Diss. -- Stockholms universitet. / Väitösk. lisäksi 1 irtol.

Abstract Maternal gestational thyroid dysfunction has been associated with adverse neuropsychological development in children. This study investigated the effects of maternal thyroid dysfunction in early pregnancy and/or antibodies on the thyroid function and antibody status of children, as well as their association with the offspring’s ADHD symptoms, scholastic performance and sensory development. The study population consisted of the Northern Finland Birth Cohort of 1986. The mothers’ TSH, fT4 and TPO-Ab concentrations were evaluated in early pregnancy and in their offspring at 16 years of age. Data on the mothers and their families, their child’s health, development, behavior and scholastic performance were collected via parental questionnaires conducted in early pregnancy and when the children were 7-8 and 16 years old. Their teachers evaluated the children’s behavior and scholastic performance at 8 years of age, and at 16 years old the adolescents evaluated themselves. Maternal gestational thyroid dysfunction associated with adolescents’ increased odds of having the same thyroid dysfunction type. Adolescents of TPO-Ab-positive mothers had increased odds of being TPO-Ab-positive themselves. TPO-Ab-positive children had increased odds of having thyroid dysfunction. Increasing maternal TSH concentrations increased a child’s odds of having ADHD symptoms (OR 1.4 [95% CI 1.1-1.8]). Children of hypothyroxinemic mothers had increased odds of repeating a class at school (OR 3.5 [1.1-11.5]), and those of hyperthyroid mothers had increased odds of Finnish language learning difficulties (1.6 [1.03-2.4]). Furthermore, thyroid dysfunction in adolescents increased their odds of learning difficulties. No association was observed between maternal thyroid dysfunction and a child’s diagnosed intellectual deficiency and sensory development. Maternal thyroid dysfunction during pregnancy associated with thyroid dysfunction in the offspring. Maternal thyroid dysfunction may have a mild impact on her offspring’s neuropsychological development, but it had no effect on a child’s risk of diagnosed intellectual deficiency or sensory development. Children have compensatory mechanisms for overcoming early developmental thyroid hormone insufficiencies. Randomized trials for screening and treating maternal thyroid dysfunction during pregnancy are needed to evaluate the benefits to offspring. / Tiivistelmä Äidin raskauden aikaiset kilpirauhasen toimintahäiriöt on yhdistetty lapsen neuropsykologisen kehityksen ongelmiin, mutta aiempi tutkimustieto aiheesta on ristiriitaista. Tämän vuoksi tutkimme äidin raskauden ajan kilpirauhasen toimintahäiriöiden ja/tai vasta-aineiden vaikutusta nuoren kilpirauhastoimintaan ja vasta-ainestatukseen, ja näiden molempien vaikutusta lapsen ADHD-oireisiin, koulumenestykseen ja aistien kehitykseen. Tämän väitöskirjatyön aineistona oli väestöpohjainen Pohjois-Suomen syntymäkohortti 1986, johon kuuluu yli 99 % alueen raskaana olevista naisista. Äitien TSH, T4-V ja TPO-Ab – mittaukset tehtiin alkuraskaudessa ja kohortin lasten mittaukset 16-vuotiaana. Molempien kohdalla käytettiin väestöpohjaisia viitevälejä toimintahäiriön määrittämiseksi. Tietoja raskaudesta, äidin ja muun perheen sairastavuudesta, elintavoista ja sosioekonomisista tekijöistä ja lapsen terveydestä, kehityksestä, koulumenestyksestä ja käyttäytymisestä kerättiin kyselylomakkeilla raskauden aikana, 7-8-vuotiaana ja 16-vuotiaana. Myös luokanopettajat arvioivat lapsen koulumenestystä ja käyttäytymistä, ja nuoret itse arvioivat koulumenestystään 16-vuotiaina. Äidin raskauden aikainen kilpirauhasen toimintahäiriö nosti nuoren riskiä saada sama kilpirauhasen toimintahäiriö kuin äidillään. Äidin TPO-vasta-aine-positiivisuus nosti nuoren riskiä vasta-ainepositiivisuuteen. Nuoren positiiviset vasta-ainepitoisuudet nostivat riskiä poikkeaville kilpirauhasarvoille. Äidin nouseva TSH-pitoisuus yhdistyi lapsen suurempaan riskiin saada ADHD oireita 8-vuotiaana, mutta selkeää raja-arvoa sille ei löytynyt. Äidin hypo- tai hypertyreoosi eivät nostaneet lapsen ADHD-oireiden riskiä. Äidin kilpirauhastoimintahäiriöt nostivat hieman nuoren riskiä oppimisvaikeuksille ja luokan kertaamiselle. Myös nuoren oma kilpirauhastoiminta vaikutti vähäisessä määrin oppimiseen ja keskittymiseen. Äidin kilpirauhastoiminnalla ei ollut vaikutusta lapsen matalaan älykkyysosamäärään tai aistien kehitykseen Äidin raskaudenaikainen kilpirauhasen toimintahäiriö vaikutti lapsen neuropsykologiseen kehitykseen lievästi, mutta löydösten kliininen merkitys on vähäinen. Lasten keskushermoston korjaavat mekanismit todennäköisesti kompensoivat varhaiskehityksen kilpirauhashormonien vajetta. Randomoidulla tutkimuksella voitaisiin selvittää, hyötyisivätkö lapset äidin kilpirauhassairauden seulomisesta ja hoitamisesta alkuraskaudessa.

