Abstract Persistent organic pollutants (POPs) are ubiquitous and bioaccumulative man-made chemicals, resistant to chemical, biological and photolytic degradation and widely distributed to sediments, wildlife, and human. Many of these chemicals have adverse effects on a variety of targets, including the endocrine system, organogenesis and reproduction. Due to these effects and wide distribution, many of them are either banned or strictly controlled. However, because of persistency, they continue to interact with organisms globally. Despite the existing knowledge of the adverse effects of POPs, the effects of many chemicals on bone tissue are still poorly known. In the present study, we investigated the adverse effects of three common POPs, including tributyltin (TBT), 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) and perfluorooctanoic acid (PFOA) on the skeletal system. In vitro models were used to study the effects of PFOA in mouse and in human, and the co-effects of TBT and TCDD on differentiating osteoblasts and osteoclasts of mice. An in vivo model for mice was used to study the developmental effects of maternal PFOA-exposure on pups among with morphometrical and biomechanical property analyses. Mass-spectrometry was used to study the presence of PFOA in bones both in mice and in human, the latter acquired from the bone bank held in the Oulu University Hospital, Finland. The bones were also analyzed with cone beam computer tomography and microcomputer tomography. The results show that PFOA exposure in utero and during lactation leads to the accumulation of PFOA in bone, traceable even 17 months after exposure. PFOA exposure decreased the mineral density of the tibias and increased the medullary area. Nearly all of the human samples contained PFAS, including PFOA. PFOA also disturbed the differentiation of osteoblasts and with lower doses, increased bone resorption of osteoclasts both in mouse and human, the phenomenon being slightly stronger in mice. Co-exposure to TBT and TCDD led to decreased differentiation of osteoblasts and osteoclast, and the co-effect was partially synergistic in osteoblasts. These results show disruption of bone development, bone cell differentiation, and PFAS accumulation in bone. Further studies are recommended to evaluate the co-effects of different POPs and the possible effects of long-term accumulation of POPs in bone and other tissues. / Tiivistelmä Pysyvät orgaaniset ympäristömyrkyt (POP-yhdisteet) ovat kemikaaleja, jotka ovat levinneet ihmisen toiminnan seurauksena laajalle ympäristöön, sen eliöihin ja ihmisiin. Monilla POP-yhdisteillä on haitallisia vaikutuksia esimerkiksi hormonaaliseen toimintaan, elinten muodostukseen ja hedelmällisyyteen. Toksisten vaikutusten ja niiden yleisyyden vuoksi monien POP-yhdisteiden käyttö on joko rajattua tai kielletty kokonaan. Laajan levinneisyytensä ja hitaan puoliintumisaikansa takia POP-yhdisteet ovat kuitenkin edelleen vuorovaikutuksessa ympäristön ja sen eliöiden kanssa. POP-yhdisteiden luustovaikutuksista tiedetään edelleen vähän. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kolmen yleisen POP-yhdisteen, tributyylitinan (TBT), 2,3,7,8-tetraklooridibentso-p-dioksiinin (TCDD) ja perfluoro-oktaanihapon (PFOA), vaikutuksia luustoon. PFOA:n vaikutuksia hiiren ja ihmisen luustoon sekä TBT:n ja TCDD:n yhteisvaikutuksia hiiren erilaistuvien osteoblastien ja osteoklastien suhteen selvitettiin in vitro -malleilla. In vivo -mallilla tutkittiin hiiriemon PFOA-altistuksen vaikutusta syntyvien poikasten luuston kehitykseen ja remodelaatioon analysoimalla poikkileikekuvia sekä luiden biomekaanisia ominaisuuksia. Lisäksi luiden PFOA-pitoisuudet mitattiin massaspektrometrilla. Tutkimusta laajennettiin ihmiseen analysoimalla Oulun yliopistollisen sairaalan luupankkinäytteitä. Ihmisnäytteet analysoitiin myös kartiokeila-TT:n ja mikro-TT:n avulla. Tulosten mukaan PFOA kertyy luuhun; hiiriltä voitiin mitata PFOA-pitoisuuksia jopa 17 kuukautta altistumisen jälkeen. Lisäksi PFOA-altistus pienensi luun mineraalitiheyttä ja kasvatti luuydinontelon tilavuutta. Lähes kaikki ihmisluunäytteet sisälsivät PFOA:ta ja muita PFAS-yhdisteitä. Solukokeiden perusteella PFOA-altistus häiritsee osteoblastien erilaistumista ja pienillä pitoisuuksilla lisää osteoklastien luunhajotusta sekä hiirellä että ihmisellä. TBT:n ja TCDD:n yhteisaltistus vaikuttaa puolestaan vähentävän sekä osteoblastien että osteoklastien erilaistumista ja toimintaa; osteoblastien osalta yhteisvaikutus oli osaksi synergistinen. Väitöskirja antaa lisätietoa POP-yhdisteiden vaikutuksista luun kehitykseen ja luusolujen erilaistumiseen sekä PFAS-yhdisteiden kertymisestä luuhun. Väitöksessä myös suositellaan lisätutkimuksia yhdisteiden yhteisvaikutuksista sekä pitkän aikavälin ympäristökemikaalikertymän vaikutuksista luussa ja muissa kudoksissa.

