorakenteeseen. Suonipunoksessa tämä tyvikalvon hienorakenteen muutos vaikutti aivo-selkäydinnesteen tuottumiseen ja altisti vesipään kehittymiselle. Munuaisessa proksimaalisen munuaistiehyen tyvikalvon levenemisen osoitettiin johtuvan lyhyen isomuodon puutoksesta, kun taas kahden pidemmän isomuodon puuttuminen aiheutti podosyyttien jalkalisäkkeiden leviämistä. Lisäksi kollageeni XVIII:n puuttumisen osoitettiin johtavan hiirimallien munuaiskerästen pehmenemiseen sekä veren kreatiniinitason kohoamiseen, viitaten munuaistoiminnan häiriöihin. Karvatuppien syklistä kasvua käytettiin mallina tutkittaessa kollageeni XVIII:n frizzled-osan mahdollisia vaikutuksia Wnt/β-kateniini signalointireittiin. Pidempien kollageeni XVIII isomuotojen osoitettiin tuottuvan karvanystyn tyvikalvossa sekä karvatupin kantasolut sisältävällä pullistuma-alueella. Pitkien isomuotojen puuttuminen johti karvojen ensimmäisen kasvukierron epänormaaliin etenemiseen. Tämä voitiin estää siirtogeenisen frizzled-osan avulla, mikä viittasi sen osallisuuteen Wnt/β-kateniini signalointireitin säätelyyn karvan syklisen kasvun aikana.

Abstract Pulmonary fibrosis, lung cancer and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are severe diseases and common death causes worldwide. Due to the lack of an effective therapy, the investigation of cell biological mechanisms behind these diseases is essential. An activation of stromal cells, including myofibroblasts, is a main feature found in the pathogenesis of lung diseases. Myofibroblasts express alpha-smooth muscle actin (α-SMA), have specific ultrastructure, produce extracellular matrix proteins and possess contractile capacity. Detailed structure and function of myofibroblasts and their roles in healthy and diseased lung are not yet wholly understood. The investigation of the myofibroblasts may further offer novel tools for the acquisition of proper diagnosis, prognosis and medical treatment. The study aimed to characterize the ultrastructural, functional and disease-specific features of stromal cells, particularly myofibroblasts, in interstitial and malignant lung diseases. The functional properties evaluated here were differentiation, invasive and contractile properties. The study material included in vitro stromal cells cultured from bronchoalveolar lavage (BAL) fluids. The appearance and location of myofibroblasts in different lung compartments of non-smokers and the COPD-patients were examined in vivo. The cells were investigated by light and electron microscopy. The α-SMA expression was analysed by gene or protein assays. The study demonstrated that stromal cells could be cultured from diagnostic BAL fluid samples and lung tissues. Cultured cells were a mixture of fibroblasts and myofibroblasts. A small proportion of cells exhibited progenitor-like features. Myofibroblasts revealed differential features in electron microscopy and invasive or contractile assays. When studying tissues from healthy and COPD lungs, myofibroblasts were located both in alveoli and airways. In alveoli myofibroblasts localized in widened alveolar tips which were newly described structures and locations of myofibroblasts in healthy and diseased lung. The amount of myofibroblasts in large airways, but not in peripheral lung, was increased in COPD. We concluded that myofibroblasts have several locations in normal and COPD lung, which suggests a function both in pulmonary regeneration and the pathogenesis of COPD. Smoking altered the phenotype of myofibroblasts regardless of its origin. / Tiivistelmä Keuhkofibroosi, keuhkosyöpä ja keuhkoahtaumatauti (COPD) ovat kansallisesti ja maailmanlaajuisesti yleisiä ja kuolemaan johtavia sairauksia. Taudinmääritys ja hoito ovat vaativia, eikä kaikille potilaille ole parantavaa hoitoa. Keuhkosairauksien kaikkia solubiologisia mekanismeja ei vielä tunneta, mikä on yksi syy lääkekehityksen ongelmiin. Interstitiaaleissa ja pahanlaatuisissa keuhkosairauksissa esiintyy paljon aktiivisia sidekudossoluja, kuten muuntuneita fibroblasteja eli myofibroblasteja. Ne tunnistetaan hienorakenteesta, jota voidaan tutkia elektronimikroskoopilla. Myofibroblastit ilmentävät myös solun sisäistä sileän lihaksen alfa-aktiinia (α-SMA), tuottavat sidekudoksen proteiineja ja kykenevät supistumaan. Myofibroblastien hienorakenteen ja toiminnan selvittäminen voi antaa lisätietoa keuhkosairauksien syntymekanismeista, jolloin diagnostiikkaa, ennustetta sekä hoitoja voidaan arvioida paremmin. Väitöskirjassa selvitettiin myofibroblastien hienorakennetta ja toimintaa eri keuhkosairauksissa. Tutkitut toiminnalliset ominaisuudet olivat erilaistumispotentiaali, invasiivisuus ja supistumiskyky. Sairauksien kliinistä käyttäytymistä ja potilaiden tupakointitottumuksia tarkasteltiin suhteessa solubiologiatason havaintoihin. Tutkimusmateriaali kerättiin taudinmäärityksen yhteydessä interstitiaalisia keuhkosairauksia, keuhkoahtaumatautia tai keuhkosyöpää sairastavilta potilailta. Tulosten mukaan bronkoalveolaarihuuhtelunesteestä (BAL) ja keuhkokudospaloista voidaan soluviljelymenetelmin kasvattaa ja ylläpitää solulinjoja. Viljellyt solut muodostivat sekasolupopulaatiota, joissa esiintyi pääosin fibroblasteja ja vaihteleva osuus myofibroblasteja. Pieni osa soluista ilmensi kantasoluille tyypillisiä piirteitä. Myofibroblastien tyyppipiirteet ja toiminnalliset ominaisuudet vaihtelivat taudeittain. Kudoksessa myofibroblasteja ilmentyi sekä keuhkorakkuloissa että ilmateissä. Keuhkorakkulatasolla myofibroblastit sijoittuivat irrallisten alveoliseinämien laajentuneisiin päihin, joita ei ole aiemmin tutkittu tieteellisessä kirjallisuudessa myofibroblastien yhteydessä. Keuhkoahtaumatauti ja tupakointi vähensivät näiden rakenteiden määrää perifeerisessä keuhkossa, kun taas suurissa ilmateissä keuhkoahtaumatauti lisäsi myofibroblasteja. Päättelimme, että myofibroblastit edistävät keuhkoahtaumataudin syntyä isoissa ilmateissä, mutta saattavat osallistua keuhkojen korjaukseen keuhkorakkuloissa ja pienissä ilmateissä.