Abstract There are a lot of expectations for teachers' continuing education. Based on the theoretical examination of teacherhood, professional development and continuing education it can be assumed that continuing education provides and develops the essential knowledge, skills and readiness required in a teaching position. Continuing education is also regarded to support professional development, the development of the working community and school and, to provide and develop the readiness to face the problems in a teaching position. The significance of continuing education should also appear as a positive connection between teachers' conceptions and interest in continuing education. This thesis examines the nature of this connection as well as the significance of the conceptions as factors steering thinking and activity. The research was carried out in form of a questionnaire covering the teachers in basic education in all ten municipalities of Kainuu during the school year 2001–2002. The questionnaire was responded by 65.9% of the teaching staff (n = 578 teachers). In the research, quantitative and qualitative approaches were combined. The research material was analysed by computer-aided methods applying statistic methods and content analysis. According to this research, the teachers' conceptions and interest in continuing education were poorly and only partly connected. Teachers' attitude towards the education, their conception of teacherhood and especially their conception of the significance of interaction as well as the effect of background variables arose as significant factors. Based on this research, professional development must be examined as an extensive phenomenon, supporting of which requires the use of versatile activity methods and sharpening the activity methods of the continuing education. This research can be utilized in the development work of teachers' basic and continuing education. / Tiivistelmä Opettajien täydennyskoulutukseen kohdistuu paljon odotuksia. Opettajuuuden, ammatillisen kehittymisen ja täydennyskoulutuksen teoreettisen tarkastelun pohjalta voidaan olettaa, että täydennyskoulutus antaa ja kehittää opettajan työssä tarvittavia oleellisia tietoja, taitoja ja valmiuksia. Täydennyskoulutuksen nähdään myös tukevan ammatillista kehittymistä, työyhteisön ja koulun kehittämistä sekä antavan ja kehittävän valmiuksia kohdata opettajan työn ongelmia. Täydennyskoulutuksen merkityksen tulisi näkyä myös opettajien käsitysten ja täydennyskoulutukseen kohdistuvan kiiinnostuksen positiivisena yhteytenä. Työssä tarkastellaan tämän yhteyden luonnetta sekä käsitysten merkitystä ajattelua ja toimintaa ohjaavina tekijöinä. Tutkimus toteutettiin kyselynä kaikille Kainuun kymmenen kunnan perusopetuksen opettajille lukuvuonna 2001–2002. Kyselyyn vastaisi 65,9 % opettajakunnasta (n = 578). Tutkimuksessa yhdistettiin kvantitatiivista ja kvalitatiivista lähestymistapaa. Tutkimusaineisto analysoitiin tietokoneavusteisesti tilastollisia menetelmiä ja sisällönanalyysiä soveltaen. Tutkimuksessa opettajien käsitykset ja täydennyskoulutukseen kohdistuva kiinnostus olivat heikosti ja vain osittain yhteydessä toisiinsa. Täydennyskoulutus ei näytä vastaavan siihen kohdistuviin odotuksiin. Opettajien asennoituminen puolestaan näyttää vaikuttavaan täydennyskoulutuskiinnostukseen. Täydennyskoulutukseen kohdistuvassa kiinnostuksessa oli erotettavissa kolme erilaista suuntautuneisuutta: koulutus-, kehittymis- ja ei-koulutussuuntautuneisuus. Tulos viittaa siihen, että kehittymissuuntautuneet opettajat tarkastelevat ammatillista kehittymistä koulutussuuntautuneita opettajia laaja-alaisempana