Abstract The prevalence of obesity is dramatically on the rise in the Western world. Obesity is associated with several chronic diseases, including diabetes and cardiovascular disease (CVD). Non-alcoholic fatty liver disease occurs when fat is ectopically stored in the liver. It is closely associated with serious metabolic abnormalities. Non-alcoholic fatty liver disease ranges from simple hepatic steatosis with no inflammation to hepatic steatosis with a necroinflammatory component, which may lead to cirrhosis and liver failure. Adiponectin is an adipokine that is solely secreted by adipocytes and has anti-inflammatory, antiatherogenic and insulin-sensitizing properties. Adipose tissue inflammation contributes to reduced plasma adiponectin levels in obesity leading to further metabolic complications. Adiponectin may be a mediator between obesity and fat accumulation in the liver and skeletal muscle. Fatty liver may play a role in the pathogenesis of CVD. Mortality data show that CVD as the cause of death accounts for almost half of all deaths in Finland. Traditional risk factors for CVD are age, gender, smoking, high low-density lipoprotein level, high blood pressure and diabetes. The aim of the thesis was to investigate the mediators of fat accumulation in the liver and skeletal muscle as well as the role of fatty liver in the future risk for CVD. If one considers the peptide hormones, then adiponectin turned out to be the strongest independent indicator of the brightness of the liver. In addition, an association between a low adiponectin concentration and large muscle fiber size was observed, and this was not dependent on the amount of total fatness. Furthermore, severe fatty liver increased the risk for cardiovascular events, predicted the risk for death from all causes and death from CVD in a long follow-up. Insulin sensitivity seemed to play a more dominant role in developing cardiovascular events. In conclusion, this study demonstrates that adiponectin may have an important effect on fat accumulation in the liver and skeletal muscle. Adiponectin could be a target when considering the treatment and prevention of ectopic fat accumulation. Fatty liver seems to play a significant role in developing cardiovascular event and mortality to CVD. / Tiivistelmä Lihavuus on kasvava ongelma länsimaissa. Lihavuudella on todettu olevan yhteyttä lukuisiin kroonisiin sairauksiin, kuten diabetekseen ja sydän- ja verisuonitautiin. Ei-alkoholiperäinen rasvamaksa aiheutuu rasvan kertymisestä maksaan. Tilan on todettu liittyvän läheisesti vaikeisiin aineenvaihdunnan häiriöihin. Ei-alkoholiperäinen rasvamaksa vaihtelee vakavuusasteeltaan poikkeavasta rasvan kertymisestä tulehdukseen, joka voi edelleen johtaa kirroosiin ja maksan toiminnan pettämiseen. Adiponektiini on pääasiassa rasvakudoksen erittämä hormoni, jolla on tulehdusta hillitseviä, ateroskleroosilta suojaavia ja insuliinia herkistäviä ominaisuuksia. Rasvakudoksen tulehdustila myötävaikuttaa alentuneeseen adiponektiinipitoisuuteen, joka voi johtaa vaikeutuneisiin aineenvaihdunnan häiriöihin. Adiponektiinin epäillään olevan välittäjäaine lihavuuden ja rasvamaksan ja lihaksensisäisen rasvan välillä. Rasvamaksan ja kardiovaskulaarisairauksien välillä saattaa olla yhteys. Sydän- ja verisuonisairaudet aiheuttavat lähes puolet kuolemista Suomessa. Perinteisiä kardiovaskulaaritaudin riskitekijöitä ovat ikä, sukupuoli, tupakointi, korkea LDL-kolesteroli, korkea verenpaine ja diabetes. Tutkimuksemme tavoitteena oli selvittää maksan ja lihaksen rasvan kertymiseen myötävaikuttavia tekijöitä sekä rasvamaksan vaikutusta riskiin sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin. Tutkimuksessa havaittiin, että lihavuuteen liittyvistä hormoneista adiponektiini oli vahvin itsenäinen myötävaikuttaja rasvamaksan kehittymisessä. Plasman alentunut adiponektiinipitoisuus yhdistyi kasvaneeseen lihassolun kokoon riippumatta henkilöiden rasvakudoksen määrästä. Seurantatutkimuksen mukaan vaikeasti rasvoittunut maksa lisäsi riskiä sairastua kardiovaskulaaritautiin, ennusti yleistä kuolemanriskiä ja kuolemaa kardiovaskulaaritautiin. Insuliiniherkkyydellä näytti olevan merkittävä rooli sydän- ja verisuonitautitapahtumissa. Tutkimus osoittaa, että adiponektiinillä saattaa olla keskeinen rooli rasvan kertymisessä maksaan ja lihakseen. Adiponektiini voi olla keskeinen tutkimuskohde kehiteltäessä hoitomuotoja ja ehkäisymenetelmiä rasvakudoksen ulkopuolisen rasvan kertymiseen. Rasvamaksan rooli sairaalahoitoon tai kuolemaan johtavissa ateroskleroottisissa tapahtumissa on ilmeinen.

