Abstract Groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are aquatic or terrestrial ecosystems that rely directly or indirectly on groundwater (GW). Recent European and Finnish legislation requires better consideration of these systems in GW management. The main aim of this thesis was to develop new methods for GDE classification and management, by testing environmental tracer methods in different environments. New information about GW-surface water interactions was obtained and novel methods for GDE classification and management were developed for lakes, peatlands, streams, and springs. Stable water isotopes proved to be an efficient tool for determining the GW dependence of lakes. An iterative isotope mass balance method was applied for 67 lakes situated in the Rokua esker aquifer area. Stable water isotopes also showed potential in determining the GW dependence of a peatland surface horizon. A study conducted in peatlands adjacent to Viinivaara esker aquifer indicated that the GW dependence of peatlands can vary significantly and that GW-dependent areas can extend outside current GW protection areas. Thermal images proved useful in pinpointing clear GW seepage locations in peatlands. For streams, a novel stream tracer index method was developed to evaluate GW dependence based on GW volume in streams, thermal properties of streams, and stream water quality. The method was tested in three streams discharging from Viinivaara and Rokua aquifers and was found to efficiently capture spatial variations in GW dependence. In Oulanka region, hydrological and chemical characterization and statistical methods were used to classify springs into different types. Spring altitude and δ2H value were identified as useful proxies for spring water chemistry. The methods developed in this thesis can be helpful when classifying and studying GDEs and applying environmental tracer methods in various environments. Knowing the GW dependence of an ecosystem, the impacts of possible GW table decline caused by e.g., GW abstraction, drainage, and/or climate change can be evaluated. For large-scale applications, GDE classification methods have to be practical, effective, and low-cost. Combined use of stable water isotopes and other tracers can be especially effective for characterizing ecosystem hydrology on different temporal and spatial scales. / Tiivistelmä Pohjavedestä riippuvat ekosysteemit (GDE) ovat vesi- tai maaekosysteemejä, jotka ovat suoraan tai epäsuorasti riippuvaisia pohjavedestä. Euroopan Unionin ja Suomen lainsäädännön mukaan pohjavesien hallinnassa tulisi ottaa paremmin huomioon GDEt. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusia menetelmiä näiden ekosysteemien luokitteluun ja hallintaan. Luonnollisia merkkiainemenetelmiä soveltaen saatiin uutta tietoa pohjavesi-pintavesi vuorovaikutuksesta ja kehitettiin uusia menetelmiä GDE-luokitteluun järville, soille, puroille ja lähteille. Veden stabiilit isotoopit osoittautuivat tehokkaaksi työkaluksi järvien pohjavesiriippuvuuden määrittämisessä. Iteratiivista isotooppimassatase-menetelmää käytettiin 67 Rokuan järven pohjavesiriippuvuuden selvittämiseen. Veden stabiileilla isotoopeilla pystyttiin myös määrittämään suon pinnan pohjavesiriippuvuus. Viinivaaran harjun viereisen suoalueen tutkimus näytti, että suon pohjavesiriippuvuus voi vaihdella merkittävästi ja pohjavedestä riippuvia alueita löytyy myös nykyisten pohjavesirajojen ulkopuolelta. Lisäksi soilla havaittiin selkeitä pohjavedenpurkupaikkoja lämpökamerakuvauksen avulla. Puroille kehitettiin uusi menetelmä, jolla niiden pohjavesiriippuvuutta voidaan arvioida perustuen pohjaveden määrään puroissa, puroveden lämpötilaominaisuuksiin ja puroveden laatuun. Menetelmää testattiin Viinivaaran ja Rokuan harjuista purkautuville puroille ja sillä havaittiin pohjavesiriippuvuuden vaihtelevan purojen eri osissa. Oulangan lähteitä luokiteltiin eri tyyppeihin hydrologisen ja kemiallisen karakterisoinnin ja tilastollisten menetelmien avulla. Lähteiden altitudin ja δ2H-arvon havaittiin ennustavan lähdeveden kemiallista koostumusta. Tässä tutkimuksessa kehitetyt menetelmät voivat olla hyödyllisiä GDE-luokittelussa, eri ekosysteemien tutkimisessa ja luonnollisten merkkiainemenetelmien soveltamisessa eri ympäristöissä. Kun ekosysteemin pohjavesiriippuvuus tiedetään, voidaan arvioida pohjavedenotosta, ojituksesta ja/tai ilmaston muutoksesta mahdollisesti aiheutuvan pohjavedenpinnan laskun vaikutuksia. Suuressa mittakaavassa, GDE-luokittelumenetelmien tulee olla käytännöllisiä, tehokkaita ja halpoja. Veden stabiilien isotooppien ja muiden merkkiaineiden yhdistetty käyttö vaikuttaa olevan tähän erityisen tehokas työkalu, jolla voidaan ymmärtää ekosysteemien hydrologiaa eri temporaalisissa ja spatiaalisissa mittakaavoissa.