ilmiönä. Suuntautuneisuuden lisäksi täydennyskoulutuskiinnostusta selitti käsitys opettajuudesta ja erityisesti käsitys vuorovaikutuksen merkityksestä. Mitä merkittävämpänä opettajat pitivät vuorovaikutusta, sitä suurempaa kiinnostusta he ilmaisivat täydennyskoulutukseen. Vuorovaikutus korostui kaikissa tutkituissa käsityksissä ja muodosti opettajuuden ytimen. Monet taustamuuttujat selittävät sekä opettajien käsityksiä että koulutuskiinnostusta. Tutkimuksen perusteella koulutus on entistä enemmän ymmärrettävä käsitysten tiedostamiseen ja muuttamiseen ohjaavana toimintana. Prosessina, jossa käsitysten muuttumista seurataan ja jossa tilanteeseen voidaan reagoida koulutuksen aikana, jopa koulutusta muuttamalla. Valtakunnallisesti tulisi miettiä uusia toimintatapoja tarjota opettajille uusi ja keskeinen tieto. Alueellisesti on kehiteltävä koulutustarpeiden ennakoinnin, toiminnan suunnitelmallisuuden ja jatkuvan vuoropuhelun mahdollistavia toimintamalleja. Henkilökohtaisella tasolla lähtökohtana tulisi olla opettajan näkemys omasta kehittymistarpeestaan. Kehittymistarpeiden kautta ammatillisen kehittymisen tukemista voidaan lähestyä yksilöllisesti ja alueellisesti. Koulutuksellisen jatkumoajattelun sijasta ja sen ohella ammatillisen kehittymisen tukemista on tarkasteltava laaja-alaisesti, monien toimintamuotojen kautta. Monet toimintamuodoista sisältävät myös koulukohtaista ulottuvuutta, joka on merkittävä vaikuttavuuteen yhteydessä oleva tekijä. Vuorovaikutus opettajuuden ytimenä tulee huomioida opettajankoulutuksen sisällöissä ja toimintatavoissa. Opettajankoulutuksessa on tavoiteltava ajanmukaista ja uudistuvaa peruskoulutusta, joka osittain sellaisenaan soveltuisi täydennyskoulutukseksi.

Abstract Many adults with schizophrenia have cognitive deficits, and many children who go on to develop schizophrenia as adults have subtle sub-clinical signs of early developmental deviance. However, the relationship between early markers of neurodevelopment and later neurocognition remains unclear. The present thesis principally investigates infant neurodevelopment, adolescent scholastic function and adult cognition in the Northern Finland 1966 Birth Cohort (n = 12,058). Proxy markers of neurocognition – developmental milestones and school performance – were collected prospectively. Individuals who went on to develop schizophrenia were identified. School performance in pre-schizophrenic individuals was assessed by teacher ratings (n = 100). Cognition in subjects with schizophrenia was assessed at age 33–35 (n = 61). A representative sample of the general population at risk was studied as a comparison group (school assessments n = 9351; neurocognitive assessment n = 104). The schizophrenia group achieved neuromotor milestones later (p < 0.0001) and performed worse than the control group on all cognitive measures (p < 0.0025). In pooled analyses there were associations between infant motor development and adult cognition in executive function (p = 0.006), verbal learning (p = 0.007) and visuospatial working memory (p = 0.02), (earlier development was linked to better adult cognition) but not in visual object learning. The pattern of associations between development and adult cognition was broadly similar in schizophrenia and the general population, whereas associations between development and adolescent scholastic function were stronger in schizophrenia than in controls (p < 0.05). A complementary neuropsychological case study of spontaneous clinical and cognitive improvement in chronic schizophrenia is also presented, showing that cognitive deficits in schizophrenia do not always represent a static