Abstract Matrix metalloproteinases (MMPs) are the zinc-dependent endopeptidases which belong to a large family of proteases. MMPs are responsible for degradation and remodeling of extracellular matrix proteins during growth, organogenesis and tissue turnover. Besides their role in physiological processes, MMPs also influence various pathological processes, i.e., inflammatory diseases and cancers, in which MMPs may ultimately lead to unwanted tissue destruction. One of the most widely studied MMPs is MMP-8. MMP-8 was previously thought to be expressed only by neutrophils. Presently, it is evident that MMP-8 can be expressed in a wide range of cells such as macrophages, plasma cells, T-cells, endothelial cells, smooth muscle cells, oral epithelial cells, fibroblasts etc. MMP-8 has been previously studied in inflammation and malignancies. High serum MMP-8 concentration is associated with the presence of atherosclerosis and poor cardiovascular disease prognosis, while higher plasma MMP-8 levels protect against lymph node metastasis. Certain MMP-8 gene variations can alter promoter activity and subsequent gene expression. MMP-8 gene variation influences obstetrical outcomes, and lung and breast cancer prognosis. For our study, we hypothesized that systemic levels of MMP-8 correlate with its genetic variations and appear as novel risk markers for disease. We aimed to address the potential role of MMPs and their regulators with a special focus on MMP-8 in distinct sets of inflammatory and malignant diseases, i.e. arterial diseases, and head and neck squamous cell cancer (HNSCC). We demonstrated that the combination of high serum MMP-8 and low myeloperoxidase (MPO) levels is an important risk marker for arterial disease. Further, we demonstrated that MMP-8 gene variation is protective against arterial diseases. Interestingly, we were able to demonstrate an association between MMP-8 gene variation and serum MMP-8 concentration in a healthy population. On the other hand, we showed that plasma tissue inhibitor of matrix metalloproteinases (TIMP-1) concentration is associated with survival in HNSCC patients and TIMP-1 genotype is associated with plasma TIMP-1 levels in women only. Collectively, our study showed that serum MMP-8 levels can be used as an important risk marker in arterial disease and TIMP-1 levels in HNSCC patients. Based on our results, the hypothesis raised has been widely confirmed. Additionally, our study has warranted the need for further investigation involving a larger number of patients. If our results are replicable, serum MMP-8 and plasma TIMP-1 could be used to develop diagnostic tools as well as treatment regimes in clinics. / Tiivistelmä Matriksin metalloproteinaasit (MMP:t) ovat sinkkiriippuvaisia endopeptidaaseja, jotka kuuluvat laajaan proteiineja pilkkovaan proteolyyttiseen entsyymi perheeseen. MMP:ien tehtävä on pilkkoa ja uudelleen muokata soluväliaineen proteiineja kasvun, elinten kehityksen ja kudosten uusiutumisen aikana, mutta MMP:t toimivat aktiivisesti myös patologisissa prosesseissa, kuten tulehdustiloissa ja syövissä. Syövissä MMP:en vaikutus voi johtaa ei-toivottuun kudostuhoon. Yksi laajimmin tutkituista MMP-ryhmän entsyymeistä on MMP-8, jonka alunpitäen ajateltiin ilmenevän vain neutrofiileissä. Nykytietämyksen mukaan MMP-8:aa ilmentyy myös mm. makrofaageissa, plasmasoluissa, T-soluissa, endoteelisoluissa, sileälihassoluissa, suun limakalvon epiteelisoluissa ja fibroplasteissa. MMP-8:aa on aikaisemmin tutkittu erityisesti tulehdustiloissa ja pahanlaatuisissa kasvaimissa. Korkean MMP-8 seerumipitoisuuden on havaittu liittyvän valtimokovettumatautiin ja huonoon