Abstract Bone remodelling occurs in humans throughout life, therefore bone is continuously renewed to better respond to changes in weightbearing circumstances. Bone remodelling is extremely vulnerable during fracture healing and integration of prostheses into the surrounding bone. Bone remodelling is a complex system in which many growth factors, cytokines and enzymes, which are essential for the differentiation of osteoblasts and osteoclasts, are involved. Some widely used drugs can affect this sensitive system of remodellation in unexpected manner. Painkillers such as cyclooxygenase (COX) inhibitors have been demonstrated in animal studies to interfere with fracture healing and a few retrospective clinical studies confirm these observations. Bisphosphonates (BP), main target of which is the bone resorbing osteoclast, have been suggested to be the drug of choice to improve periprosthetic bone density and thus prevent aseptic loosening of implants. The exact mechanism of action of clodronate (CLO), a non-amino-BP, which was selected for the study, has not been clarified thus far. In order to gain a deeper understanding of the role of the COX enzyme in the differentiation of osteoblasts we studied human mesenchymal stem cell (hMSC) cultures in the presence of different COX-inhibitors; indomethacine, parecoxib and NS398, a specific COX-2 inhibitor. We used the liposome encapsulated CLO metabolite (AppCCl2p) to study in detail the mechanism of BP induced apoptosis in osteoclast. The effects of different BPs CLO, pamidronate (PAM) and zoledronic acid (ZOL), on the differentiation of osteoblasts and osteoclasts were tested in vitro. The optimal concentration for in situ CLO rinsing in clinical study was found. Finally, the effects of in situ and per oral CLO on the periimplant bone density and integration of prostheses were studied in vivo. All tested COX-inhibitors significantly inhibited osteoblast differentiation from hMSCs and stimulated the differentiation of adipocytes. It was also demonstrated that AppCCl2p inhibits mitochondrial function by a mechanism that involves competitive inhibition of ADP/ATP translocase. In the comparison of BPs, ZOL seemed to posses the properties of both non-amino- and amino-BPs and it thus belongs to a new class of BPs. Peroral and in situ CLO seemed to have different mechanisms of action. Peroral CLO delayed the integration of prosthesis to the bone and increased peri-implant osteolysis while is situ CLO accelerated integration. In conclusion, we can alter normal bone remodellation during fracture healing and prosthesis integration. On the other hand, we can also improve the circumstances for the integration of implant to the surrounding bone by in situ BP rinsing, thus creating a better environment for bone ingrowth. / Tiivistelmä Läpi elämän luustossa tapahtuu uudelleenmuotoutumista, remodelaatiota, jonka seurauksena luu pystyy paremmin vastaamaan muuttuneisiin kuormitusolosuhteisiin. Remodelaatioprosessi on hyvin haavoittuvainen murtuman luutumisen aikana sekä proteesin kiinnittyessä ympäröivään luuhun. Luun remodelaatioon osallistuvat kasvutekijät, sytokiinit ja entsyymit, jotka puolestaan ovat välttämättömiä osteoblastien ja osteoklastien erilaistumiselle. Monet lääkeaineet voivat yllättävällä tavalla vahingoittaa tätä herkkää remodelaatiosysteemiä. Kipulääkkeet, kuten syklo-oksygenaasi (COX) estäjät, voivat häiritä murtuman luutumista aikaisempien eläintöiden ja muutamien retrospektiivisten potilastutkimusten mukaan. Lisäksi bisfosfonaatit, joiden päävaikutuskohde on luuta hajoittava osteoklasti, voisivat olla lupaavia