encephalopathy, but can be subject to marked improvement. The possibility of using knowledge about premorbid features to help predict and prevent schizophrenia is also critically reviewed, using the school setting as a practical example. It is concluded that many obstacles remain before knowledge about premorbid features can be translated to preventative interventions. Overall, the results of these investigations are consistent with the hypothesis that in schizophrenia, mild infant motor developmental delay, adolescent scholastic performance and cognitive deficits may be age dependent manifestations of the same underlying neural process. Thus, they may be better considered as part of a single longitudinal syndrome. / Tiivistelmä Skitsofreniaa sairastavilla aikuisilla on kognitiivisten toimintojen puutoksia. Kognitiivisia (tiedon prosessoinnin) toimintoja ovat esimerkiksi tarkkaavaisuus, huomiokyky, oppiminen, muisti, asioiden suunnittelu ja ongelmanratkaisu. Monilla lapsilla, jotka sairastuvat aikuisiällä skitsofreniaan, on vähäisiä, kliinisesti merkityksettömiä varhaisen kehityksen poikkeamia tai hitautta. Varhaisen kehityksen ja myöhemmän kognition yhteys on toistaiseksi epäselvä. Tämä tutkimus selvittää varhaisen hermostonkehityksen, nuoruusiän koulunkäynnin ja aikuisiän kognition yhteyttä Pohjois-Suomen 1966 syntymäkohortissa (N = 12 058). Tiedot hermoston tietotoimintoja kuvaavista muuttujista (varhainen kehitys ja koulumenestys) kerättiin prospektiivisesti, samoin tieto skitsofreniaan sairastumisesta. Opettajat arvioivat tutkittavien (n = 100) koulumenestystä ennen sairastumista. Skitsofreniaa sairastavien kognitiivinen suorituskyky arvioitiin 33–35 vuoden iässä (n = 61). Vertailuryhmänä käytettiin edustavaa otosta yleisväestöstä (koulumenestys n = 9351; kognitiivinen suorituskyky n = 104). Skitsofreniaryhmä saavutti motoriset kehityskynnykset (kuten seisomaan ja kävelemään oppiminen) keskimäärin merkittävästi myöhemmin ja suoriutui huonommin kuin kontrolliryhmä kaikissa kognitiivisen suorituskyvyn mittauksissa. Lisäksi varhaisen motorisen kehityksen ja aikuisiän kognitiivisen suorituskyvyn välillä havaittiin yhteys. Erityisesti varhainen motorinen kehitys ennusti hyvää toiminnanohjausta, verbaalista oppimista ja visuospatiaalista työmuistia. Vastaavaa yhteyttä ei havaittu visuaalisen oppimisen alueella. Varhaisen kehityksen ja aikuisiän kognitiivisten toimintojen yhteys oli samantyyppinen sekä skitsofreniassa että yleisväestössä, kun taas varhaisen kehityksen ja nuoruusiän koulumenetyksen yhteys oli vahvempi skitsofreniaan sairastuneilla kuin verrokkihenkilöillä. Yhtenä osatyönä esitetään tapausselostus, jossa kaksi kroonista skitsofreniaa sairastavaa henkilöä toipui spontaanisti sekä kliinisesti ja kognitiivisesti. Tapausselostus osoittaa, että skitsofreniaan liittyvä kognitiivisen tason lasku ei välttämättä heijasta pysyvää aivojen toiminnantason laskua, vaan tila voi huomattavasti korjaantua. Tutkimuksen osana on myös katsaus siitä, missä määrin on mahdollista ennustaa skitsofreniaa sairautta edeltävien piirteiden ja koulussa tehtyjen havaintojen perusteella. Katsauksen valossa on ilmeistä, että on edelleen hyvin vaikea hyödyntää sairautta edeltäviä piirteitä tulevan sairauden ennustamisessa ja etenkin ehkäisyssä. Yhteenvetona voidaan todeta tämän tutkimuksen keskeisten tulosten tukevan hypoteesia, jonka mukaan skitsofreniaan myöhemmin sairastuneilla havaittu lievä varhaisen motorisen kehityksen viive, heikko nuoruusiän koulumenestys ja kognitiivisen tason lasku heijastanevat ikäsidonnaista keskushermoston kehitysprosessia ja voivat olla osa samasta pitkittäisestä oirekokonaisuudesta.

