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 Although avalanche switching has been known since the 1950s, a trustworthy one-dimensional physical interpretation of the practically interesting high-current mode ("secondary breakdown") in a Si avalanche transistor has appeared only within the last decade and thanks to numerical one-dimensional and two-dimensional physics-based device modelling. A good fit with experimental waveforms has been achieved only for high-current, long-duration pulses (~100 A/7 ns), however, and modelling fails in the case of shorter pulses in a range that is of greater practical importance. One significant finding in this thesis is that reliable modelling of a Si avalanche transistor is in general impossible without taking account of three-dimensional effects. The task is a challenging one, as it is being put forward for the first time and state-of-the-art simulators are unable to model three-dimensional avalanche dynamics with an external circuit included (i.e. in “MixedMode”). Thus a smart approach was adopted which allowed the main features of the three-dimensional transient to be explained using a two-dimensional simulator and compared with the experimental data. The focus was on a trade-off of between high switching efficiency in an avalanche transistor (high-speed switching with a lower residual voltage as occurs at extremely high current densities) and device reliability as determined by local overheating during a single pulse, similarly resulting from high current density. This denotes the practical importance of the work performed here, as the current density is directly affected by three-dimensional dynamic processes. The second task performed in this thesis concerns the reliability of the GaAs avalanche transistors developed recently in the Electronics Laboratory and demonstrated of unique (superfast) switching and high-power-density sub-THz emission for mm-wave imaging and radars. Critically important for this new device is the limitation originating from premature breakdown at the surface of the GaAs p-n junction with a high density of surface states. Two of the results of this work are also fairly challenging: (i) the mechanism of "soft" surface breakdown intrinsic to all GaAs transistor mesas was interpreted in terms of the surface trapping of avalanche-generated electrons as suggested here, and (ii) passivation of the surface with a chalcogenide glass was suggested, as this allows the premature surface breakdown to be suppressed completely, an effect that has proved to be caused by a large negative surface charge formed on the “U centres” intrinsic to a chalcogenide glass. / Tiivistelmä Vaikka avalanche läpilyönti pii-transistoreissa on tunnettu jo 1950-luvulta lähtien, luotettava 1-dimensionaalinen fysikaalinen tulkinta ilmiöstä käytännön sovellusten kannalta kiinnostavilla suurilla virtatasoilla (ns. “secondary breakdown”) on esitetty vasta viime vuosikymmenen aikana 1- ja 2-dimensionaalisiin numeerisiin simulointeihin ja fysikaaliseen mallinnukseen perustuen. Kokeellisten mittausten ja simulointien välille on saatu hyvä sovitus kuitenkin vain sellaisessa ohjaustilanteessa, jossa transistori toimii suurella virtatasolla ja tuottaa leveitä virtapulsseja (~100  A / 7 ns); mallinnus ei vastaa mittaustuloksia lyhyillä virtapulsseilla, jotka kuitenkin ovat tärkeitä käytännön sovellusten kannalta. Yksi tämän työn keskeisiä havaintoja on se, että piipohjaisen avalanche transistorin luotettava mallintaminen ei ole käytännössä yleisesti mahdollista ottamatta huomioon 3-dimensionaalisia (3D) efektejä. Tällainen mallinnus, jota tässä työssä on kehitetty ensimmäistä kertaa, on vaikeaa, koska kaupalliset simulointiohjelmistot eivät kykene käsittelemään avalanche ilmiön dynamiikka 3-dimensionaalisesti tilanteessa, jossa transistoriin on kytketty ulkoinen piiri (ns. mixed-mode -simulointitilanne). Tähän kehitettiin tekniikka, joka mahdollistaa 3-dimensionaalisen kytkentätransientin tärkeimpien piirteiden selittämisen ja mittaustuloksiin vertaamisen 2-dimensionaalisten simulointien perusteella. Erityisesti pyrittiin selvittämään avalanche transistorin korkean kytkentähyötysuhteen (kollektori-emitterin ns. residual-jännitteen käyttäytyminen virrantiheystason mukaan) ja komponentin luotettavuuden välistä riippuvuutta. Luotettavuuteen vaikuttaa olennaisesti komponentin sisäinen, lokalisoitunut lämpötilamaksimi, joka myös riippuu keskeisesti komponentin virrantiheystasosta kytkentäpulssin aikana. Toisaalta virrantiheyteen vaikuttavat juuri komponentin 3-dimensionaaliset dynaamiset prosessit, joten työn käytännöllinen merkitys on suuri. Työn toisen osa käsittelee elektroniikan laboratoriossa äskettäin kehitetyn GaAs-avalanche transistorin luotettavuutta. Tällaisella transistorilla on demonstroitu olevan erityislaatuinen supernopea kytkeytymisefekti, ja se emittoi korkealla tehotasolla sähkömagneettista säteilyä n. 0,1–1 THz taajuusalueella. GaAs-avalanche transistoria voidaan täten potentiaalisesti hyödyntää mm-alueen kuvantamisessa ja tutkissa. Tämän uuden transistorin luotettavuuteen vaikuttaa ratkaisevasti rajoitus, joka aiheutuu ennenaikaisen, GaAs-pn-liitoksen pinnassa vaikuttavasta suuresta pintatilatiheydestä johtuvan läpilyönnin mahdollisuudesta. Työn kaksi keskeistä tulosta ovat: (i) kaikilla GaAs-transistoreilla ilmenevä ns. ”pehmeä”-läpilyönti aiheutuu avalanche ilmiön synnyttämien elektronien loukkuuntumisesta pinta-tiloihin, ja (ii) pinnan passivointi kalkopyriittilasilla estää läpilyönnin kokonaan, koska kalkopyriittilasille luonteenomaiset ”U-tilat” aiheuttavat liitoksen pintaan korkean negatiivisen pintavarauksen.

