Abstract Acute pancreatitis is a common disease, Finland being among the countries with the highest incidence. The majority of patients have a mild, self-limiting disease. However, 20% of these patients develop severe necrotizing pancreatitis with a mortality rate of 7 to 25%. The mechanisms for developing the severe disease are not known, it is not possible to accurately forecast the severity of the disease and there is no curative treatment yet. This study was aimed at analyzing the early phase of acute experimental porcine oedematous and necrotizing pancreatitis. In Study I, the pancreatic microcirculatory changes were measured and the expression of tight junction proteins (claudins-2, -3, -4, -5 and -7) and the rate of apoptosis in the pancreas were all measured. In Study II, bacterial translocation to the blood in the portal vein blood or to the mesenteric lymph nodes was analyzed and the intestinal expression of tight junction proteins (claudins-2, -3, -4, -5 and -7) and the intestinal apoptosis/ proliferation rates were measured. The basic histology of the jejunum and colon were analyzed. Study III analyzed which cytokines are released from the pancreas to the portal venous blood. In Study IV, the ultrastructure of the epithelium of the jejunum and colon was analyzed and the expression of adherens junction proteins, E-cadherin and β-catenin, were measured from both jejunum and colon. The first study (I) showed that membranous immunoreactivity of claudin-2 in acinar cells appeared in the pancreas during acute oedematous and necrotizing pancreatitis. The expressions of claudins -3, - 4, - 5 and 7 were unaffected. The second study (II) showed that bacterial translocation from the gut was not present at the beginning of acute porcine pancreatitis. The expressions of claudins-2 and -5 do not become altered; however, there might be some decrease in claudin-3 expression in the colon and decrease in the expression of claudins-4 and -7 in the jejunum in necrotizing pancreatitis. Performing the laparotomy itself caused increased apoptosis in the colon and the jejunum. In the third study (III), the initial inflammatory process was diverse in oedematous and necrotizing pancreatitis. Increased monocyte count in combination with elevated PDGF and IL-6 are characteristic of necrotizing pancreatitis in our model. The fourth study (IV) indicated that necrotizing pancreatitis caused damage to the epithelial and endothelial cells of the colon in the early stages of the disease. The expression of E-cadherin immunoreactivity showed a decreasing trend in the colon in both oedematous and necrotizing pancreatitis. The results of this study suggest that claudin-2 increases in acinar cells during acute porcine pancreatitis. Bacterial translocation is not present during the early phase of acute porcine pancreatitis. Increased monocyte count and elevated PDGF and IL-6 are characteristic of early phase necrotizing porcine pancreatitis and necrotizing porcine pancreatitis causes damage to the epithelial and endothelial cells of the colon. / Tiivistelmä Akuutti haimatulehdus on yleinen sairaus, jonka ilmaantuvuus Suomessa on verrattain suuri. Suurimmalla osalla potilaista tauti on lievä ja itsestään paraneva. Kuitenkin 20 %:lle potilaista kehittyy vaikea haimatulehdus, johon liittyy 7–25 %:n kuolleisuus. On epäselvää, miksi toisinaan kehittyy vaikea tautimuoto. Taudin vaikeusastetta ei voida etukäteen tarkasti ennustaa, eikä tautiin ole parantavaa hoitoa. Väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia lievän ja vaikean haimatulehduksen varhaisvaihetta kokeellisessa sikamallissa. Työssä I mitattiin haiman mikroverenkierron muutoksia, tutkittiin tiivisliitosproteiinien klaudiini-2:n, -3:n, -4:n, -5:n ja -7:n ilmenemistä sekä apoptoosin