Abstract For decades, the mammalian kidney has served as a model system for studying developmental processes, such as induced epithelialization, branching morphogenesis, and cell differentiations. The possibility to recapitulate and follow the renal organogenesis ex vivo in organ culture set-ups has provided a large amount of molecular and cellular information about sequential events during development. However, certain limitations remain when combining traditional organ culture set-ups with modern molecular technology. This thesis seeks to address these disadvantages. In the experimental part of the thesis, the traditional organ culture set-ups were studied, modified, and optimized to meet the needs of functional genetic screening. First, the traditional transfilter- induced nephrogenesis was characterized with a panel of nephron segment specific markers to reveal the differentiation level of in vitro developing mouse renal tissue. A comprehensive genome wide time course microarray analysis was also performed to in vitro- induced metanephric mesenchyme. Next, to improve the accessibility of genetic tools into the three- dimensional organ in culture, the classic kidney culture set-ups were modified to tolerate dissociation and re-aggregation before the induction of nephrogenesis. This step was achieved with the aid of preservative growth factors offering a 24- hour window to manipulate the genetic and cellular composition of the explant. The dissociation and re-aggregation per se had not particular effect on the progress of the nephron differentiation. Demonstrations of the addition and removal of cells, as well as a virus vector mediated gene knock in and knock down are presented. The gene expression data, together with the novel organ manipulation and culture techniques presented in this thesis, provide a useful guide and specific tools to further characterize the details of nephron development and differentiation in functional manner. / Tiivistelmä Nisäkkäiden munuainen on toiminut vuosikymmeniä mallielimenä tutkittaessa kehitysbiologisia tapahtumasarjoja, kuten epitelisaatiota, haaroittumismorfologiaa sekä solujen erilaistumista. Munuaisaihioita voidaan viljellä laboratorio-olosuhteissa, jolloin kehityksen aikaisia muutoksia päästään seuraamaan lähes reaaliaikaisesti. Perinteisten kudosviljelytekniikoiden tarjoamat mahdollisuudet solujen molekulaariseen muokkaukseen ovat kuitenkin varsin rajalliset. Tässä väitöskirjassa esitettävät tulokset pyrkivät osaltaan vähentämään näitä rajoitteita. Väitöskirjan kokeellisessa osassa tarkastellaan lähemmin klassista munuaiskudosviljelyä sekä esitetään siihen tehtyjä optimointeja, joiden avulla kudosviljelyä pyritään hyödyntämään geenien toiminnan tutkimuksessa. Aluksi perinteisellä tavalla reikäisen kalvon läpi indusoitu nefroni karakterisoitiin tarkasti hyödyntäen useita erilaistumista osoittavia merkkimolekyylejä. Lisäksi samalla tekniikalla tuotettujen munuaiskudosviljelmien geeniekspressiota tutkittiin mikrosiruanalyysillä. Klassisia kudosviljelytekniikoita muokattiin soveltuvammaksi moderneille geneettisille työkaluille. Munuaiskudos hajotettiin ensin solususpensioksi, jonka jälkeen solut muodostivat uudelleen kolmiulotteisen, kudosmaisen rakenteen. Hyödyntämällä suojaavia kasvutekijöitä, hajotus kyettiin tekemään jo ennen nefronien muodostumisen alkua. Näin saavutettin 24 tunnin aikaikkuna indusoimattoman kudoksen geneettiselle muokkaukselle. Väitöskirjassa esitelläänkin demonsrtaatiot solujen lisäämisestä ja poistamisesta sekä virusvälitteisestä geenin aktivoinnista ja hiljennyksestä hyödyntäen uutta kudosmanipulaatio ja –vilejelytekniikkaa. Nefronin kehityksen aikaisen geeniekspression kartoitus sekä tässä tutkimuksessa kehitetyt uudet kudosmanipulaatio ja -viljelytekniikat tarjoavat yhdessä työkaluja molekyylitason yksityiskohtaiseen tutkimiseen.