Abstract Salla disease (SD) is a rare lysosomal storage disorder, belonging to the Finnish disease heritage. The condition leads to intellectual disabilities. Two main categories of the disease have been identified – a conventional subtype and a severe subtype. The gene locus of SD has been assigned to a restricted region on the long arm of chromosome 6. The gene SLC17A5 is responsible for lysosomal-membrane sialic acid transport. The objective of this study was to describe the neurocognitive developmental spectrum of SD in a long follow-up study. In the original study (1997–1999), the sample consisted of 41 Finnish patients with Salla disease. They were examined by a paediatric neurologist, a psychologist and a speech therapist. The follow-up study (2010–2012) concerned of 27 (66%) patients from the original SD patient sample. The study included neurological and neuropsychological investigations. A case study of a mildly affected female patient was also reported. In the first study, the typical neurocognitive profile of SD was outlined and the different phenotypes confirmed. The neurocognitive profile of SD consisted of a strong motor handicap, but also well-developed skills in verbal comprehension and interaction. In the follow-up study, the main finding was that the verbal skills related to comprehension did not diminish over time. However, the skills that demanded productive speech were worsened by both dyspraxia and dysarthria, markers of dysfunction of the cerebellum. The neurocognitive and neurological status of the mildly affected female patient remained stable during the long follow-up time. In addition the MRI findings revealed mild dysfunction. The results indicate that the neurocognitive deficits related to SD are clear in childhood, but the illness does not have a rapid progressive nature after teenage years. The motor handicap is strong but the cognitive skills related to verbal comprehension, and interactive skills, do not deteriorate in adulthood. Four different neurodevelopmental periods can be outlined. / Tiivistelmä Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kuvata Sallan tautiin liittyvä neurokognitiivisen kehityksen kulku pitkän seurantatutkimuksen aikana. Sallan tauti, erittäin harvinainen lysosomaalinen kertymäsairaus, kuuluu suomalaiseen tautiperimään. Nämä perinnölliset sairaudet ovat Suomessa yleisempiä kuin muissa maissa. Sallan tauti etenee älylliseen kehitysvammaisuuteen. Kaksi taudin päätyyppiä, tavanomainen ja vakava-asteinen fenotyyppi, on tunnistettu. Sallan taudin aiheuttavan geenin sijainti on paikallistettu kromosomiin 6. SLC17A5-geeni vastaa sialihapon kuljetuksesta solujen lysosomeissa. Ensimmäisen tutkimuksen (1997–1999) aineisto koostui 41 suomalaisesta Sallan tautia sairastavasta potilaasta. Neurologi, psykologi sekä puheterapeutti tutkivat jokaisen potilaan. Seuranta-aineisto (2010–2012) koostui 27 (66 %) potilaasta. Tutkimukseen kuului neurologin sekä neuropsykologin tutkimus. Lieväoireisen naispotilaan kehityskulku julkaistiin erillisenä tapaustutkimuksena. Ensimmäisessä tutkimuksessa selvitettiin Sallan taudille ominainen neurokognitiivinen profiili, lisäksi vahvistettiin kahden eri fenotyypin olemassaolo. Neurokognitiivisiin tyyppioireisiin kuuluivat vahvat motoriset defektit, mutta toisaalta hyvin kehittyneet kielelliset taidot puheen ymmärtämisen osalta. Myös vuorovaikutustaidot olivat vahvat. Seurantatutkimuksen päätulos oli puheen ymmärtämisen taitojen säilyminen taudin edetessä. Puheen tuottamiseen liittyvien vaikeuksien osalta sekä dyspraksia että dysartria heikensivät kielellistä toimintakykyä. Nämä kielelliset defektit liittyvät pikkuaivojen toimintahäiriöihin. Lieväoireisen naispotilaan neurologiset ja neurokognitiiviset löydökset eivät olleet edenneet pitkän seurantatutkimuksen aikana. Myös aivojen kuvantamistutkimuksen tulokset olivat lievät. Sallan tautiin liittyvät neurokognitiiviset muutokset ovat selkeät lapsuusiässä, mutta sairauden luonne aikuisiällä ei ole nopeasti etenevä. Motorisen toimintakyvyn defektit ovat vahvat, mutta kielellisen ymmärtämisen ja vuorovaikutuksen taidot eivät heikkene aikuisilla potilailla. Taudista voidaan erotella neljä erilaista kehityksellistä vaihetta.