Abstract Acne is a common skin disease that affects nearly every teenager but in some cases it persists into adulthood as a chronic disease. Acne severity ranges from mild comedonal to severe cystic and scarring disease. The pathogenesis of acne is multifactorial: increased sebum production, hormonal influences, the hypercornification of pilosebaceous ducts, overgrowth of Propionibacterium acnes (P. acnes) and inflammation around pilosebaceous follicles are considered to be the main pathogenetic factors but few further details are known. The role of innate immunity in the pathogenesis of acne has been studied quite extensively, but the contribution of adaptive immune responses is not well characterized. Although isotretinoin has been the most potent medication for acne over 30 years, its mode of action is partially unknown. Furthermore, modern 16S ribosomal RNA (rRNA) gene amplicon sequencing based methods allow quantification of the abundance of skin bacteria, but these culture-independent techniques have not yet been used to assess the effect of systemic treatments, isotretinoin and tetracycline antibiotics on acne skin microbiota. In this study the innate and adaptive immune responses in the skin of acne patients were investigated. Skin biopsies were taken from early-stage acne lesions and from uninvolved skin of acne patients, and the samples were examined for the expression of cytokines, chemokines, transcription factors and antimicrobial peptides, using real-time polymerase chain reaction (PCR). In addition, the skin biopsies were examined by immunohistochemistry and Luminex technology, which was also used in the determination of cytokine levels in acne patients’ serum samples. The skin microbiota of swab samples was investigated using 16S rRNA gene amplicon sequencing. We found that innate and adaptive immune responses, in particular the activation of the IL-17/Th17 axis, are involved in early-stage acne lesions. Furthermore, the expression of effector cytokine TGF-β and transcription factor of regulatory T cells (Tregs) FoxP3 mRNA was reduced in acne patients’ uninvolved skin compared to normal skin of healthy controls. Isotretinoin has no direct effect on innate and adaptive immune responses in newly formed acne lesions. It did, however, modify some innate immune responses: the expression of IL-1β and toll-like receptor 2 (TLR2) mRNA was reduced in uninvolved skin of acne patients, and the number of CD68+ macrophages increased in acne patients’ skin with isotretinoin treatment. After six weeks’ treatment, the abundance of P. acnes was similarly reduced with either isotretinoin or lymecycline treatment. However, previous studies and clinical experience show that isotretinoin is more clinically effective against acne than tetracyclines, probably because of the effect of isotretinoin on sebaceous glands and sebum excretion. Acne is a disease, which at its worst results in significant scarring. Therefore it is important to understand the immunological factors behind its pathogenesis. Our findings show that both adaptive and innate immunity play an important role. Isotretinoin, although currently the most potent anti-acne drug, does not directly affect the adaptive immune response and therefore new medications are required to control the relevant immune responses, especially in severe cystic or fulminant acne. / Tiivistelmä Akne on yleinen ihosairaus, joka koskettaa lähes jokaista teini-iässä ja jatkuu osalla kroonisena sairautena läpi aikuisiän. Aknen vaikeusaste vaihtelee lievästä vaikeisiin, arpeuttaviin tautimuotoihin. Aknen patogeneesin tiedetään olevan monitekijäinen. Tärkeimmät aknen syntyyn vaikuttavat tekijät ovat lisääntynyt talineritys hormonien, erityisesti androgeenien vaikutuksesta, talirauhaskarvatuppitiehyen tukkeutuminen, Propionibacterium acnes (P. acnes) – bakteerin liikakasvu sekä tulehdusreaktio talirauhaskarvatupen ympärillä. Synnynnäisen immuniteetin roolia aknen synnyssä on tutkittu paljon, sen sijaan hankittua