määrää haimassa. Toisessa työssä tutkittiin mahdollista bakteeritranslokaatiota porttilaskimovereen ja vatsaontelon imusolmukkeisiin, mitattiin suoliston tiivis liitos-proteiinien klaudiinien-2, -3, -4, -5 ja -7 ilmenemistä ja suoliston apoptoosin ja soluproliferaation määrää. Mahdollisia muutoksia ohut- ja paksusuolen perushistologiassa analysoitiin. Kolmannessa työssä mitattiin sytokiinipitoisuuksia porttilaskimoverestä. Neljännessä työssä analysoitiin ohut- ja paksusuolen mikrorakennetta elektronimikroskopian avulla ja mitattiin vyöliitosproteiinien E-cadherin ja β-catenin määrää. I työssä todettiin klaudiini-2:n ilmaantuvan haiman asinaarisolujen solukalvoille lievässä ja vaikeassa kokeellisessa haimatulehduksessa. Klaudiinien 3,- 4,- 5 ja 7 esiintyminen haimassa ei muuttunut. II työssä todettiin, että bakteeritranslokaatiota ei tapahtunut seuranta-aikana. Suolistossa klaudiinien-2 ja -5 ilmenemisessä ei tapahtunut muutoksia. Klaudiini-3:n ilmenemisessä paksusuolessa ja klaudiinien -4 ja -7 ilmenemisessä ohutsuolessa saattaa tapahtua vähenemistä vaikeassa haimatulehduksessa. Tutkimustoimenpide itsessään aiheutti ohut- ja paksusuolen apoptoosin lisääntymistä. III työn mukaan tulehdusvaste oli erilainen akuutissa lievässä ja vaikeassa kokeellisessa haimatulehduksessa. Monosyyttimäärän sekä PDGF:n ja IL-6:n pitoisuuksien lisääntyminen, olivat tyypillisiä vaikealle haimatulehdukselle tässä mallissa. IV työssä todettiin, että vaikea haimatulehdus vaurioittaa paksusuolen epiteeli- ja endoteelisoluja. E-cadherin: n määrässä todettiin jonkin verran vähentymistä sekä lievässä että vaikeassa haimatulehduksessa. Näiden tulosten mukaan klaudiini-2 lisääntyy sian haiman asinaarisoluissa akuutissa haimatulehduksessa. Sialla ei tapahdu bakteerien translokaatiota haimatulehduksen varhaisvaiheessa. Sian vaikeaan haimatulehdukseen liittyy monosyyttien, PDGF:n ja IL-6:n lisääntyminen. Kokeellisessa vaikeassa haimatulehduksessa paksusuolen epiteeli- ja endoteelisolut vaurioituvat jo varhaisvaiheessa.

Abstract Skin is the largest organ in our body protecting us from ultraviolet radiation and xenobiotics. UV-radiation is a common cause of squamocellular carcinoma and melanoma of the skin that cause morbidity and mortality world wide. Reactive oxygen species are constantly formed by, for example, cellular respiration and UV-radiation, and they can readily react with virtually any macromolecule within cell structures causing damage to DNA, proteins and lipids. Oxidative stress (OS) is a homeostatic process that is dysregulated in cancer cells to their benefit. Nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2) is the main regulator of antioxidant response and it has been shown to be upregulated in various cancers enabling their survival and growth. By using immunohistochemistry we studied the change and prognostic significance of OS markers in melanoma from paraffin embedded patient samples. Nrf2 expression is increased in melanoma, associating with deeper invasion and a worse melanoma-specific outcome. In addition, epithelial-to-mesenchymal transition markers Slug, Twist and Zeb1 showed altered expression levels in relation to invasion and metastasis associating also with Nrf2. With the help of target inhibition molecules Vemurafenib and MEK-inhibitor CI-1040, In vitro study showed that BRAF- and NRAS-mutations might activate Nrf2. Furthermore, Nrf2-regulated antioxidant enzyme peroxiredoxin I showed decreased expression in malignant melanomas and metastases compared to benign naevi. Intriguing findings were made from the surrounding structures of melanomas e.g. loss of expression of an oxidative lesion marker 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine in adjacent endothelial cells associated with worse melanoma-specific