Abstract Blood pressure is usually measured on a clinic visit as a momentary value. It can also be defined as a continuum based on several repeated measurements. Ambulatory blood pressure measurement (ABPM) is a method of repeated BP measurements targeted to evaluate the circadian blood pressure (BP). Nondipping, i.e., the lack of reduction of BP during the night, has been shown to associate with cardiovascular endpoints. The aim of this study was to investigate the association between 24-hour ABPM and cardio-metabolic confounders in a cross-sectional, population-based study design. Particular attention was paid to the nondipping phenomenon. Adiponectin, a hormone secreted by the adipose tissue, has vasoprotective and anti-inflammatory effects. Reduced adiponectin level has been associated with hypertension. In this study adiponectin level was inversely associated with daytime systolic BP, but showed no association with nondipping. Hypertension is one component of metabolic syndrome (MS). MS has been associated with nondipping. The association between ABPM and metabolic abnormalities was studied in subjects without known hypertension or type 2 diabetes. Subjects with impaired glucose metabolism were more likely to belong to the group of nondippers. Fatty liver is considered as the hepatic manifestation of MS. A significantly higher prevalence of fatty liver has been seen in hypertensives compared to normotensive controls, elevating their risk for cardiovascular morbidity. The association between ABPM characteristics and fatty liver was evaluated in the present study. Significantly higher systolic ABPM levels were seen in subjects with fatty liver, but no association with nondipping existed. The kidney vasculature is prone to injury under a high continuous circadian BP load and lacking nighttime drop. This may lead to diminished glomerular filtration rate. Our study showed a significant independent association between renal function and the dipping status. Reduction in renal function was associated with increased risk of nondipping pattern. Carotid intima-media thickness (cIMT), the surrogate marker of early atherosclerosis, has been associated with blunted nocturnal BP drop. The association between cIMT and dipping status was explored. Nondipping pattern was associated with increased cIMT. In conclusion, ABPM specifies the information of circadian and nighttime BP level not achievable with conventional BP measurement. This is especially beneficial in metabolic abnormalities when the risk of cardiovascular morbidity is increased. / Tiivistelmä Väitöstutkimuksessa osoitettiin, että vuorokausiverenpaineen mittauksella eli ambulatorisella verenpaineenmittauksella on erityistä merkitystä sydän- ja verenpainesairastavuutta lisäävien metabolisten häiriöiden yhteydessä. Työssä haluttiin selvittää 24 tunnin aikana mitatun verenpainetason ja puuttuvan yöaikaisen verenpaineenlaskun eli nondipping-ilmiön yhteyttä tunnettuihin metabolisiin riskitekijöihin ja kaulavaltimoseinämän paksuuntumaan. Kyseessä on suomalaiseen, keski-ikäiseen väestöotokseen kohdistunut poikkileikkaustutkimus. Tavallisesti