immuniteettia huomattavasti vähemmän. Myöskään yli 30 vuotta käytössä olleen tehokkaimman aknelääkkeen, isotretinoiinin, vaikutusmekanismia ei täysin tiedetä. Lisäksi systeemilääkkeiden, isotretinoiinin ja tetrasykliiniryhmän antibioottien, vaikutusta akneihon bakteeristoon ei ole tutkittu moderneilla, polymeraasiketjututkimuksiin (PCR) perustuvilla menetelmillä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin synnynnäisiä ja hankittuja immuunireaktiota aknea sairastavien ihossa ja isotretinoiinin vaikutusta näihin reaktioihin. Tutkimuksessa hyödynnettiin aknepotilaiden ihokoepaloja, joista tutkittiin sytokiinien, kemokiinien, transkriptiotekijöiden sekä antimikrobisten peptidien ilmentymistä reaaliaikaisella PCR-menetelmällä. Lisäksi ihokoepaloja tutkittiin immunohistokemiallisilla värjäyksillä ja Luminex-menetelmällä, jota hyödynnettiin myös sytokiini-tasojen määrittämiseen aknepotilaiden seeruminäytteistä. Aknea sairastavien ihon bakteeristoa tutkittiin 16S ribosomaalisen RNA:n geenien sekvensointiin pohjautuvalla menetelmällä. Väitöstutkimuksessa havaitsimme, että varhaisvaiheen aknemuutoksessa käynnistyvät sekä synnynnäisen että hankitun immuniteetin vasteet. Erityisesti IL-17/Th17-akseli on aktivoitunut. Lisäksi aknea sairastavien terveellä iholla tulehduksen välittäjäaineen TGF-1β ja transkriptiotekijän FoxP3 ilmeneminen oli alentunut verrattuna terveihoisiin kontrolleihin. Isotretinoiinilla ei ole suoraa vaikutusta synnynnäisen ja hankitun immuniteetin reaktioihin jo olemassa olevissa varhaisen vaiheen aknemuutoksissa. Aknea sairastavien terveessä ihossa isotretinoiini muokkasi luontaisen immuniteetin vasteita mm. vähentämällä tollin kaltaisen reseptorin (TLR)- 2 ja tulehduksen välittäjäaineen IL-11β ilmenemistä sekä lisäämällä makrofagien kertymistä tulehduspaikalle. Kuuden viikon hoito isotretinoiinilla tai lymesykliinillä vähentää yhtä tehokkaasti aknealueilla P. acnes -bakteerin suhteellista osuutta ihon bakteeristosta. Isotretinoiini on kuitenkin antibiootteja tehokkaampi aknelääke ja lisäksi hoitovaste saavutetaan pitemmäksi aikaa, mikä johtunee isotretinoiinin vaikutuksesta talirauhasiin ja talinerityksen vähentämisestä. Aknen tulehdusmekanismien ymmärtäminen on tärkeää taudissa, joka pahimmillaan johtaa merkittävään arpeutumiseen. Tutkimuksemme perusteella hankittu immuniteetti on tärkeässä roolissa synnynnäisen immuniteetin aktivoitumisen rinnalla aknen synnyssä. Tehokkain aknelääke, isotretinoiini ei vaikuta hankittuun immuunivasteeseen, minkä vuoksi jatkossa tarvitaan uusia lääkkeitä isotretinoiinin rinnalle tulehduksen nopeaan hillitsemiseen vaikeissa aknemuodoissa.

Abstract Incidence of esophageal adenocarcinoma is rising rapidly in Western countries. The main risk factor for esophageal adenocarcinoma is Barrett’s esophagus. Barrett’s esophagus results from long-term gastroesophageal reflux disease. The gastrointestinal tract is colonized by bacteria, fungi and viruses forming the alimentary tract microbiome. Microbiome transformation is involved in pathogenesis of alimentary tract cancer and also in the development of Barrett’s metaplasia. Toll-like receptors (TLR) are molecules of the innate immune system and they are involved in bacterial and viral recognition and regulation of immune functions in the host and cancer cells. This thesis examined the effect of alimentary tract microbiome and cancer- on the function of TLRs in normal gastrointestinal epithelial cells. An additional focus of the thesis was also to assess the carcinogenetic effect of TLRs 1–9 in Barrett’s esophagus metaplasia – dysplasia – carcinoma sequence. Study material consisted of: a patient cohort, organ donors, conventional and germ-free mice. TLRs are expressed also in a “microbe-free” gut. There were significant differences in all TLRs between small- and large intestine of conventional mice and in humans. In germ-free mice that difference was not observed. Normal tissue sampled adjacent to the tumors of cancer patients can be used as