survival. Changes in the expression of adhesion molecules claudins 1-5 and 7 were studied in the progression of cutaneous squamous cell carcinomas and preneoplastic lesions. Change in claudin composition can alter epidermal permeability and cell polarity. Efficiency of oncological treatment modalities is frequently based on oxidative stress damage. Nrf2-inhibition could offer the means to increase the sensitivity of cancerous tissue to oxidative insults and hinder proliferative and survival signalling. Later research should focus on the relation of Nrf2 with other signalling and observations made from the tumour microenvironment. / Tiivistelmä Iho on elimistön suurin elin, ja se suojaa meitä auringon ultravioletti (UV)-säteilyltä ja muilta ulkoisilta tekijöiltä. UV-säteily on yhteinen etiologinen tekijä ihon levyepiteelikarsinoomalle ja melanoomalle, jotka aiheuttavat maailmanlaatuisesti paljon sairastavuutta ja kuolleisuutta. Reaktiivisia happiradikaaleja muodostuu esimerkiksi soluhengityksestä ja UV-säteilystä, ja ne voivat reagoida minkä tahansa makromolekyylin kanssa aiheuttaen vaurioita solun perimäainekseen, proteiineihin ja lipidirakenteisiin. Oksidatiivisen stressin (OS) säätely on tärkeä homeostaattinen prosessi, joka vinoutuu syöpäsolujen hyödyksi. Nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2) on antioksidanttivasteen pääsäätelytekijä, ja sen ilmentyminen on lisääntynyt useissa syövissä lisäten syöpäsolun selviytymistä ja kasvua. Tutkimme potilasaineiston ja immunohistokemian avulla OS:n merkkiaineiden muutoksia melanoomassa ja niiden merkitsevyyttä taudin ennusteelle. Nrf2:n ilmentyminen on lisääntynyt melanoomassa liittyen syvempään invaasioon ja huonompaan tautispesifiseen ennusteeseen. Lisäksi epiteliaali-mesenkymaalitransition merkkiaineiden, Slug, Twist ja Zeb1 ekspression muutoksia havaittiin syvyyskasvun ja metastasoinnin yhteydessä assosioituen myös Nrf2 ilmentymiseen. In vitro- tutkimus osoitti spesifisten inhibiittoreiden avulla, että BRAF- ja NRAS-mutaatiot saattavat aktivoida Nrf2 melanoomassa. Myös Nrf2:n säätelemän entsyymin peroksiredoksiini I:n ilmentyminen on vähentynyt melanoomassa ja metastaaseissa verrattuna hyvänlaatuisiin pigmenttiluomiin. Merkittäviä muutoksia havaittiin myös melanoomaa ympäröivistä rakenteista, esimerkiksi OS:n vauriomarkkerin 8-hydroksi-2’-deoksiguanosiinin vähentynyt ilmentyminen endoteelisoluissa liittyi huonompaan tautispesifiseen ennusteeseen. Lisäksi tutkimme soluväliliitosproteiinien klaudiinien 1–5 sekä 7 ilmentymistä levyepiteelikarsinoomissa ja niiden esiasteissa. Klaudiinien muutokset voivat vaikuttaa ihon permeabiliteettiin ja solujen polarisaatioon. Onkologisten hoitomuotojen teho perustuu usein happiradikaalien aiheuttamiin vaurioihin. Nrf2-inhibitio voisi tarjota keinon lisätä syöpäkudoksen herkkyyttä näille vaurioille sekä estää syöpäsolun selviytymissignalointia. Tulevat tutkimukset tulisivat keskittyä Nrf2 signaloinnin ja muun solusignaloinnin välisiin suhteisiin sekä havaintoihin kasvaimen mikroympäristön muutoksista.

Abstract Lung cancers and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are the most common smoking-related lung diseases and both have high mortality rate. Tight junctions (TJ) are apical junctions between epithelial cells that regulate the permeability of epithelium and form the tight junction along with occludin. Dysfunction of the TJ and dysregulation of TJ proteins leads to a loss of cell-cell adhesion and a loss of cohesion as well as epitheliomesenchymal transition. These increase invasion of lung carcinomas and possibly predispose to the exacerbations in COPD. Therefore, the aim of this thesis was to study expression and regulation of claudins in different lung carcinomas and COPD. Carcinomas expressed