Abstract Schizophrenia is a complex mental health disorder and its etiology can be investigated based on different theoretical prerequisites. The present thesis examines schizophrenia from the neurodevelopmental and psychosis continuum perspectives. Neurodevelopmental theories of schizophrenia see abnormalities in the developing nervous system as early predictors of vulnerability to the disease. Schizophrenia can be seen also as a progressive disorder and a continuum of symptomatology from personality traits (schizotypy) to full-blown schizophrenia. The aim of the present thesis is to study incidence of schizophrenia; prevalence of schizotypy; and associations between schizophrenia and schizotypy with early motor developmental milestones. The research design includes prospective cohort studies and systematic review, and meta-analysis. In two successive Northern Finland Birth Cohorts (NFBC) studies, 20 years apart (1966 and 1986), the incidence of schizophrenia remained the same, but the incidence of other psychoses and therefore all psychoses was higher in NFBC 1986. In NFBC 1966, mean schizotypy scores were among the lowest and the highest scores among 24 general population studies. When early motor developmental milestones were investigated in the meta-analyses (3 to 5 studies), a significant small effect size for walking, sitting, and standing unsupported was found with respect to adult schizophrenia. When schizotypy outcome was studied in the NFBC 1966, later achievement of turning from back to tummy, touching thumb with index finger, standing up, sitting unsupported, and walking with support were found to be associated with an increase in schizotypy scales and varied somewhat by gender. To conclude, there have been changes in the incidence of all psychoses but not in schizophrenia between the two NFBCs. This is in line with other studies on the trends of incidence of psychoses, which highlights the role of changes in diagnostic systems and practices that can influence rates. In this project, mean schizotypy scores were both among the highest and the lowest estimates in the studies on schizotypy in the general population. Early motor developmental milestones were both predictors of schizophrenia and schizotypy, and thus this finding supports both the neurodevelopmental and psychosis continuum approaches to the aetiology of schizophrenia. / Tiivistelmä Skitsofrenia on monimuotoinen mielenterveyden häiriö, jonka etiologiaa voidaan tutkia erilaisissa teoreettisissa viitekehyksissä. Tämä väitöskirja tutkii skitsofreniaa neurologisen kehityksen ja psykoosin jatkumon näkökulmista. Skitsofrenian neurokehitykselliset teoriat pitävät kehittyvän keskushermoston poikkeavuuksia varhaisina skitsofrenian alttiuden ennustajina. Skitsofreniaa voidaan pitää myös progressiivisena sairautena ja oireiden jatkumona persoonallisuuden piirteistä (skitsotypaalisuudesta) täysimittaiseen skitsofreniaan. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena on tutkia skitsofrenian ilmaantuvuutta, skitsotypaalisten piirteiden yleisyyttä ja skitsofrenian ja skitsotypaalisten piirteiden yhteyttä varhaiseen motoriseen kehitykseen. Tutkimusasetelmina ovat prospektiiviset syntymäkohortit, systemaattinen katsaus ja meta-analyysi. Kahdessa peräkkäisessä 20 vuoden välein kerätyssä Pohjois-Suomen syntymäkohortissa (1966 ja 1986) skitsofrenian ilmaantuvuus pysyi samana, mutta muiden psykoosien ja siten kaikkien psykoosien ilmaantuvuudet olivat korkeampia vuoden 1986 syntymäkohortissa. Vuoden 1966 syntymäkohortissa negatiivisen skitsotypaalisuuden piirteet olivat korkeita ja positiivisen skitsotypaalisuuden piirteet alhaisia verrattuna 24 muuhun väestöaineistoon. Varhaisen motorisen kehityksen ja aikuisiän skitsofrenian välistä yhteyttä tutkittiin meta-analyysin (3–5 tutkimusta) avulla. Tilastollisesti merkitsevä pieni negatiivinen yhteys löytyi aikuisiän skitsofrenian ja kävelemään, istumaan ja seisomaan oppimisen välillä. Pohjois-Suomen vuoden 1966 syntymäkohortissa skitsotypaaliset piirteet liittyivät hitaampaan vatsalleen kääntymisen, peukalo-etusormi otteen, seisomisen, tuetta istumisen ja tuen kanssa kävelemisen oppimiseen. Näissä yhteyksissä oli vaihtelua tutkittavan sukupuolen mukaan. Yhteenvetona voidaan todeta, että psykoosien ilmaantuvuus on kasvanut Pohjois-Suomen syntymäkohorteissa, mutta skitsofrenian ei. Tämä on linjassa aikaisempien tutkimusten kanssa. On kuitenkin huomioitava myös diagnostisten järjestelmien ja käytäntöjen merkitys näiden muutosten arvioimisessa. Varhainen motorinen kehitys ennusti sekä skitsofreniaa että skitsotypaalisia piirteitä. Havainto tukee sekä neurokehityksellistä että psykoosin jatkumoon liittyvää lähestymistapaa skitsofrenian etiologiassa.

Diss. Helsingin yliopisto, 2006. / Myös verkkojulkaisuna.