controls in immunohistochemical TLR studies in gastrointestinal cancer Clinical data indicate that TLRs linearly increase toward dysplasia in Barrett’s esophagus. High cytoplasmic and nuclear TLR4 expression and TLR1 and 8 nuclear immunoreactivity in esophageal adenocarcinoma are associated with metastatic disease and poor prognosis. Based on our results, bacteria seem to downregulate TLR expression of the intestine. TLRs 1–9 apparently have a role in malignant progression of Barrett’s dysplasia. TLR1, TLR4 and TLR8 may represent a novel therapeutic target in esophageal adenocarcinoma. / Tiivistelmä Ruokatorven adenokarsinooma on länsimaissa nopeasti yleistyvä syöpätyyppi. Tämän syöpätyypin tärkein riskitekijä on Barrettin ruokatorvi, joka kehittyy pitkään jatkuneen gastroesofageaalisen refluksitaudin pohjalta. Ruuansulatuskanavassa on suuri määrä bakteereja, sieniä ja viruksia, jotka muodostavat yhdessä ruuansulatuskanavan mikrobiomin. Normaalin mikrobiomin muutokset ovat yhteydessä usean eri ruuansulatuskanavan syövän patogeneesiin ja myös Barrettin ruokatorven muodostumiseen. Tollin kaltaiset reseptorit ovat luontaisen immuniteetin molekyylejä, jotka osallistuvat bakteerien ja virusten tunnistukseen ja sääntelevät immuunivastetta sekä normaalitilanteessa että syövissä. Väitöskirjassa tutkitaan ruuansulatuskanavan mikrobiomin ja syövän vaikutuksia normaalien epiteelisolujen TLR:ien toimintaan. Lisäksi selvitetään TLR:ien karsinogeneettisiä vaikutuksia Barrettin ruokatorven metaplasia- dysplasia -adenokarsinoomasekvenssissä. Tutkimusmateriaalina käytetään potilaskohortista ja elinluovutuksista peräisin olevia potilasnäytteitä sekä normaalien ja bakteerittomien hiirien näytteitä. Tuloksemme osoittavat, että TLR:t ilmentyvät myös bakteerittomassa ruuansulatuskanavassa, ja TLR:en ilmentyminen oli merkittävästi voimakkaampaa ohutsuolessa kuin paksusuolessa normaaleilla hiirillä ja ihmisillä. Tätä eroa ei havaittu bakteerittomilla hiirillä. Ruuansulatuskanavan syöpien viereistä ja sen altistamaa tervettä kudosta voidaan käyttää terveenä kontrollina immunohistokemiallisissa TLR- tutkimuksissa. Kliinisessä aineistossa TLR:ien ilmentyminen kasvaa lineaarisesti kohti dysplasiaa Barrettin ruokatorvessa. TLR4:n korkea ilmentyminen solulimassa ja tumassa sekä TLR8:n ilmentyminen tumassa ovat yhteydessä metastaattiseen tautiin ja huonoon ennusteeseen. Tulosten perusteella bakteerit näyttävät heikentävän TLR:ien toimintaa suolistossa. Lisäksi kaikilla tutkituilla TLR:illä (1–9) näyttää olevan osuutta Barrettin dysplasian etenemisessä kohti syöpää. TLR1, TLR4 ja TLR8 ovat mahdollisia terapeuttisia kohteita ruokatorven adenokarsinoomassa.

Abstract Obesity and dyslipidemia are major risk factors for type 2 diabetes, cardiovascular diseases (CVD), cancer, and musculoskeletal disorders. In prevention, the major goal is to limit calorie consumption and to reduce LDL-C and triglyceride. Dietary fiber (DF) intake is inversely related to body weight gain, insulin resistance, dyslipidemia, and CVD. This thesis investigated the effects of the DFs polydextrose (PDX) and lignin-rich insoluble residue (INS) from brewer’s spent grain (BSG) on lipid metabolism and obesity in diet-induced obese mice. In study 1, PDX was investigated on lipid metabolism in Western-diet-fed mice. We found that PDX reduced fasting plasma cholesterol and triglyceride, food intake, and increased bacteria such as Allobaculum, Bifidobacterium and Coriobacteriaceae in the gut. These changes in the gut microbiota with PDX were associated with downregulation of the genes Fiaf, Dgat1 and Cd36, and upregulation of Fxr in the intestine. We suggest that the hypolipidemic effect of PDX is exerted via diet-induced modification of gut microbiota and gene expression. In study II, INS from BSG was studied for its degradation products in mice fed with a fiber-deficient diet. We found that INS was partially degraded by gut microbiota and contributed to the phenolic pool. The major metabolite in mouse urine