claudins 1, 2, 3, 4, 5 and 7 in different variations. Claudin 5 expression was weak in all carcinoma types. Strong claudin 1, 4 and 7 expression was associated with better survival in squamous cell carcinoma and adenocarcinoma. Claudin 3 expression was associated with COPD in large airways. Claudins 3 and 4 was found to be stronger in small airways of smokers and COPD patients than in non-smokers. Transcription factor snail had prognostic value in lung carcinomas. Negative snail expression was associated with longer life expectancy in lung carcinoma patients. Negative snail expression was associated with up-regulated claudin 5 and 7 expression, while strong expression was associated with low claudin 1 and 3 expression. Transcription factors slug and twist were inversely associated with claudins 3 and 4 in small and large airways. Slug expression was higher in non-smokers than in COPD patients and smokers. Transcription factor knockdown increased claudin expression in normal bronchial cell line. Except for claudin 2 and 7, which were decreased. Adenocarcinoma-like cell line was not affected by snail knockdown and in squamous cell carcinoma-like cell line claudin 3, 4 and 7 expression was increased. Transcription factor snail knockdown inhibited invasion of cell lines. Twist knockdown increased transepithelial resistance in normal bronchial cell line indicating higher barrier function in cell layer. / Tiivistelmä Keuhkosyöpä ja keuhkoahtaumatauti ovat yleisiä tupakoinnin aiheuttamia keuhkosairauksia, joissa on korkea kuolleisuus. Tupakointi aiheuttaa muutoksia keuhkojen epiteelisoluissa ja solujen välisissä liitoksissa. Tiivisliitokset solujen välillä säätelevät epiteelin rakennetta ja läpäisevyyttä. Klaudiinit ovat proteiineja, jotka muodostavat tiivisliitoksen yhdessä okkludiinin kanssa. Tiivisliitos proteiinien toimintahäiriöt voivat johtaa solujen välisten liitosten katoamiseen ja epiteelin hajoamiseen sekä epiteelisolujen muuntumiseen mesenkymaalisten solujan kaltaisiksi. Nämä seikat lisäävät invaasiota keuhkosyövissä ja saattavat altistaa pahenemisvaiheisiin keuhkoahtaumataudissa. Väitöskirjassa tutkittiin klaudiinien ilmentymistä ja säätelyä keuhkosyövässä ja keuhkoahtaumataudissa. Klaudiinien1, 2, 3, 4, 5 ja 7 esiintyminen keuhkosyövän histologisissa alatyypeissä vaihteli. Klaudiinien 1, 4 ja 7 voimakas ilmentyminen voitiin yhdistää pidempään elinikään potilailla, joilla oli levyepiteeli- tai adenokarsinooma. Klaudiini 3:n ilmentyminen liittyi keuhkoahtaumatautiin suurissa hengitysteissä. Klaudiinien 3 ja 4 voimakas ilmeneminen pienissä ilmateissä oli yleisempää keuhkoahtaumatautipotilailla ja tupakoitsijoilla kuin tupakoimattomilla henkilöillä. Transkriptiotekijä snailin puuttuminen keuhkosyövässä liittyi potilaiden pidempään elinaikaan. Klaudiinien 5 ja 7 ilmeneminen oli voimakkaampaa, kun snailin määrä oli vähäinen. Klaudiinien 1 ja 3 ilmeneminen väheni snail:in ollessa voimakas keuhkosyövässä. Traskriptiotekijöiden (slug ja twist) ilmeneminen liittyi käänteisesti klaudiinien ilmentymiseen pienissä ja suurissa ilmateissä. Slugin ilmeneminen oli voimakkaampaa tupakoimattomilla henkilöillä kuin tupakoivilla tai keuhkoahtaumatautia sairastavilla. Transkriptiotekijöiden snail, slug ja twist toiminnan estäminen lisäsi klaudiinien määrää normaaleissa keuhkon epiteelisoluissa. Poikkeuksen muodostivat klaudiinit 2 ja 7, joiden määrä väheni kun snail:in toiminta oli estetty. Adenokarsinooma-soluissa snailin estolla ei ollut vaikutusta, ja levyepiteelisyövän soluissa klaudiinien 3, 4 ja 7 määrä kasvoi. Snail myös vähensi solujen invaasiota. Transkriptiotekijä twistin toiminnan esto normaaleissa keuhkoepiteelisoluissa nosti solumaton läpi kulkevan sähkön resistenssiä, mikä on osoitus tiiviistä solujen välisistä liitoksista.

