Abstract Prostate cancer is the most common cancer among men in Western industrialized countries. Approximately 60% of prostate cancer patients receive radiotherapy at some phase of the disease, a treatment based on the use of ionizing radiation to kill or control malignant cells. Unfortunately, adjoining healthy tissues are also affected by exposure to ionization, potentially leading to the emergence of adverse side effects, even several years later. The main radiation treatment modalities are external radiotherapy and low dose rate (LDR) or high dose rate (HDR) brachytherapy. Different techniques and methods are used to decrease the dose to healthy tissues, thus limiting the possibility of adverse effects. In this thesis a novel technique and associated equipment were developed whereby brachytherapy can be performed by inserting all needles simultaneously. This reduces the implantation time, thus minimizing the impairing effect on seed positioning accuracy resulting from prostate swelling. A phantom model was also constructed for testing and training purposes. DuraSeal® was investigated as a spacer material between the prostate and rectum, and its effect on rectal dose was evaluated during brachytherapy and external radiotherapy. DuraSeal® is resorbed over one to six months, thus altering rectal doses compared with the original dose plan. In brachytherapy, the resorption effect on rectal doses was calculated along with an evaluation of the potential of using different isotopes. In external radiotherapy, the resorption effect on rectal dose-volume histograms (DVHs) was calculated and the need for adaptive planning considered. DuraSeal®, as a spacer gel, clearly has favorable effects on rectal and anterior rectal wall DVHs in brachytherapy and external radiotherapy, and has the potential to decrease adverse effects. It is especially beneficial in hypofractionated treatments and external radiotherapy and brachytherapy combination treatment. In LDR brachytherapy using permanent seeds, dose planning is recommended prior to gel injection to prevent excessive rectal tolerance doses in situations where gel is rapidly resorbed. In external radiotherapy, the use of adaptive planning with a spacer gel improves rectal DVH, but is not necessary according to this thesis. / Tiivistelmä Eturauhasen syöpä on läntisten teollistuneiden maiden miesten yleisin syöpä. Arviolta 60 % eturauhassyöpäpotilaista saa sairauden jossain vaiheessa sädehoitoa. Sädehoito perustuu syöpäsolujen kontrolloimiseen ja tuhoamiseen ionisoivalla säteilyllä. Valitettavasti ionisoiva säteily vaikuttaa myös ympäröivään tervekudokseen aiheuttaen mahdollisia haittavaikutuksia jopa vuosien päästä. Sädehoidon kolme päätyyppiä ovat ulkoinen sädehoito sekä matala- ja korkea-annosnopeuksinen tykösädehoito (brakyterapia). Tervekudosannosten pienentämiseksi ja siten myös mahdollisten haittavaikutusten vähentämiseksi käytetään eri menetelmiä ja tekniikoita. Tässä väitöskirjassa kehitettiin uusi menetelmä ja laitteisto, joiden avulla voidaan brakyterapiassa asettaa kaikki neulat samanaikaisesti eturauhaseen. Menetelmä nopeuttaa implantointivaihetta, jolloin eturauhasen turpoaminen ei ehdi vaikuttaa jyvien asettelutarkkuutta heikentävästi. Samassa yhteydessä rakennettiin myös fantomi laadunvalvontaa ja harjoittelua varten. Työssä tutkittiin ja arvioitiin myös DuraSeal® geelin käyttöä välikemateriaalina eturauhasen ja peräsuolen välissä sekä geelin vaikutusta peräsuoliannoksiin. DuraSeal® resorboituu kuuden kuukauden aikana muuttaen alkuperäisen annossuunnitelman mukaista peräsuoliannosta. Brakyterapiassa tutkittiin ja laskettiin resorption vaikutusta sekä arvioitiin eri isotooppien käyttöä. Ulkoisessa sädehoidossa laskettiin resorption vaikutusta peräsuolen tilavuushistogrammeihin ja tutkittiin mahdollisen adaptiivisen suunnittelun käyttöä. DuraSeal® geelin käyttö välikemateriaalina pienentää selkeästi peräsuoliannoksia ja siten myös mahdollisesti tervekudosten haittavaikutuksia sekä ulkoisessa sädehoidossa että brakyterapiassa. Geelin käyttö on erityisen hyödyllistä hypofraktiohoidoissa sekä ulkoisen sädehoidon ja brakyterapian kombinoidussa käytössä. Matala-annosnopeuksisessa brakyterapiassa (jyvähoidoissa) annossuunnitelma suositellaan tehtäväksi ennen geelin ruiskutusta, jotta peräsuolen toleranssiannoksia ei ylitettäisi vaikka geeli resorboituisikin nopeasti. Ulkoisessa sädehoidossa adaptiivinen suunnittelu välikegeelin kanssa tuo lisäarvoa pienentämällä edelleen peräsuoliannoksia, mutta ei ole välttämätöntä.