lääkkeitä myös parantamaan proteesia ympäröivän luun laatua ja siten estämään aseptista implantin irtoamista. Tutkimuksen yhtenä tarkoituksena oli selvittää klodronaatin, ensimmäisen polven typpi-ryhmää sisältämättömän bisfosfonaatin tarkka vaikutusmekanismi. Viljelemällä ihmisen luuytimen kantasoluja indometasiinia, parekoksibia tai spesifistä COX-2 estäjää NS 398:a, sisältävässä kasvatusliuoksessa selvitettiin COX-entsyymin merkitys osteoblastien erilaistumiselle. Liposomien sisälle pakattua klodronaatin metaboliittia (AppCCl2p) käytettiin tutkittaessa millä vaikutusmekanismilla klodronaatti aiheuttaa osteoklastien apoptoosin. Bisfosfonaattien; klodronaatin, pamidronaatin ja tsoledronaatin vaikutusta osteoklastien ja osteoblastien erilaistumiseen tutkittiin soluviljelmämallissa ja määritettiin kliinisessä potilastyössä paikallisesti käytettävän klodronaattiliuoksen pitoisuus. Lopuksi potilastyössä selvitettiin paikallisen klodronaattihuuhtelun ja suun kautta annostellun klodronaatin vaikutus proteesia ympäröivän luun tiheyteen ja proteesin kiinnittymiseen ympäristöönsä. Tutkimukseen valitut COX-estäjät vähensivät ihmisen kantasolujen erilaistumista osteoblasteiksi ja lisäsivät erilaistumista rasvasoluiksi. Lisäksi todettiin, että AppCCl2p estää mitokondrioissa tapahtuvaa hengitystä estämällä ADP/ATP-vaihtajan toiminnan, saaden aikaan solukuoleman. Vertailtaessa bisfosfonaatteja, tsoledronaatilla vaikutti olevan sekä ensimmäisen, että kolmannen polven (sisältää typpi-ryhmän) bispfosfonaattien vaikutuksia, joten tsoledronaatti kuuluu aivan uuteen bisfosfonaattiryhmään. Potilastutkimuksessa suun kautta ja paikallisesti reisiluun ytimeen annostellulla klodronaatilla oli täysin erilainen vaikutus. Suun kautta syötynä klodronaatti hidasti proteesin kiinnittymistä ja aiheutti osteolyysiä. Sen sijaan paikallinen klodronaatti nopeutti merkittävästi proteesin kiinnittymistä ympäröivään luuhun. Näiden tutkimustulosten perusteella voidaan olettaa, että COX-estäjät, samoin kuin peroraalinen bisfosfonaatti, voivat tahattomasti häiritä luun remodelaatiota.

Abstract The aim of the deinking process is to produce deinked pulp from recovered papers (RCPs) with sufficient brightness and cleanliness to fulfil the quality requirements set by the paper grade to be produced. Due to the excessive production costs and material losses of modern deinking processes, there is a need to simplify deinking lines. A prerequisite for this action is that ink content bound to fibres, dirt content and ink fragmentation are minimised in the pulping stage. Thus, it is important to recognise the factors affecting ink behaviour in pulping, to search for new ways to improve ink detachment from RCPs in pulping and to search pulping methods that could efficiently process RCPs printed with various inks. The aim of this thesis was to obtain new information on how the environmental conditions that prevail during the storage and transportation of RCPs affect ink behaviour in subsequent pulping and to find out whether there is further potential to decrease ink content bound to fibres, not only by treating recovered papers chemically before the actual pulping process, but also by removing the detached ink particles during the pulping process. The results show that if some RCPs are very moist and exposed to high temperatures for a reasonable time before the pulping process, the problems in releasing ink from the fibres in pulping become more pronounced and the pulp is dirtier compared to pulp from RCPs that are thermally aged but dry. Properly wetting some RCPs with conventional alkaline deinking