Abstract Rheumatoid arthritis and osteoarthritis are two chronic joint diseases, which cause two of the largest socioeconomical burdens among all joint diseases according to the World Health Organization. Both diseases are associated with changes in bone structure and bone cell, especially osteoclast, function. The etiology or pathogenesis of these diseases are not completely understood. Traditionally, osteoarthritis is seen as a disease resulting from mechanical wear of cartilage and bone, and rheumatoid arthritis as an autoinflammatory disease of synovial tissue. However, also in osteoarthritis chronic inflammation is present in synovial tissue, and in rheumatoid arthritis large changes in bone structure are seen. The field of study focusing on this connection between inflammation and bone is called osteoimmunology and it can explain many features of these chronic diseases linking joint health to disturbances in bone homeostasis. Here, the study focused on the function of osteoclasts in normal and pathological environments, and on the factors that have an effect on bone resorption, with a special emphasis on the protein osteopontin. Samples of synovial fluid and serum from rheumatoid arthritis and osteoarthritis patients were analyzed for factors affecting osteoclasts, and in vitro cell cultures of human derived osteoclasts were used to analyze osteoclast function in normal and pathological environment. The phosphorylation of osteopontin was found to be increased in rheumatoid arthritis, along with multiple other inflammatory factors that also affect osteoclasts, such as IL-6, IL-8 and VEGF. Osteoclast cell cultures showed how the use of different patient samples significantly affected osteoclastogenesis, due to so-called inflammatory osteoclastogenesis. Additionally, we show that osteoclasts deposit osteopontin into the resorption lacunae during bone resorption. Based on the results, the inflammatory component present in both osteoarthritis and rheumatoid arthritis significantly affects osteoclast function, and its further study in the future may reveal new therapeutic possibilities. Especially the new discoveries of osteopontin’s role in normal osteoclast function and its changes seen between osteoarthritis and rheumatoid arthritis may prove to have therapeutic potential. / Tiivistelmä Nivelreuma ja nivelrikko ovat kroonisia nivelsairauksia, jotka Maailman terveysjärjestön (WHO) mukaan aiheuttavat eniten sosioekonomista haittaa. Molemmissa sairauksissa luiden rakenteessa ja luusolujen, erityisesti osteoklastien, toiminnassa tapahtuu muutoksia. Kummankaan taudin etiologiaa tai patogeneesiä ei täysin tunneta. Perinteisesti ajatellaan, että nivelrikko johtuu rusto- ja luukudoksen mekaanisesta kulumisesta ja nivelreuma nivelkalvon autoinflammatoorisesta tulehduksesta. Kuitenkin nivelrikossa nähdään myös selkeä nivelkalvon krooninen tulehdus ja nivelreumassa suuria luun rakenteen muutoksia. Tutkimusala, joka tutkii tulehduksen ja luun yhteyttä, on nimeltään osteoimmunologia. Tässä väitöskirjassa tutkitaan osteoklastien toimintaa ja niihin vaikuttavia tekijöitä, erityisesti proteiini osteopontiinia, normaalissa ja tautiympäristössä. Analysoin osteoklasteihin vaikuttavia tekijöitä nivelrikko- ja nivelreumapotilaiden näytteistä sekä osteoklastien toimintaa soluviljelmissä. Soluviljelmissä käytettiin nivelreuma- ja nivelrikkopotilaiden näytteitä mahdollisimman totuudenmukaisen ympäristön luomiseksi osteoklasteille. Tutkimuksessa osoitettiin, kuinka osteopontiinin fosforylaatio on lisääntynyt nivelreumapotilaiden nivelnesteessä. Myös useiden muiden osteoklasteihin vaikuttavien tekijöiden, kuten IL-6:n, IL-8:n ja VEGF:n, havaittiin lisääntyneen nivelreumassa. Osteoklastien soluviljelmissä havaittiin selkeät erot siinä, miten eri potilasnäytteet vaikuttavat osteoklasteihin ja erityisesti tulehduksen aiheuttamaan osteoklastien syntyyn. Osoitan myös, miten osteoklastit erittävät osteopontiinia luunhajotuskuoppaan luun hajotuksen aikana. Tutkimustulosten mukaan krooninen tulehdustila nivelrikossa ja nivelreumassa vaikuttaa huomattavasti osteoklastien toimintaan. Uskon, että lisätutkimukset tällä saralla voivat paljastaa uusia hoidollisia mahdollisuuksia. Erityisesti uudet löydökset osteopontiinin roolista osteoklastien toiminnassa sekä muutoksista nivelrikossa ja nivelreumassa vaativat jatkotutkimuksia, jotta proteiinin kliininen merkittävyys saadaan selvitettyä.