Abstract Kidney diseases affect an increasing number of people worldwide, and there is a growing demand to develop new treatments and increase the number of transplantable organs. New treatments can be designed when new knowledge is gained by studying the details of kidney development. The ex vivo culture techniques have been used for over a century to study the development of kidneys, but they are not optimal for long-term imaging and following the nephrogenesis process over time. Kidney organoids, which are cellular aggregates resembling the in vivo kidney, together with intact embryonic kidneys, present a platform for these studies. However, there are limitations when working with primary embryonic kidney cells. Primary embryonic metanephric mesenchymal cells are usually low in number and lose the ability to undergo nephrogenesis rapidly. New ways to culture, biobank, and transfect cells can offer ways for functional testing of the effects of different genes on the nephrogenesis. This study presents new tools for studying nephrogenesis. Time-lapse imaging of organ development may be enhanced by using a Fixed Z-direction (FiZD) culture system where the kidney explant is grown in a restricted 70μm space. The technique enables the segmentation of the individual cells in a two-dimensional image and a dynamic analysis of the time-lapse data. This study also presents a technique of dissociation and reaggregation of the uninduced kidney metanephric mesenchyme (MM). With this novel method of culturing the dissociated MM cells in a growth factor medium for 24 hours, the cells can keep their competence for nephrogenesis. This technique allows the genetic manipulation of the MM cells before the induction to form nephrons, allowing functional testing of genes in the metanephric mesenchyme. This study further presents different techniques for gene editing of MM cells and introduces biobanking of primary kidney cells. It is shown here that the MM and ureteric bud (UB) cells have the capability to remember their fates and build nephron-like structures or continue branching after the cryopreservation in the liquid nitrogen. The methods introduced here provide new ways to create kidney organoids, manipulate their genome, and biobank the primary embryonic kidney cells. The developed FiZD culture system enhances the imaging of kidney development compared to the previously used culture methods. Using this method, the morphogenesis of the developing kidney can be followed more precisely, even in a single cell level. This culture method may also be used to culturing other organs, such as ovary, and may help provide insights into the development of other tissues as well. / Tiivistelmä Munuaissairauksiin sairastuvien määrä on lisääntynyt maailmanlaajuisesti, ja se on aikaansaanut tarpeen uusien hoitokeinojen sekä siirtoelimien kehitykseen. Näiden kehittämiseksi tarvitsemme uutta tietoa munuaisen kehityksestä ja toiminnasta. Munuaisen kehitystä on tutkittu ex vivo -viljelyn avulla jo yli vuosisadan ajan, mutta nykyiset elinviljelytekniikat eivät ole kuitenkaan optimaalisia pitkäkestoiseen time-lapse-kuvaukseen. Tässä työssä käytetään munuaisen kehityksen tutkimiseen hiiren alkion munuaisia sekä munuaisorganoideja, jotka ovat munuaissoluista koostuvia ja aitoa munuaista mallintavia soluaggregaatteja. Primaaristen munuaissolujen käyttöön sisältyy rajoitteita, ja tämä luo tarpeen uusien organoiditekniikoiden kehitykseen ja optimointiin. Primaarisia munuaissoluja on yleensä käytettävissä pieniä määriä, ja ne eivät myöskään sovellu pitkäkestoiseen kasvatukseen, koska ne menettävät nopeasti kykynsä muodostaa nefroneita. Uusien tekniikoiden avulla voidaan parantaa näiden solujen kasvatusta, säilytystä ja transfektointia ja edistää eri geenien vaikutuksia tutkivat funktionaaliset testaukset. Tässä tutkimuksessa esitetään uusia työkaluja nefrogeneesin tutkimiseen. Elinten kehitystä seuraavan time-lapse-kuvauksen laatua voidaan parantaa käyttämällä tässä työssä esitettyä FiZD-kasvatusmenetelmää, jossa munuaiseksplantti kasvaa rajoitetussa 70μm:n tilassa. Kuvat ovat korkealaatuisia, ja se mahdollistaa 2D-kuvan yksittäisten solujen segmentoinnin ja solujen liikkeiden dynaamisen analyysin. Lisäksi tässä tutkimuksessa esitetään ei-indusoidun munuaismesenkyymin käsittelyyn kehitetty dissosiaatio- ja reaggregaatiomenetelmä. Munuaisen kehityksen alkuvaiheessa on mahdollistaerottaa nefroneja muodostava metanefrinen mesenkyymi (MM) sekä munuaisen kokoajaputkiston muodostava ureterin silmu. Metanefrinen mesenkyymi voidaan hajottaa yksisolususpensioksi, säilyttää 24 tuntia kasvutekijämediumissa ja tämän jälkeen reaggregoida ja indusoida muodostamaan nefroneita. Tämä tekniikka mahdollistaa MM-solujen geneettisen muokkauksen, ennen kuin munuaisen kehitys alkaa. Tämä tekniikka mahdollistaa myös dissosioitujen MM solujen geneettiset muokkaukset. Geenien yliekspression tai hiljentämisen avulla voidaan tehdä funktionaalisia kokeita näiden muutosten vaikutuksesta nefrogeneesiin. Lisäksi tässä työssä esitetään munuaisprogenitorisolujen säilömistä syväjäädytyksellä. Munuaisprogenitorisolut voidaan säilöä nestetyppeen, minkä jälkeen ne ovat edelleen kykeneviä muodostamaan nefronirakenteita tai haarautumaan. Tässä väitöskirjatyössä esitettyjen menetelmien avulla on tulevaisuudessa mahdollista saada lisätietoa munuaisten kehitysprosessista. Kehitetty FiZD-kasvatusmenetelmä parantaa munuaisen kehityksen kuvantamista ja mahdollistaa yksittäisten solujen seuraamisen. Tämä kasvatusmenetelmä sopii myös muiden elinten, kuten munarauhasten, ja kudosten kasvatukseen, ja sen avulla voidaan saada tietoa myös niiden kehityksestä.