ennusteeseen sydän- ja verisuonisairauksissa, kun taas kohonnut MMP-8:n pitoisuus plasmassa suojaa imusolmuke-etäpesäkkeiltä. Tiedetään, että tietyt muutokset MMP-8:n geenissä voivat muuttaa sen promoottoriaktiviteettia ja täten säädellä geenin ilmentymistä. MMP-8:n geenimuutokset vaikuttanevat raskaudenkulkuun sekä keuhko- ja rintasyövän ennusteeseen. Tutkimushypoteesimme mukaan MMP-8:n seerumipitoisuudet riippuvat vaihtelusta MMP-8:aa koodaavassa geenissä ja niitä voidaan pitää uusina riskinarvioinnin merkkiaineina tautitiloissa. Tavoitteenamme oli osoittaa yleisesti MMP:ien ja erityisesti MMP-8:n sekä näiden proteinaasien säätelytekijöiden merkitys tietyissä tulehdustiloissa ja maligniteeteissa, kuten sepelvaltimotaudissa ja pään ja kaulan alueen syövissä. Havaitsimme, että korkea MMP-8 seerumipitoisuus ja alhainen myeloperoksidaasitaso yhdistyvät vahvasti valtimotautiriskiin. Lisäksi osoitimme, että tietty MMP-8:n geenimuunnos on suojaava tekijä valtimotaudille ja että MMP-8:n seerumikonsentraatio on siitä riippuvainen terveillä tutkituilla. Tämän lisäksi todensimme, että MMP:n kudosestäjän (tissue inhibitor of matrix metalloproteinases, TIMP-1) plasmapitoisuus liittyy pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpää sairastavien potilaiden eloonjääntiin ja että TIMP-1:n genotyyppi liittyy sen plasmapitoisuuteen ainoastaan naisilla. Tulostemme mukaan seerumin MMP-8-pitoisuutta voidaan pitää hyvänä riskinarviointivälineenä verisuonitaudeissa sekä TIMP-1-pitoisuutta vastaavasti pään ja kaulan alueen levyepiteelisyövissä. Saadut tulokset tukevat olettamustamme, jonka mukaan MMP-8 on tärkeä tautimarkkeri. Tämä on lisännyt kiinnostusta selvittää MMP:ien merkitystä laajemmin muissa tulehdustiloissa ja syövissä. Jos tulokset saadaan toistetuksi laajemmassa tutkimusaineistossa, seerumin MMP-8:sta voidaan kehittää kliinisten ja analyyttisten laboratorioiden käyttöön sopiva diagnostinen menetelmä.

Abstract The increasing prevalence of metabolic syndrome and the consequent cardiovascular diseases, including atherosclerotic diseases and type 2 diabetes, are a cause of public concern worldwide. This development has stimulated an active search for novel risk factors and new candidate genes. The hormones regulating energy balance and the polymorphisms associated with them are of special interest as potential risk factors for metabolic syndrome. Ghrelin is a novel peptide hormone from stomach with strong growth hormone releasing activity. It is also able to modify glucose and insulin metabolism, blood pressure levels, cardiac function, adipogenesis and inflammatory processes in experimental conditions. Whether ghrelin and ghrelin gene variations have a role in the development of metabolic syndrome and the associated diseases, is not known. In the present study, the associations between fasting plasma ghrelin concentrations, ghrelin gene mutations (Arg51Gln and Leu72Met), features of metabolic syndrome, type 2 diabetes and carotid artery atherosclerosis were analysed. In addition, the relationship between ghrelin and insulin-like growth factor I (IGF-I) concentrations was studied. The study population consisted of 1045 middle-aged subjects of the hypertensive and the control cohorts of the OPERA project from the City of Oulu, Finland. Low ghrelin concentrations were found to be associated with several components of metabolic syndrome: adiposity, low HDL cholesterol levels, high insulin concentrations and high blood pressure levels. The prevalence of insulin resistance and type 2 diabetes was increased amongst the subjects with low ghrelin concentrations. Out of the individual factors tested, IGF-I