chemicals in suitable conditions ahead of the pulping process reduces the ink content that remains bound to the fibres after the pulping process. The efficiency of the pre-wetting treatment in aiding ink detachment from fibres in subsequent pulping is highly dependent on the alkalinity, temperature and duration of the treatment. Semi-continuous ink removal during the pulping process offers the possibility to continue defibering, ink detachment from fibres and dirt fragmentation in pulping without fear of ink redeposition into or onto the fibres, thus resulting in fully disintegrated pulp with lower ink content bound to fibres than in conventional pulping. This enables efficiently simultaneous processing of, for example, papers printed with water-based inks and toners. / Tiivistelmä Siistausprosessin tavoitteena on tuottaa keräyspapereista valmistettua vaaleaa ja puhdasta massaa, jota voidaan käyttää uusien paperituotteiden valmistamiseen. Siistausprosesseja pyritään yksinkertaistamaan nykyisten monimutkaisten prosessien korkeiden tuotantokustannusten ja materiaalitappioiden vuoksi. Eräs edellytys siistausprosessien yksinkertaistamiselle on, että kuiduissa kiinni olevan musteen pitoisuus, massan likapitoisuus ja musteen liiallinen pilkkoutuminen minimoidaan siistausprosessin ensimmäisessä vaiheessa, pulpperoinnissa. Täten on tärkeää tunnistaa musteen käyttäytymiseen pulpperoinnissa vaikuttavat tekijät, etsiä uusia mahdollisuuksia parantaa musteen irrotusta keräyspapereista sekä kehittää pulpperointimenetelmiä, joilla voitaisiin prosessoida tehokkaasti eri painomenetelmillä painettuja papereita. Tämän työn tavoitteena oli saada uutta tietoa siitä miten ympäristöolosuhteet, joille keräyspaperit voivat altistua varastoinnin ja kuljetuksen aikana, vaikuttavat musteen käyttäytymiseen pulpperoinnissa. Lisäksi tavoitteena oli selvittää voitaisiinko kuituihin kiinni jääneen musteen pitoisuutta vähentää esiliottamalla keräyspapereita sopivissa kemiallisissa olosuhteissa ennen pulpperointia ja poistamalla irronneet mustepartikkelit massan seasta pulpperoinnin aikana. Tulokset osoittavat, että jos tietyt keräyspaperit ovat erittäin kosteita ja altistuvat korkealle lämpötilalle riittävän pitkän ajan ennen pulpperointia, tulee musteen irrottaminen kuiduista pulpperoinnissa vaikeammaksi ja tuotettu massa likaisemmaksi, kuin sellaisista keräyspapereista, jotka ovat altistuneet kuivina korkealle lämpötilalle. Kuituihin kiinnittyneen musteen pitoisuutta voidaan vähentää esiliottamalla tiettyjä keräyspapereita alkalisilla siistauskemikaaleilla sopivissa olosuhteissa ennen pulpperointia. Esiliotuksen kyky parantaa musteen irrotusta kuiduista pulpperoinnissa riippuu voimakkaasti esiliotusvaiheen alkalisuudesta, lämpötilasta ja kestosta. Kun irronneet mikroskooppiset mustepartikkelit poistetaan massasta useassa vaiheessa pulpperoinnin aikana, voidaan paperin kuidutusta, musteen irrottamista kuiduista ja likapilkkujen hajottamista jatkaa ilman että haitallista musteen takaisin kiinnittymistä kuituihin tapahtuu. Tämä mahdollistaa esimerkiksi vesipohjaisten musteiden ja lasertulosteiden samanaikaisen prosessoinnin.