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the most aggressive cancers, the 5-year survival rate being less than 5%. At the time of diagnosis, 90% of PDACs extend beyond the pancreas and distant metastases are often present. Due to aggressive growth, local expansion and early appearance of metastasis, primary PDAC tumours are local enough for curative surgical resection in only 10–20% of the cases. Adjuvant chemotherapy is indicated in these curative-treated cases, with slight improvement in survival. PDAC is considered to represent a heterogeneous group of biologically and prognostically different malignancies. Characterization of these subgroups is essential and there is an urgent need for more accurate biomarkers and targeted treatments in PDAC. In the current work, we immunohistochemically investigated the expression levels and prognostic values of oxidative stress markers (8-OHdG, Keap1, Prx I, II, III, V and VI), epigenetic histone modifiers (KDM4A, KDM4B, KDM4D and SIRT1–4), and cell-cycle regulators (p16, Rb, CDK4) and DNA-repair enzymes (FEN1 and MGMT) in the cohort of surgically treated PDAC patients. We found that Keap1 expression was associated with better pancreatic cancer-specific survival. Expression of antioxidative peroxiredoxins I, III, V and VI was also connected with a more favourable tumour characteristics and Prx I and VI showed prognostic value. When considering the biology of PDAC, we noticed that pivotal epigenetic regulation also occurred in exocrine pancreatic tissue adjacent to resection margins. Overexpression of the cell-cycle regulator CDK4 and the DNA-repair enzyme FEN1 in the whole population, and elevated expression level of MGMT in the most high-risk patients were connected with worse prognosis. The results of the study can be utilized in the future when individualized therapies are being designed for PDAC patients. Due to occurrence of the epigenetic regulation also in exocrine pancreatic tissue adjacent to resection margins, it could be evaluated in future for routine diagnostics and treatment optimization. The potential role of MGMT in the development of PDAC chemoresistance should be studied in the future. / Tiivistelmä Haiman duktaalinen adenokarsinooma (PDAC) on yksi aggressiivisimmista syöpäsairauksista. Viiden vuoden elossaoloennuste on vain lähellä 5 prosenttia. Diagnoosihetkellä 90% haiman adenokarsinoomista yltää haiman ulkopuolelle ja usein kasvain on jo lähettänyt etäpesäkkeitä. Kasvutaipumuksen sekä metastasoinnin takia kuratiivinen kirurginen hoito on mahdollista vain 10–20% tapauksista. Liitännäissolunsalpaajahoito on aiheellista näissä kuratiivistavoitteisesti hoidetuissa tapauksissa. Kuitenkin vaikutus kokonaiselossaoloaikaan on melko vähäinen. Uusimman tutkimustiedon valossa PDAC:aa pidetäänkin heterogeenisenä ryhmänä biologisesti ja ennusteellisesti erilaisia tautiryhmiä. Näiden tautiryhmien tunteminen ja tunnistaminen riittävän tarkkojen merkkiaineiden avulla olisi ensiarvoisen tärkeää, jotta hoitoja voitaisiin kohdentaa niistä hyötyville potilaille. Väitöskirjatutkimuksessa selvitimme immunohistokemiallisin menetelmin oksidatiivisen stressin merkkiaineiden (8-OHdG, Keap1, Prx I, II, III, V ja VI), epigeneettisten histonimodifikaattorien (KDM4A, KDM4B, KDM4D ja SIRT1–4) sekä solusyklin säätelijöiden (p16, Rb, CDK4) ja DNA-korjausentsyymien (FEN1 ja MGMT) ilmentymistä ja ennusteellista arvoa kirurgisesti hoidetuilla PDAC-potilailla. Tutkimuksessamme totesimme, että kasvainkudoksen Keap1-ilmentymä yhdistyi parempiennusteiseen taudinkuvaan. Antioksidatiivisten peroksiredoksiinien I, III, V ja VI ilmentyminen yhdistyi niin ikään suotuisampaan kasvaimen fenotyyppiin ja Prx I ja VI osoittivat ennusteellista arvoa. Havaitsimme lisäksi, että PDAC:n biologiaan keskeistesti vaikuttavaa epigeneettistä säätelyä tapahtuu myös malignin haimakudoksen viereisessä eksokriinisessä haimakudoksessa. Solusyklin säätelijä CDK4:n ja DNA-korjausentsyymi FEN1:n voimakas ilmentyminen koko tutkimuspopulaatiossa sekä kohonnut MGMT:n ilmentyminen korkeimman riskin potilailla yhdistyivät huonompaan taudin ennusteeseen. Väitöskirjatyön tutkimustuloksia voidaan tulevaisuudessa hyödyntää, kun tutkitaan yksilöllisiä hoitomuotoja PDAC-potilailla. Koska epigeneettistä säätelyä tapahtuu myös syövän viereisessä eksokriinisessa haimakudoksessa, voidaan tulevaisuudessa tämän kudoksen arviointia mahdollisesti käyttää rutiinisti diagnostiikassa sekä hoidon optimoinnissa. MGMT:n mahdollinen rooli PDAC:n kemoresistenssin kehittymisessä tulisi tulevaisuudessa selvittää.