Abstract Limited oil resources, environmental concerns and legislation promoting renewable energy and restricting carbon dioxide emissions have increased biofuel production in recent years. Other alternatives besides bioethanol and biodiesel are also needed to fulfil the continuously increasing transportation fuel demand. Production processes should be material, energy and resource efficient and sustainable, i.e. causing as low negative economic, environmental and social impacts as possible. There are still some limitations and development areas to be solved before feasible industrial biofuels and biochemicals production processes are obtained. The production of biobutanol and bioethanol was studied in this work. Production processes, challenges and improvement requirements were considered especially in the case of the Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) fermentation process. In addition, the sustainability assessment of biofuels production was discussed and an indicator-based approach to sustainability evaluation for different raw materials was used. Pervaporation as a product removal and purification method was experimentally studied. Two different applications were tested: a hydrophobic composite membrane with polydimethyl siloxane and polyacrylonitrile layers was used for the separation of acetone, n-butanol and ethanol from dilute aqueous solutions on a laboratory scale, and a hydrophilic polyvinyl alcohol membrane was applied for the dehydration of bioethanol at a pilot-scale. Results indicated that pervaporation can be used as a separation technique in biofuels production processes. New knowledge obtained during the research also promotes the efficient and sustainable production of biofuels and biochemicals and the development of industrial-scale applications. / Tiivistelmä Rajalliset öljyvarannot, huoli ympäristöstä sekä uusiutuvaa energiaa tukeva ja hiilidioksidipäästöjä rajoittava lainsäädäntö ovat lisänneet biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien valmistusta ja käyttöä viime vuosina. Jatkuvasti kasvavan polttoainetarpeen täyttämiseksi tarvitaan myös muita vaihtoehtoja nykyisin käytössä olevien bioetanolin ja -dieselin lisäksi. Tuotantoprosessien tulisi olla materiaali-, energia- ja kustannustehokkaita sekä kestäviä aiheuttaen mahdollisimman vähän haitallisia taloudellisia, sosiaalisia ja ympäristöllisiä vaikutuksia. Biokemiallisissa, käymisen avulla tapahtuvissa polttoaineiden valmistusprosesseissa on kuitenkin vielä rajoitteita ja kehitystarpeita, jotka tulee ratkaista kannattavan teollisen mittakaavan tuotannon mahdollistamiseksi. Tässä työssä tutkittiin biopolttoaineiden, erityisesti biobutanolin ja -etanolin, valmistusta. Tuotantoprosesseja on esitelty työssä haasteiden ja kehitystarpeiden näkökulmasta. Lisäksi on käsitelty biopolttoaineiden tuotannon kestävyyden arviointia ja osoitettiin tapa verrata eri raaka-aineiden kestävyyttä valittujen indikaattoreiden avulla. Työn kokeellisessa osuudessa tutkittiin pervaporaatiota tuotteiden (asetoni, n-butanoli, etanoli) erotuksessa ja puhdistuksessa. Kahta eri sovellusta testattiin: hybrofobista polydimetyylisiloksaani- ja polyakrylonitriili-kerroksista koostuvaa komposiittikalvoa käytettiin asetonin, n-butanolin ja etanolin erottamiseen erilaisista vesiliuoksista laboratoriomittakaavan laitteistolla sekä hydrofiilistä, polyvinyylialkoholi-kalvoa bioetanolin vedenpoistoon pilot-mittakaavassa. Lisäksi testattiin aktiivihiilisuodatuksen käyttöä bioetanolin esipuhdistuksessa haitallisten komponenttien osalta ennen pervaporaatiota. Koetulokset osoittavat, että pervaporaatiota voidaan käyttää biopolttoaine-sovellusten erotusmenetelmänä. Tutkimuksen aikana saatu uusi tieto edistää biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien tehokasta ja kestävää tuotantoa ja kehitystä kohti teollisen mittakaavan sovelluksia.

Diss. -- Helsingin yliopisto. / Myös verkkojulkaisuna.