concentration was the most significant predictor of ghrelin concentrations. This negative association was strongest in the subjects with insulin resistance and type 2 diabetes, which suggests that changes in ghrelin/IGF-I interactions might be involved in the development of these conditions. The subjects with the Gln51 allele of the ghrelin gene had lower ghrelin concentrations and, consistent with the findings mentioned above, higher prevalence of type 2 diabetes and hypertension compared with the subjects homozygous for the Arg51 allele. No correlation between ghrelin and C-reactive protein concentrations was seen. However, there was a positive association between ghrelin concentrations and carotid artery intima-media thickness. This association was independent of the commonly recognised risk factors of atherosclerosis and was only seen in men, who also had more advanced atherosclerosis than women. These observations call for further studies to clarify the potential causative role of ghrelin in the etiology of metabolic syndrome, type 2 diabetes and atherosclerotic cardiovascular diseases. / Tiivistelmä Metaboliseen oireyhtymään liittyy kohonnut riski sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin kuten tyypin 2 diabetekseen ja sepelvaltimotautiin. Metabolisen oireyhtymän nopea esiintyvyyden kasvu on johtanut aktiiviseen uusien riskitekijöiden etsintään. Erityisen kiinnostuksen kohteena ovat olleet energia-aineenvaihduntaa säätelevät hormonit ja niihin liittyvät polymorfiat. Greliini on ensisijaisesti vatsalaukusta erittyvä hormoni, joka lisää voimakkaasti kasvuhormonin eritystä. Koeolosuhteissa sillä on myös vaikutuksia sokeriaineenvaihduntaan, verenpaineeseen, sydämen toimintaan, rasvakudoksen kehittymiseen ja tulehduksellisiin tapahtumiin, minkä perusteella on syytä epäillä greliinillä olevan osuutta metabolisen oireyhtymän ja siihen liittyvien sairauksien synnyssä. Tässä tutkimuksessa selviteltiin greliinin paastoplasmapitoisuuksien ja greliinipolymorfioiden (Arg51Gln ja Leu72Met) yhteyksiä metabolisen oireyhtymän piirteisiin, tyypin 2 diabetekseen ja kaulavaltimoiden ateroskleroosiin. Lisäksi tutkittiin greliinin ja insuliinin kaltaisen kasvutekijän (IGF-I) pitoisuuksien yhteyksiä. Tutkimusväestö koostui 1045 oululaisesta keski-ikäisestä OPERA tutkimukseen kuuluvasta henkilöstä. Tutkimuksessa matalien greliinipitoisuuksien havaittiin olevan yhteydessä useisiin metabolisen oireyhtymän piirteisiin: lihavuuteen, alhaisiin HDL kolesterolin pitoisuuksiin, korkeisiin insuliinipitoisuuksiin ja kohonneeseen verenpaineeseen. Matala greliinipitoisuus yhdistyi myös tyypin 2 diabeteksen ja verenpainetaudin esiintyvyyteen. Tutkituista tekijöistä IGF-I -pitoisuudet selittivät parhaiten greliinipitoisuuksia. Tämä käänteinen yhteys oli erityisen vahva tyypin 2 diabeetikoilla ja insuliiniresistenteillä henkilöillä viitaten greliinin ja IGF-I:n mahdollisen vuorovaikutukseen liittyvän näiden tilojen kehittymiseen. Lisäksi havaittiin, että greliinigeenin Gln51-alleelia kantavien henkilöiden greliinipitoisuudet olivat alhaiset, ja että he sairastivat enemmän diabetesta ja verenpainetautia kuin henkilöt jotka olivat homotsygootteja Arg51-alleelin suhteen. Greliinipitoisuudet ja C-reaktiivisen proteiinin pitoisuudet eivät korreloineet keskenään. Kaulavaltimon seinämäpaksuus korreloi positiivisesti greliinipitoisuuksien kanssa miehillä riippumatta perinteisistä ateroskleroosin riskitekijöistä. Tutkimustulokset tukevat olettamusta, että greliinillä saattaa olla merkitystä metabolisen oireyhtymän, tyypin 2 diabeteksen ja ateroskleroosin kehittymisessä. Jatkotutkimukset ovat tarpeen tämän yhteyden osoittamiseksi.