Abstract Mediators of epithelial permeability, angiogenesis and invasion may serve as prognostic indicators and targets for therapies in esophageal cancer (EC). The expressions of claudins, hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α), vascular endothelial growth factor-A (VEGF), nitric oxide synthases (iNOS, eNOS, nNOS) and toll-like receptor 9 (TLR9) were evaluated by immunohistochemistry in EC. The results were compared with clinicopathological variables, tumor proliferation and apoptosis. All of the claudins were expressed in most of the cancers. Esophageal adenocarcinomas (EAC) displayed more often increased claudin 3 and 5 expression than esophageal squamous cell carcinomas (ESCC). Loss of claudin 3 expression associated with distant metastases in EC and a tendency in this direction was also observed for claudin 4. Cancers with stronger claudin 4 expression showed increased apoptosis in both EAC and ESCC. HIF-1α was present in most of the ECs and like iNOS more often in ESCC than in EAC. Strong HIF-1α expression tended to associate with positive VEGF immunostaining. In ESCC, both strong HIF-1α expression and VEGF positivity tended to associate with increased microvessel density (MVD). In EAC, tumors showing VEGF positivity associated with increased MVD outside the tumor. Patients with strong HIF-1α expression had more often distant metastases than other patients in EC. There was no VEGF expression in normal esophageal mucosa and T3-4 tumors tended to be more often VEGF positive than T1-2 tumors. The expression of TLR9 was more intensive in dysplasia than in normal epithelium and ESCC and abundant TLR9 expression could serve as a marker of squamous cell high grade dysplasia. Intensive TLR9 expression was associated with higher grade tumors and the presence of nodal and distant metastases in ESCC. EC and its progression may be related to increased angiogenesis regulated by VEGF and HIF-1α. In EC, claudin expression varies along with the histology of the tumor. Claudin expression may be associated with apoptosis or proliferation and contribute to tumor behavior. An association was detected between moderate to strong expression of claudin 3 and a high TLR9 histoscore in ESCC. Altered expression of claudin 3 may result to upregulation of endosomal TLR9. TLR9 may serve as a marker for squamous cell dysplasia and ESCC progression. / Tiivistelmä Solukerrosten läpäisevyyttä, verisuonten uudismuodostusta ja kasvainsolujen liikkuvuutta säätelevät tekijät voivat toimia ruokatorvisyövän ennustetekijöinä ja hoidon kohteina. Tässä tutkimuksessa selvitettiin klaudiinien, hypoksia-indusoituvan tekijän 1α (HIF-1α), verisuonen endoteelin kasvutekijän A (VEGF), kolmen typpioksidisyntaasin (iNOS, eNOS ja nNOS) sekä tollin kaltaisen reseptorin 9 (TLR9) ilmentymistä ja merkitystä ruokatorvisyövässä immunohistokemiallisin menetelmin. Tuloksia arvioitiin suhteessa proliferaatioon ja apoptoosiin. Useimmat syöpäkasvaimet ilmensivät jokaista tutkittua klaudiinia. Ruokatorven rauhassyövässä ilmeni levyepiteelisyöpää useammin klaudiineja 3 ja 5. Klaudiinin 3 vähäinen ilmentyminen oli yhteydessä etäpesäkkeiseen tautiin. Sama suuntaus näkyi klaudiinin 4 kohdalla. Apoptoosia todettiin enemmän kasvaimissa, jotka ilmensivät muita enemmän klaudiini 4:ä. Useimmat syöpäkasvaimet ilmensivät HIF-1α:a. Sekä iNOS että HIF-1α ilmentyivät runsaammin levyepiteeli- kuin rauhassyövässä. Tutkimus viittasi yhteyteen voimakkaan HIF-1α:n ilmentymisen ja VEGF:n ilmentymisen välillä. Voimakas HIF-1α:n ilmentyminen ja VEGF:n ilmentyminen vaikuttivat liittyvän ruokatorven levyepiteelisyövän uudissuonituksen lisääntymiseen. Rauhassyövän lisääntynyt uudissuonitus kasvaimen ulkopuolella saattaa liittyä VEGF:n ilmentymiseen. Potilailla, joiden kasvaimissa HIF-1α:n ilmentyminen oli voimakasta, todettiin etäpesäkkeitä muita useammin. VEGF:a ei todettu normaalissa limakalvossa, ja sen ilmentyminen vaikutti olevan yleisempää syvälle kasvavissa kuin pinnallisissa syövissä. TLR9 ilmentyi voimakkaammin levyepiteelin dysplasiassa kuin normaalissa tai kasvainepiteelissä. Huonosti erilaistuvissa ja levinneissä kasvaimissa TLR9 ilmentyi voimakkaammin kuin muissa kasvaimissa. Ruokatorvisyövän synty ja eteneminen voivat liittyä HIF:n ja VEGF:n säätelemään verisuonten uudismuodostukseen. Klaudiinit saattavat vaikuttaa syövän käyttäytymiseen myös apoptoosin ja proliferaation kautta. Tutkimuksessa todettiin yhteys lisääntyneen klaudiinin 3 ilmentymisen ja voimakkaasti ilmentyvän TLR9:n välillä. Muutos klaudiinin 3 ilmentymisessä saattaa lisätä levyepiteelin läpäisevyyttä johtaen TLR9:n aktivoitumiseen. TLR9 voi vaikuttaa ruokatorven levyepiteelin dysplasian ja syövän syntyyn sekä toimia vaikean dysplasian ja aggressiivisen levyepiteelisyövän merkkiaineena.