Abstract Thoracic aortic aneurysms (TAAs) are a significant source of morbidity and mortality. Classical risk factors for TAAs are hypertension, atherosclerosis, male gender, smoking, age, high body mass index, family history and chronic obstructive pulmonary disease. In addition, in certain cases of TAAs, i.e., ascending aortic aneurysms (AscAA), genetic factors are highly prominent. Matrix metalloproteinases are in a major role in the destruction of the aortic wall and the imbalance between matrix metalloproteinases, and their inhibitors are involved in the formation of aneurysms. In addition, osteopontin is a potent regulator of matrix metalloproteinases and it is widely expressed in injured arteries. Recently, telomere shortening has been shown to be involved in the development of abdominal aortic aneurysms (AAA). In this aneurysm type, atherosclerosis has a major role. Since atherosclerosis is frequently absent in the case of TAAs, the length of telomeres was measured in the blood samples of TAA patients. The purpose of this thesis was to study the genetic background of TAAs of the ascending aorta and furthermore, the molecular background of this disease. The first study was done with families with TAAs, and dissections and one chromosomal locus (5q13-14) of the studied seven loci showed a significant genetic linkage for TAAs. Two other studies were done exploiting our TAA case-control material. Study II showed elevated levels of osteopontin, matrix metalloproteinase type 2 and 9 in the plasma and tissue samples of TAA patients compared with controls. In the third study, longer blood leukocyte telomeres were found in the DNA samples of TAA patients compared with controls; furthermore, the elevation of telomere lengthening protein telomerase expression was found in the tissue samples of TAA patients. This thesis presents region 5q13-14 as a potential genetic regulator for TAAs in Finnish families. In addition, elevated levels of osteopontin, matrix metalloproteinase type 2 and 9 can be considered as a plasma biomarker for aneurysmal disease. Furthermore, longer blood leukocytes were found to be a significant risk factor for developing TAAs. / Tiivistelmä Rinta-aortan aneurysmat ovat merkittävä sairastumisiin ja kuolemiin johtava tekijä. Perinteisinä riskitekijöinä aneurysmille on pidetty korkeaa verenpainetta, ateroskleroosia, miessukupuolta, tupakointia, ikää, ylipainoa, suvussa esiintyneitä aneurysmatapauksia ja keuhkoahtaumatautia. Näiden lisäksi erityisesti nousevan rinta-aortan alueella esiintyvissä aneurysmissa myös perinnöllisillä tekijöillä on korostunut merkitys. Matriksimetalloproteinaaseilla ja niiden estäjillä on merkittävä rooli, kun aortan seinämää hajotetaan. Tasapainon järkkyminen kyseisten proteiinien keskinäisessä suhteessa voi johtaa aneurysman muodostumiseen. Myös osteopontiinin tiedetään olevan tehokas matriksimetalloproteinaasien säätelijä, ja sitä tuotetaankin yleisesti vahingoittuneessa verisuonessa. Telomeerien lyhentyminen on vastikään yhdistetty vatsa-aortan alueella esiintyviin aneurysmiin, joissa ateroskleroosilla on yleensä merkittävä rooli. Koska ateroskleroosi on vain harvoin nousevan rinta-aortan alueen aneurysmien taustalla, rinta-aortan aneurysmapotilaiden valkosolujen telomeerien suhteelliset pituudet määritettiin. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä keskityttiin löytämään geneettinen kytkentä rinta-aortan aneurysmien ja jonkin seitsemän tutkitun kromosomialueen välille. Geneettinen kytkentä löydettiin kromosomialueelta 5q13-14. Osatöissä 2 ja 3 hyödynnettiin rinta-aortan aneurysmien potilas- ja verrokkiaineistoja. Osatyö 2 osoitti, että matriksimetalloproteinaasien (2 ja 9) määrät ovat kohonneet rinta-aortan aneurysmapotilaiden näytteissä verrokkeihin verrattuna. Osatyössä 3 telomeerien suhteelliset pituudet veren valkosoluissa olivat pidemmät nousevan rinta-aortan aneurysmapotilaiden näytteissä verrokkihenkilöiden näytteisiin verrattuna. Myös telomeraasin tuotto oli lisääntynyt rinta-aortan aneurysmapotilaiden aorttakudosnäytteissä. Väitöskirjassa esitetään tuloksena kromosomialue 5q13-14 geneettisenä säätelijänä suomalaisissa suvuittain esiintyvissä rinta-aortan aneurysmatapauksissa. Kohonneita matriksimetalloproteinaasien ja osteopontiinin tasoja voidaan lisäksi pitää biomarkkereina rinta-aortan aneurysmien sairastavuudelle. Veren valkosolujen pidemmät telomeerit näyttävät myös olevan yhteydessä rinta-aortan aneurysmien sairastavuuteen.