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 Coronary heart disease (CHD) is a clinical manifestation of atherosclerosis. It is a major cause of mortality and morbidity both in Finland and globally. Even after the best known treatments a significant residual risk of CHD remains. A low plasma HDL cholesterol level (HDL, high-density lipoprotein) is a common lipid abnormality in patients affected by premature CHD and also a component of the metabolic syndrome, a cluster of risk factors for atherosclerosis associated with central obesity. In this study, a phenotype of low HDL cholesterol level and premature CHD was investigated in two Northern Finnish family populations. The aim was to find new biological factors accounting for the elevated CHD risk in the phenotype. In the subjects of family population I, plasma levels of antibodies (IgG, IgM, IgA) against experimental epitopes (malondialdehyde-acetaldehyde-modified, copper-oxidized) of oxidized LDL (low-density lipoprotein) particles were measured. In the subjects of family population II, capacity of HDL fractions (total HDL, HDL2 and HDL3) to accept cholesterol from a THP-1 experimental foam cell model was assayed (cholesterol efflux). In addition, a phospholipid composition of their HDL fractions (HDL2 and HDL3) was measured using liquid chromatography-mass spectrometry. The antibody levels were not related to CHD or to HDL cholesterol level. Instead, the cholesterol efflux to HDL2 fraction was clearly impaired in CHD, which was associated with the low HDL cholesterol level of the patients. The impaired cholesterol efflux to HDL2 fraction was primarily in conjunction with the metabolic syndrome. The phospholipid composition of HDL fractions was different between the affected and the non-affected subjects. As an example, characteristic of the metabolic syndrome were elevated contents of palmitic, palmitoleic or oleic acids relative to linoleic acid in lysophosphatidylcholines and phosphatidylcholines. In conclusion, the HDL fraction is both functionally and compositionally modified in the phenotype of low HDL cholesterol level and premature CHD. Especially the cholesterol efflux capacity of the HDL2 fraction and thus its many functional properties may be impaired. There are many characteristic features in the phospholipid composition of the HDL in the phenotype which were detected in HDL2 and HDL3 fractions. / Tiivistelmä Sepelvaltimotauti on ateroskleroosin kliininen ilmenemismuoto. Se on merkittävimpiä kuolleisuuden ja sairastavuuden aiheuttajia niin Suomessa kuin maailmalla. Parhaillakin tunnetuilla hoidoilla sepelvaltimotaudille jää huomattava jäännösriski. Plasman matala HDL-kolesterolitaso (HDL, high-density lipoprotein) on yleinen lipidipoikkeavuus varhaista sepelvaltimotautia sairastavilla ja myös eräs metabolisen oireyhtymän, eli keskivartalolihavuuteen liittyvän ateroskleroosin riskitekijäkasauman, komponentti. Tässä väitöskirjassa tutkittiin matalan HDL-kolesterolitason ja varhaisen sepelvaltimotaudin fenotyyppiä kahdessa pohjoissuomalaisessa sukuaineistossa. Tavoitteena oli löytää uusia biologisia tekijöitä fenotyypin kohonneen sepelvatimotautiriskin taustalta. Ensimmäisen aineiston henkilöiden plasmasta mitattiin vasta-ainetasoja (IgG, IgM, IgA) LDL-hiukkasten (LDL, low-density lipoprotein) kokeellisia hapettuneita epitooppeja (malonidialdehydi-asetaldehydi-modioitu ja kuparilla hapetettu LDL) vastaan. Toisessa aineistossa mitattiin henkilöiden HDL-fraktioiden (kokonais-HDL, HDL2 ja HDL3) kykyä saada aikaan kolesterolin ulosvirtausta kokeellisesta THP-1 vaahtosolumallista. Lisäksi heidän HDL-fraktioidensa (HDL2, HDL3) fosfolipidikoostumus mitattiin nestekromatografi-massaspektrometri-laitteistolla. Vasta-ainetasot eivät liittyneet sepelvaltimotautiin tai HDL-kolesterolitasoon. Sen sijaan kolesterolin ulosvirtaus HDL2-fraktioon oli selkeästi alentunut sepelvaltimotaudissa, mikä liittyi potilaiden pieneen HDL-kolesterolipitoisuuteen. Alentunut ulosvirtaus HDL2-fraktioon liittyikin ensisijaisesti metaboliseen oireyhtymään. HDL-fraktioiden fosfolipidikoostumus erosi terveiden ja sairaiden välillä. Esimerkiksi metabolisessa oireryhtymässä tunnusomaista oli lysofosfatidyylikoliinien ja fosfatidyylikoliinien sisältämän palmitiinihapon, palmitoleiinihapon tai oleiinihapon suurentunut määrä suhteessa niiden sisältämän linoleenihapon määrään. Loppupäätelmä on, että matalan HDL-kolesterolitason ja varhaisen sepelvaltimotaudin fenotyypin HDL-fraktio on sekä toiminnaltaan että koostumukseltaan muuntunut. Erityisesti HDL2-fraktion kyky saada aikaan kolesterolin ulosvirtausta ja näin ollen sen monet toiminnalliset ominaisuudet voivat olla alentuneet. Fenotyypin HDL:n fosfolipidikoostumuksessa on monia tunnusomaisia piirteitä, joita havaittiin sekä HDL2- että HDL3-fraktiossa.