was 4-methylcatechol, a degradation product of lignin. In study III, the effects of INS from BSG were studied on lipid metabolism and obesity in high-fat diet-fed mice. INS showed hypocholesterolemic effects, reduced body weight and hepatic steatosis, and increased bacterial diversity, Clostridium leptum, and Bacteroides. INS increased bile acid excretion in the feces and upregulated the genes Srebp2, Hmgcr, Ldlr, Cyp7a1, Pparα, Fxr and Pxr in the liver. The present results suggest that INS from BSG induced beneficial systemic changes via bile acid and gut microbiota. In study IV, PDX was investigated for food intake and appetite-related parameters in healthy and overweight females in an acute study. A midmorning preload of 12.5 g PDX reduced hunger by 31.4% during satiation period while there was no significant change in energy intake compared to placebo. In addition, PDX lowered plasma insulin significantly, by 15.7%, and increased GLP-1 by 39.9%. PDX may reduce appetite, but a larger trial would be needed. / Tiivistelmä Liikalihavuus ja rasvatasapainon häiriöt ovat riskitekijöitä sydän- ja verisuonisairauksien, tyypin 2 diabeteksen, syövän sekä luuston ja lihaksiston sairauksien kehittymiseen. Näiden sairauksien ehkäisyssä pääasiallisena tavoitteena on vähentää energiansaantia, LDL-kolesterolia ja triglyseridejä. Ruoan ravintokuitujen saannin on osoitettu olevan yhteydessä painon ja plasman rasvatasojen laskuun sekä sydän- ja verisuonisairauksien vähenemiseen. Tässä tutkimuksessa selvitettiin ravintokuitu polydekstroosin (PDX) ja viljanjyvien prosessoinnista ylijäävän (BSG, brewer’s spent grain) ligniinipitoisen liukenemattoman sivutuotteen (INS) merkitystä rasva-aineenvaihduntaan ja aineenvaihduntasairauksiin liikalihavilla hiirillä. Tutkimuksessa I tarkasteltiin ravintokuitu PDX:n vaikutusta rasvojen aineenvaihduntaan länsimaisella ruokavaliolla ruokituilla hiirillä. Tutkimus osoitti, että ruokavalioon lisätty PDX alensi plasman kolesteroli- ja triglyseriditasoja paastossa sekä hillitsi ravinnonottoa ja lisäsi Allobaculum-, Bifidobacterium- ja Coriobacteriaceae-suolistobaktereja. Nämä suolistomikrobiston muutokset ovat yhteydessä Fiaf, Dgat1 ja Cd36 -geenien ilmentymistasojen laskuun ja Fxr -geenin ilmentymistason nousuun PDX-lisäruokittujen hiirien suolistossa. PDX:n hypolipideeminen vaikutus näyttäisi välittyvän ruokavaliosta johtuvan suoliston geenien ilmentymisen ja suolistomikrobiston muuttumisen kautta. Tutkimuksessa II tarkasteltiin runsaasti ligniiniä sisältävän INS:n hajoamistuotteiden vaikutusta aineenvaihduntaan hiirillä, joiden ruokavaliossa on vähemmän kuitua. Tutkimuksessa havaittiin, että suolistomikrobit hajottivat ravintokuitu INS:n osittain fenoliyhdisteiksi verenkiertoon. INS lisäsi virtsassa 4-metyylikatekolin määrää, joka on ligniinin hajoamistuote. Tutkimuksessa III tarkasteltiin INS-lisäyksen vaikutusta rasva-aineenvaihduntaan ja liikalihavuuteen korkearasvapitoisella ruokavaliolla ruokituilla hiirillä. Tulokset osoittivat, että INS-lisäys ruokavalioon alensi kolesterolia ja eläimen painoa sekä vähensi maksan rasvoittumista ja lisäsi vallitsevien bakteerien monimuotoisuutta, Clostridium leptum- ja Bacteroides -bakteereja. INS lisäsi sappihappojen erittymistä ulosteeseen ja Srebp2, Hmgcr, Ldlr, Cyp7a1, Pparα, Fxr ja Pxr -geenien ilmentymistä maksassa. Tuloksemme osoittivat, että BSG-ylijäämätuotteesta saatu ligniinipitoinen INS sai aikaan hyödyllisiä systeemisiä vaikutuksia suoliston mikrobiston ja sappihappojen muutosten kautta. Tutkimuksessa IV tarkasteltiin PDX:n vaikutusta ravinnonottoon ja ruokahaluun vaikuttaviin muuttujiin normaalipainoisilla ja liikalihavilla naisilla akuutissa tutkimuksessa. Tulosten mukaan ravintokuitu PDX:n nauttiminen aamiaisella vähensi näläntunnetta (31,4 %) seuraavalla aterioinnilla, kun taas plasebolla ei ollut vaikutusta. Lisäksi PDX alensi merkitsevästi insuliinitasoa (15,7 %) ja nosti GLP-1-tasoa (39,9 %). PDX vaikuttaisi vähentävän ruokahalua, mutta lisätutkimuksia tarvitaan.