Abstract Stem cell therapy has several mechanisms for repairing damaged myocardium and improving functional capacity of the left ventricle reduced by myocardial infarction. Despite the increase in scientific data, details of these mechanisms are still partly unexplained. The optimal number and type of stem cells as well as timing and route of transplantation are unclear. The purpose of this study was to clarify therapeutic potential of bone marrow-derived stem cells (BM-MNCs) using experimental porcine acute myocardial infarction model. Myocardial infarction was caused by occluding the circumflex coronary artery for 90 minutes. Immediately after reperfusion BM-MNCs were injected directly into the damaged myocardium or by angioplastic catheter into the infarct-related coronary artery. Left ventricular ejection fraction (LVEF) improved 3 weeks after infarction in animals that received BM-MNCs intramyocardially whereas in animals that received intracoronary transplantation or saline LVEF failed to recover. Radionuclide imaging and histological analysis showed intramyocardially transplanted cells remaining in the infarcted myocardium, whereas after intracoronary transplantation a major fraction of cells flushed into the lungs. In histological analysis minor fraction of BM-MNCs showed differentiation towards myocyte form and proliferation. Significantly lower collagen density and higher levels of smooth muscle actin and skeletal muscle actin were detected in the infarcted myocardium after intramyocardial or intracoronary BM-MNC transplantation compared with animals that received saline. Proteomic screening indicated that mitochondrial energy metabolism recovered after BM-MNC transplantation. Additionally, two proteins showed elevated levels after BM-MNC transplantation, which indicates that they are actively involved in the pathological mechanisms. BM-MNCs appear to enhance recovery of the infarcted myocardium by restoring the reduced LVEF after infarction. Intramyocardial stem cell therapy showed best results in recovery. Stem cell therapy moulds the infarct scar by reducing collagen density and by increasing components typical for muscle cells. The effects of stem cell therapy are mainly paracrine. / Tiivistelmä Kantasoluterapian on havaittu korjaavan infarktissa vaurioitunutta sydänlihasta toimintakykyisemmäksi usealla mekanismilla sekä parantavan sydänlihaksen pumppaustoimintaa. Huolimatta lisääntyneestä tutkimustiedosta näiden monimutkaisten mekanismien yksityiskohdat ovat edelleen paljolti selvittämättä. Samoin käytettävien kantasolujen tyypin, määrän, siirtotekniikan ja siirron ajoituksen optimointi on vielä epäselvää. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kokeellista sian infarktimallia käyttäen luuytimen kantasolujen kykyä tehostaa vaurioituneen sydänlihaksen toipumista akuutin infarktin jälkeen. Mallissa aiheutettiin sydäninfarkti sulkemalla vasemman sepelvaltimon kiertävähaara 90 minuutiksi. Välittömästi verenkierron uudelleen avaamisen jälkeen luuytimen soluja ruiskutettiin infarktialueelle joko suoraan sydänlihakseen tai sepelvaltimoon. Kolmen viikon kuluttua infarktista kantasoluja suoraan sydänlihakseen saaneiden eläinten vasemman kammion ejektiofraktio (LVEF) parani tilastollisesti merkitsevästi verrattuna kantasoluja sepelvaltimoon saaneisiin eläimiin ja keittosuolaa saaneisiin eläimiin, joiden LVEF pysyi infarktin jälkeisellä alentuneella tasolla. Isotooppitutkimus ja histologinen analyysi osoittivat, että suoraan sydänlihakseen ruiskutetuista kantasoluista valtaosa säilyy infarktialueella kun taas sepelvaltimoon siirretyt solut pääasiassa ajautuvat keuhkoihin. Histologisessa analyysissa sydänlihakseen ruiskutettujen solujen todettiin vähäisessä määrin erilaistuvan lihassolujen suuntaan ja jakautuvan. Kantasoluja saaneiden eläinten ryhmissä todettiin infarktialueella merkitsevästi alhaisempi kollageenipitoisuus sekä enemmän sileälihassolujen aktiinia ja poikkijuovaisten lihassolujen aktiinia kuin keittosuolaa saaneilla eläimillä. Proteomiikka-analyysin tulokset viittaavat kantasoluterapian saaneilla eläimillä mitokondrioiden energiatalouden tehostumiseen. Lisäksi esille tuli kaksi kantasoluterapian jälkeen aktiivista proteiinia, joilla todennäköisesti on keskeinen tehtävä infarktin patogeneesissä. Tutkimuksen perusteella luuytimen kantasolut tehostavat sydänlihaksen toipumista infarktista palauttamalla sydämen alentunutta pumppaustehoa. Suoraan sydänlihakseen annettu kantasoluterapia vaikuttaa tehokkaimmalta menetelmältä. Kantasoluterapia muovaa infarktiarpea vähentämällä kollageenin ja lisäämällä lihassoluille tyypillisten komponenttien määrää. Kantasoluterapian vaikutukset ovat pääasiassa parakriinisiä.