Abstract Mammalian female sex development was considered a default developmental pathway. However, the deletion of the Wnt4 gene, a member of the Wnt family of secreted signals, was shown to reverse the sex of XX female mouse embryo and caused exhibition of certain male characteristics. This indicated that the female sexual development cannot be default but depends on active signaling and cell-cell interaction. The aim of the current study was to reveal the functional role of the Wnt4 gene in the control of sex determination, ovariogenesis and female sex duct formation. This study demonstrates that testosterone is produced by the ovary of Wnt4-deficient female embryos. The inhibition of androgen action by an antiandrogen, flutamide, during gestation leads to complete degeneration of the Wolffian ducts in 80% of the Wnt4 mutant females. This suggests that testosterone is the possible mediator of the masculinization phenotype in Wnt4-deficient females. Wnt4 is expressed by ovarian somatic cells, which are vital for the control of female germline development. This work has shown that Wnt4 is the factor maintaining germ cell cysts, cell-cell interaction and early follicular gene expression. In addition, the findings indicate a critical role for Wnt4/5a signaling in meiosis. Our research has proven that Wnt4 has roles during postnatal ovary development as its defective signaling leads to premature ovarian failure associated with diminished Amh levels, defective basement membrane and cell polarization. The Mullerian duct, the anlagen of oviduct, uterus and upper part of vagina, does not form in Wnt4-deficient females. This study indicates that Wnt4 is needed for migration initiation and maintenance during Mullerian duct formation prenatally. During the postnatal uterine differentiation Wnt4 is essential for endometrial gland formation. The present study provides new evidence for Wnt4 function during embryonic and adult female sexual differentiation. / Tiivistelmä Nisäkkäiden naaraspuolista kehitystä pidettiin aiemmin sukupuolisen erilaistumiskehityksen oletusarvona. Signaloivien proteiinien Wnt-perheeseen kuuluvan Wnt4-geenin puutteen todettiin kuitenkin johtavan XX naarasalkion sukupuolen kääntymisen koiraaksi sekä aiheuttavan tiettyjä koiraille ominaisia piirteitä. Tämä osoitti, ettei naaraspuolinen kehitys ole oletusarvo, vaan se riippuu aktiivisesta signaloinnista ja solujen välisestä interaktiosta. Tämän väitöstutkimuksen tarkoitus oli selvittää Wnt4-geenin roolia sukupuolen määräytymisessä, munasarjojen kehittymisessä sekä naaraan sukupuolitiehyitten muodostumisessa. Tutkimuksessa osoitettiin, että munasarjat tuottavat testosteronia niillä naaraspuolisilla alkioilla, joilta puuttuu Wnt4-geeni. 80 prosentilla naaraista, joilla on Wnt4-geenin puute, androgeenivaikutuksen esto raskauden aikana annettavalla antiandrogeenilla, flutamidilla, estää sukupuolen vaihtumisen fenotyypin. Tämä viittaa siihen, että testosteroni toimii mahdollisena koiraan fenotyypin välittäjänä naarailla, joilta puuttuu Wnt4-geeni. Wnt4 ilmentyy munasarjojen somaattisissa soluissa, jotka ovat tärkeitä naaraspuolisen ituradan kehityksen säätelyn kannalta. Väitöstutkimus osoittaa, että Wnt4 on itusoluryppäitä, solujen välistä interaktiota sekä varhaista follikkeligeeni-ilmentymistä ylläpitävä tekijä. Tulokset osoittavat myös, että Wnt4/5a -signaloinnilla on tärkeä rooli meioosissa. Tutkimus osoittaa lisäksi, että Wnt4 vaikuttaa munasarjojen kehitykseen myös syntymän jälkeen. Puutteellinen signalointi alentaa Anti-Müllerian hormonin tasoa, heikentää tyvikalvoa ja vähentää solujen polarisaatiota, joka johtaa ennenaikaiseen munasarjojen toiminnan hiipumiseen. Müllerin tiehyet, joista myöhemmin kehittyvät munanjohtimet, kohtu ja vaginan yläosa, jäävät kokonaan muodostumatta naarailla, joilta puuttuu Wnt4-geeni. Tulokset viittaavat siihen, että Wnt4 on tarpeen alkioaikaiseen Müllerin tiehyen muodostavien solujen liikkeellelähtöön ja ylläpitoon. Wnt4:llä on myös keskeinen rooli kohturauhasten muodostumisessa sukukypsyyden saavuttamisen aikana ja sen jälkeen.