yöaikainen verenpainetaso laskee 10 % tai enemmän päiväaikaiseen verenpainetasoon nähden (dipping). Verenpaineen lasku voi kuitenkin jäädä puutteelliseksi (nondipping). Nondipping-ilmiön on todettu lisäävän sydän- ja verisuonisairastuvuuden riskiä. Kaulavaltimoseinämän paksuuntumaa on pidetty merkkinä varhaisesta valtimosairaudesta ja maksan rasvakertymä katsottu osaksi metabolista oireyhtymää. Metabolisiin häiriöihin sekä munuaistoiminnan häiriöihin liittyy lisääntynyt valtimosairauden riski. Väitöstutkimuksessa vuorokausiverenpaine mitattiin mukana kannettavalla automaattisella verenpaineenmittausmenetelmällä eli ambulatorisella verenpaineenmittauksella. Lisäksi verenpaine mitattiin tavalliseen tapaan vastaanottokäynnin yhteydessä. Maksan rasvaisuutta ja kaulavaltimon seinämäpaksuutta tutkittiin ultraäänilaitteella. Tavanomaisten taustamuuttujien lisäksi kerättiin laboratoriotietoa sokeriaineenvaihdunnasta, munuaissuodoksen määrästä sekä rasvakudoksen erittämän adiponektiinihormonin määrästä. Nondipping-ilmiön todettiin olevan itsenäisesti yhteydessä sokeriaineenvaihdunnan häiriöön, munuaissuodoksen alenemaan ja kaulavaltimon seinämäpaksuuntumaan. Kohonnut päiväaikainen systolinen verenpainetaso oli yhteydessä verisuoniston kannalta epäedulliseen adiponektiinihormonitasoon. Sekä systolinen että diastolinen verenpainetaso oli korkeampi henkilöillä, joilla todettiin maksan rasvoittuma kuin niillä, joilla ei ollut maksan rasvoittumaa. Tutkimus osoitti ambulatorisen verenpaineenmittauksen tuovan merkittävää lisätietoa etenkin sydän- ja verisuonisairastuvuuden riskiä jo sinällään lisäävissä tiloissa, kuten metabolisissa häiriöissä ja munuaistoiminnan alentumassa. Koska metaboliset häiriöt lisääntyvät jatkuvasti, on todennäköistä, että vuorokausiverenpaineen mittaus yleistyy osana valtimosairastavuuden kokonaisriskin arviointia.

Abstract Obesity, insulin resistance, type 2 diabetes (T2D) and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) form a dangerous quartet which threatens human health all over the world. About 25% of adults around the world have NAFLD, which poses risks for cardiovascular and metabolic well-being and may develop into liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Apart from lifestyle modification, treatment options for NAFLD are scarce. This thesis presents atrial fibrillation (AF) as a new complication of NAFLD among general population of 958 individuals aged 40-60 years participating in the OPERA study. Even after multiple-adjustments for confounding factors, ultrasound-based NAFLD predicted the development of AF during about 16 years of follow-up. Moreover, the association between AF and liver fibrosis in 76 individuals aged 64-82 years in a cross-sectional setting is presented. The thesis also shows that individuals with metabolic syndrome (MetS), with or without NAFLD, are at increased risk of cardiovascular events, T2D and the increase of left ventricular mass index in a study population of 958 individuals aged 40-60 years during a 20-year follow-up. In other words, NAFLD without MetS does not seem to expose to these three cardiometabolic