Abstract Lymphomas are a group of more than 70 different malignancies arising from lymphoid tissues and diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) is the most common subtype of lymphoma. More than 70% of DLBCL patients can be cured with modern therapy, but some patients still die of the disease. The recognition of patients with adverse prognosis, justifying deviation from standard treatment and risking severe side effects, is problematic. The aim of this study was to identify potential biological factors for the prediction of poor treatment response and central nervous system (CNS) relapse in DLBCL patients. The study included 263 lymphoma patients. 205 patients had a DLBCL, and 37 of these represented primary CNS lymphoma (PCNSL). Immunohistochemistry was used to determine the expression of oxidative stress markers 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG) and nitrotyrosine, as well as antioxidant enzymes manganese superoxide dismutase (MnSOD), thioredoxin (Trx) and gamma cysteine ligase (GCL) from samples representing reactive lymphoid tissue and B-cell derived lymphomas. From DLBCL samples staining was also conducted for cell cycle regulating proteins p16, p53, p21 and p27 and chemokine receptors CXCR4, CXCR5 and CCR7. Immunoelectron microscopy (IEM) for CXCR4 and CXCR5, and their ligands CXCL12 and CXCL13 was performed on additional samples from reactive lymphoid tissue, nodal DLBCL, secondary CNS lymphoma and PCNSL. Factors associated with adverse prognosis included expression of nitrotyrosine, Trx and GCL. A prognostic score reflecting the degree of cell cycle dysregulation within each patient’s tumour identified 3 distinct prognostic groups among DLBCL patients. High cytoplasmic CXCR5 expression was associated with CNS involvement, whereas nuclear CXCR4 expression correlated with nodal disease. These results demonstrate the considerable biological heterogeneity seen within DLBCL, but further research is needed to confirm them. High antioxidant activity and the accumulation of damage to cell cycle regulating pathways separated patient groups with a poor prognosis that might benefit from new types of treatment. Chemokine receptor expression seems to play a role in the CNS tropism of DLBCL, and, if confirmed, could in the future contribute to more effective targeting of CNS prophylactic therapies. / Tiivistelmä Lymfoomat ovat yli 70 erilaisen maligniteetin muodostama ryhmä imukudoksen syöpiä, ja diffuusi suurisoluinen B-solulymfooma (engl. DLBCL) on yleisin lymfoomatyyppi. Yli 70 prosenttia DLBCL-potilaista pystytään parantamaan nykyaikaisilla hoidoilla, mutta osa potilaista kuolee edelleen tautiin. Nämä potilaat tarvitsisivat tehokkaampia hoitoja vakavien haittavaikutusten riskistä huolimatta, mutta huonon ennusteen potilaiden tunnistaminen etukäteen on vaikeaa. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää biologisia tekijöitä DLBCL-potilaiden hoitovasteen ja taudin keskushermostossa (engl. CNS) uusiutumisen ennustamiseen. Aineisto sisältää 263 lymfoomapotilasta. 205 potilaalla on DLBCL, ja 37:llä näistä primaari aivolymfooma (PCNSL). Immunohistokemiallisilla värjäyksillä määritettiin oksidatiivisen stressin markkereiden 8-hydroksideoksiguanosiinin (8-OHdG) ja nitrotyrosiinin, sekä antioksidanttientsyymien mangaanisuperoksidi-dismutaasin (MnSOD), tioredoksiinin (Trx) ja gammakysteiiniligaasin (GCL) ilmentyminen reaktiivista imukudosta sekä B-soluperäisiä lymfoomia edustavissa näytteissä. DLBCL-näytteistä määritettiin lisäksi solusykliä säätelevien proteiinien p16, p53, p21 ja p27 sekä kemokiinireseptorien CXCR4, CXCR5 ja CCR7 ilmentyminen. Lisäksi reaktiivista imukudosta, imusolmuke-DLBCL:aa, sekundaarista CNS-lymfoomaa ja PCNSL:aa edustavista näytteistä määritettiin immunoelektronimikroskooppisesti reseptorien CXCR4 ja CXCR5 sekä ligandien CXCL12 ja CXCL13 ilmentyminen. Tulosten mukaan voimakas nitrotyrosiini-, Trx- ja GCL-positiivisuus ovat yhteydessä huonoon ennusteeseen. Solusyklin säätelyhäiriön vaikeusastetta kuvaava ennusteellinen pisteytys jaotteli DLBCL-potilaat kolmeen ennusteelliseen ryhmään. Runsas sytoplasminen CXCR5-positiivisuus oli yhteydessä CNS-tautiin, kun taas tumapositiivisuus CXCR4:lle korreloi imusolmuketautiin. Tutkimustulokset kuvaavat DLBCL:n merkittävää biologista heterogeenisyyttä, mutta tulosten varmistamiseksi tarvitaan lisää tutkimuksia. Korkea antioksidanttiaktiivisuus ja solusyklin säätelyhäiriöiden kasautuminen erottivat huonoennusteisia potilasryhmiä, jotka voisivat hyötyä uudenlaisista hoidoista. Kemokiinireseptorien ilmentyminen vaikuttaisi olevan yhteydessä DLBCL:n CNS-hakuisuuteen, ja tulosten varmistuessa ekspressioprofiilien analysointia voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää ennaltaehkäisevien hoitojen tehokkaammassa kohdentamisessa.