Abstract Transgenic mice were used to evaluate the roles of collagens XV and XVIII in retinal vessel development and to examine the roles of collagen XV and laminin α4 in peripheral nerve development and function. Also, in vitro methods were used to study the functions of recombinant, full-length human collagen XV produced in insect cells. The lack of collagen XVIII alone was found to result in overproliferation of astrocytes in the mouse retina and deficient vascularization of the retina, which was ultimately rescued by the persistent hyaloid vessels. VEGF mRNA expression was appropriately regulated in the retina of the collagen XVIII deficient mice, which also showed reduced susceptibility to oxygen-induced neovascularization. Lack of collagen XV alone had no obvious effect on the mouse eye, but an abnormal migration of astrocytes onto the persistent hyaloid vessels could be seen in mice lacking both collagens XVIII and XV. Recombinant full-length human collagen XV was seen in rotary shadowing EM as an extended protein with numerous kinks and a globular domain at its N-terminus. The mean length of the molecules was 241 nm and they had a tendency to form aggregates. Collagen XV attaches to the collagen binding region of fibronectin and to a lesser extent to vitronectin and laminin. It was rapidly bound to cultured cells with a staining pattern co-localizing with fibronectin. Collagen XV was also found to inhibit the adhesion and migration of cells in vitro. Lack of collagen XV in mice was found to result in ultrastructural abnormalities in the sciatic nerves, such as polyaxonal myelination and more loosely packed C-fibres, mild impairment of BM assembly and mild motor dysfunction with a lower sensory nerve conduction velocity. Polyaxonal myelination and a failure in the segregation of axons were evident in laminin α4 null mice, which also had diminished amounts of C-fibres, BM abnormalities, diminished myelin and a greater myelin period compared with wild-type mice. They performed poorly in the round beam test and showed diminished compound muscle action potentials. A simultaneous lack of collagen XV and laminin α4 resulted in a permanent defect in the segregation of axons and C-fibre development. The performance of the double null mice on the round beam was poor relative to the other genotypes. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu kollageenien XV ja XVIII merkitystä silmän verkkokalvon verisuonituksen kehittymiselle sekä kollageeni XV:n ja laminiini α4:n merkitystä ääreishermon kehittymiselle ja toiminnalle käyttäen hyväksi muuntogeenisiä hiiriä. Lisäksi tässä työssä on käytetty in vitro –menetelmiä hyönteissoluissa yhdistelmä-DNA-tekniikalla tuotetun kollageeni XV:n toiminnan tutkimiseksi. Kollageeni XVIII:n puutteen todettiin johtavan verkkokalvon astrosyyttien määrän lisääntymiseen sekä verkkokalvon suonituksen kehittymiseen epänormaalilla tavalla lasiaissuonista, jotka eivät olleetkaan hävinneet kehityksen aikana. VEGF:n lähetti-RNA:n ilmentyminen oli asianmukaisesti säädelty eri verkkokalvon alueilla kollageeni XVIII:n suhteen poistogeenisillä hiirillä, joilla kehittyi myös vähemmän uudissuonia matalalle hapen osapaineelle altistamisen jälkeen. Kollageeni XV:n puute ei johtanut havaittaviin muutoksiin silmässä, mutta molempien kollageenien XV ja XVIII puuttuessa havaittiin silmässä epänormaalia astrosyyttien soluvaellusta lasiaissuonten päälle. Tässä väitöskirjatyössä osoitetaan, että yhdistelmä-DNA-tekniikalla tuotettu kokopitkä ihmisen kollageeni XV näytti elektronimikroskopiassa pitkältä molekyyliltä, jonka pituus oli keskimäärin 241 nm ja joka sitoutui helposti toisiin kollageeni XV -molekyyleihin. Kollageeni XV sitoutuu fibronektiinin kollageenia sitovaan osaan sekä vitronektiiniin ja laminiiniin. Viljeltyihin soluihin kollageeni XV sitoutui siten, että vasta-ainevärjäyksellä todettiin sen paikallistuvan samoille alueille fibronektiinin kanssa. Kollageeni XV:n todettiin myös vähentävän solujen kiinnittymistä ja liikkumista. Hiirissä kollageeni XV:n puutoksen todettiin johtavan iskiahermoissa polyaksonaaliseen myelinisaatioon, C-säikeiden lievään kehityshäiriöön, tyvikalvon koostumuksen häiriöön, lieviin motorisiin vaikeuksiin ja matalampaan tuntohermojen johtonopeuteen. Laminiini α4 –puutteisilla hiirillä oli todettavissa myös polyaksonaalista myelinisaatiota ja lisäksi häiriö aksonien erottelussa. Niiden hermoista löytyi myös tyvikalvon epämuodostumia, vähemmän myeliiniä ja C-säikeitä sekä suuremmat myeliinijaksot verrattuna villityypin hiiriin. Ne selviytyivät huonosti kävelytestissä ja niiden lihasten aktiopotentiaalit olivat pienemmät kuin kontrollihiirillä. Samanaikainen kollageeni XV:n ja laminiini α4:n puutos johti pysyvään aksonien erottelun ja C-säikeiden kehittymisen häiriöön. Kävelytestissä tuplapoistogeeniset hiiret selviytyivät huonoiten muihin genotyyppeihin verrattuna.