complications. The thesis also shows that rifampicin-activated pregnane X receptor (PXR), a member of the nuclear receptor superfamily of ligand-activated transcription factors with several endobiotic and xenobiotic activators, increases serum levels of cholesterol, phospholipids and certain fatty acids, assessed by nuclear magnetic resonance metabolomics technique, in a randomized, open, placebo-controlled trial among 34 young and healthy individuals. These serum lipids are considered toxic lipids and capable of transforming hepatosteatosis into steatohepatitis and even more severe forms of NAFLD. Moreover, rifampicin-activated PXR has no effect on serum triglycerides, that are non-toxic lipids, or triglyceride accumulation in the liver, assessed by magnetic resonance imaging, in 15 young and healthy individuals. In conclusion, this thesis advances the knowledge in the pathogenesis, lipid metabolism, complications and heterogeneous nature of NAFLD. These may have implications for patient care and follow-up. / Tiivistelmä Maailmanlaajuisesti noin 25% täysi-ikäisistä henkilöistä sairastaa alkoholinkäyttöön liittymätöntä rasvamaksaa. Sen tiedetään altistavan sydän- ja verisuonisairauksille, aineenvaihduntahäiriöille, maksakirroosille ja jopa maksasyövälle, mutta elämäntapahoitoa lukuun ottamatta hoitomahdollisuudet ovat toistaiseksi vähäisiä. Tässä väitöskirjassa osoitetaan ensimmäistä kertaa alkoholinkäyttöön liittymättömän rasvamaksan ennustavan itsenäisesti eteisvärinän ilmaantuvuutta noin 16 vuoden seurannan aikana 958 tavallisen keski-ikäisen ihmisen aineistossa osana OPERA-tutkimusta. Lisäksi väitöskirjassa osoitetaan maksan sidekudosmuodostuksen ja eteisvärinän välillä olevan yhteys poikkileikkausasetelmassa 76 iäkkään ihmisen muodostamassa aineistossa. Väitöstutkimuksessa havaittiin myös, että metabolista oireyhtymää sairastavilla henkilöillä on suurentunut tyypin 2 diabeteksen, sydän- ja verisuonisairauksien sekä vasemman kammion koon suurentumisen riski noin 20 vuoden seurannan aikana 958 tutkittavan henkilön aineistossa riippumatta siitä, onko heillä alkoholinkäyttöön liittymätön rasvamaksa. Toisin sanoen alkoholin käyttöön liittymätön rasvamaksa ilman metabolista oireyhtymää ei lisää edellä mainittujen kolmen sairauden riskiä. Väitöstutkimuksessa esitetään lisäksi, että rifampisiinilla aikaansaatu maksan pregnane X -reseptorin aktivaatio johtaa seerumin fosfolipidien, tiettyjen rasvahappojen sekä usean eri kolesterolityypin lisääntymiseen 34 terveen nuoren henkilön aineistossa. Kirjallisuudessa näiden seerumin rasva-aineiden on esitetty aiheuttavan alkoholin käyttöön liittymätöntä maksatulehdusta ja jopa rasvamaksan vakavimpia muotoja. Toisaalta rifampisiini ei lisännyt seerumin triglyseridipitoisuutta eikä aiheuttanut magneettitutkimuksella mitattuna triglyseridien kertymistä maksaan 15 terveen nuoren henkilön aineistossa. Tämä väitöstutkimus antaa lisätietoa rasvamaksan kehittymisestä, rasva-aineenvaihdunnasta ja komplikaatioista sekä korostaa rasvamaksan monimuotoista luonnetta. Nämä löydökset saattavat parantaa rasvamaksaa sairastavien henkilöiden hoitoa ja seurantaa.

Abstract Metabolic syndrome is a constellation of metabolic abnormalities predisposing to cardiovascular diseases (CVD), type 2 diabetes, and increased mortality. Due to the high prevalence and severe co-morbidities, metabolic syndrome constitutes a major burden for both public health and the global economy. Improved understanding of the detailed molecular mechanisms could provide novel strategies for the treatment and preferably prevention of the metabolic syndrome-related health issues. Recent advancements in ‘omics’ technologies have facilitated the development of novel tools to examine the links between genetic variation and human health. The new techniques allow determination of millions of genotypes or quantification of hundreds of metabolic measures from a single blood sample. In this thesis, genomics and metabolomics approaches are coupled to improve our understanding of the metabolic syndrome-related health issues. More precisely, my projects evaluate the metabolic effects of two lipid-lowering therapies and non-alcoholic fatty liver, as well as assess genetic determinants of chronic inflammation. The present results indicate generally consistent metabolic effects of statins and proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) genetic inhibition. The subtle discrepancies observed could potentially contribute to differences in the efficacy to lower CVD risk between statins and PCSK9 inhibitors. The dissimilar metabolic effects of the four genetic variants that increase the risk of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) highlight the heterogeneity of the molecular mechanisms involved in NAFLD pathogenesis. The results further suggest that fatty liver by itself might not promote unfavourable metabolic aberrations associated with fatty liver on a population level. The newly identified loci associating with inflammatory phenotypes elucidate the genetic mechanisms contributing to the inflammatory load. In particular, the present results suggest the important role of the locus determining the ABO blood types in the regulation of the soluble adhesion molecule levels. To conclude, this thesis successfully complements the knowledge of the molecular mechanisms involved in metabolic syndrome-related traits and provides examples of how to couple omics technologies in the study of complex traits or in the evaluation of drug effects. / Tiivistelmä Metabolinen oireyhtymä on tila, jossa useiden aineenvaihdunnallisten riskitekijöiden kasautuminen suurentaa riskiä sairastua tyypin 2 diabetekseen ja sydän- ja verisuonitauteihin sekä lisää kokonaiskuolleisuutta. Vakavista liitännäissairauksista ja suuresta esiintyvyydestä johtuen metabolinen oireyhtymä kuormittaa merkittävästi sekä terveydenhuoltoa että kansantaloutta. Jotta metabolisen oireyhtymän hoitoon ja ennaltaehkäisyyn voitaisiin kehittää uusia keinoja, on tärkeää ymmärtää paremmin oireyhtymän syntyyn vaikuttavat täsmälliset molekyylimekanismit. Niin sanottujen ’omiikka-tekniikoiden’ viimeaikainen kehitys tarjoaa uusia mahdollisuuksia tutkia geenimuutosten vaikutuksia terveyteen. Uusien tekniikoiden avulla voidaan määrittää miljoonia genotyyppejä tai satoja aineenvaihdunnan merkkiaineita yhdestä verinäytteestä. Tässä väitöskirjatyössä yhdistetään genomiikan ja metabolomiikan menetelmiä metaboliseen oireyhtymään liittyvien terveysongelmien tutkimiseksi. Väitöskirjani osatöissä arvioin kahden lipidilääkkeen sekä ei-alkoholiperäisen rasvamaksan aineenvaihdunnallisia vaikutuksia sekä pyrin tunnistamaan krooniseen tulehdukseen vaikuttavia geneettisiä tekijöitä. Tulosten mukaan statiinien ja PCSK9:n (engl. proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) geneettisen eston aineenvaihduntavaikutukset ovat hyvin samankaltaiset. Kuitenkin havaitut pienet poikkeavuudet tietyissä merkkiaineissa voivat vaikuttaa eroavaisuuksiin siinä, kuinka tehokkaasti lääkeaineet alentavat sydäntautiriskiä. Suuret erot rasvamaksan riskiä lisäävien geenimuutosten vaikutuksissa aineenvaihduntaan korostavat rasvamaksaan liittyvien molekyylimekanismien monimuotoisuutta. Tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että rasvan kertyminen maksaan ei luultavasti itsessään aiheuta suuria muutoksia verenkierron aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuksiin. Tulehdusmerkkiaineisiin assosioituvat uudet geenialueet täydentävät tulehduksen molekyylimekanismeihin liittyvää tietoa. Tulokset korostavat ABO-veriryhmän määräävän geenin vaikutusta liukoisten adheesiomolekyylien pitoisuuksiin. Kaiken kaikkiaan väitöskirjan osatyöt tuovat uutta tietoa metaboliseen oireyhtymään liittyvien terveysongelmien molekyylimekanismeihin. Projektit havainnollistavat, miten omiikka-tekniikoita voidaan hyödyntää monitekijäisten fenotyyppien tutkimuksessa sekä lääkeaineiden aineenvaihduntavaikutusten arvioinnissa.