Abstract Hodgkin lymphoma (HL) is among a heterogeneous group of lymphomas. Over 80% of all patients can be cured with chemo- and radiotherapy. HL has become a model to study long-term effects of radio- and chemotherapy, because of the excellent prognosis. There are a significant number of patients who suffer or die because of the treatment-related long-term toxicity. The aim of this work was to discover new possible biological factors to predict poor prognosis and offer new aspects to individualize patient treatment in a convenient manner in HL. The retrospective study involved HL patients uniformly treated in 1997–2015. Immunohistochemistry was used to determine the expression of various biological markers, including oxidative stress markers 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG) and nitrotyrosine and the antioxidant enzymes manganese superoxide dismutase (MnSOD) as well as peroxiredoxins (Prx II, Prx III, Prx V, Prx VI) in HL patient samples. Using immunohistochemistry, we also evaluated expression of hypoxia-inducible factors (HIF-1α, HIF-2α), prolyl hydroxylase domain enzymes (PHD1, PHD2, PHD3), the epigenetic regulator lysine (K)-specific demethylase 4 (KDM4A, KDM4B, KDM4D) as well as sirtuins (SIRT1, SIRT4, SIRT6), the DNA-repair proteins Human Rap1 interacting factor 1 (Rif1) and O6-alkylguanine DNA alkyltransferase (MGMT) from representative classical Hodgkin lymphoma (cHL) patient samples. Low-level expression of 8-OHdG was associated with poorer relapse-free survival (RFS) in advanced-stage HL and a high extent of MnSOD predicted early relapse in the whole HL cohort. Strong expression of PHD1, KDM4B and KDM4D predicted dismal RFS in radiotherapy-treated cHL patients. The results also showed that strong expression of HIF-1α, SIRT6 and Rif1, and SIRT6 together with Rif1, were associated with prolonged RFS, especially in advanced-stage radiotherapy-treated cHL patients. In multivariate analysis, PHD1, MnSOD, 8-OHdG and Rif1 separately and together with SIRT6 were statistically significant predictors of RFS. The results reflect the significance of the studied biomarkers in HL, especially in radiotherapy-treated patients. This might be beneficial when individualizing treatment strategies, avoiding overtreatment and controlling long-term treatment-related toxicity. Further research, however, is needed to confirm these preliminary findings. / Tiivistelmä Hodgkinin lymfooma (engl. HL) kuuluu heterogeeniseen imukudossyöpien eli lymfoomen ryhmään. Yli 80 % lymfoomapotilaista voidaan parantaa solunsalpaaja- ja sädehoidon avulla. Hyvän ennusteen takia HL- tutkimuksen tärkeä painopiste on säde- ja solunsalpaajahoidon pitkän ajan haittavaikutukset. Huomattava määrä potilaista kärsii tai jopa kuolee hoitoon liittyvistä pitkäaikaishaitoista johtuen. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli löytää uusia mahdollisia biologisia tekijöitä, jotka ennakoisivat taudin huonoa ennustetta ja samalla antaa uusia näkökulmia HL potilaiden hoidon yksilöllistämiseen. Tämä retrospektiivinen tutkimus käsitti vuosina 1997-2015 samanlaisesti hoidettuja Hodgkinin lymfooma -potilaita. Immunohistokemiallisilla värjäyksillä määritettiin biologisten merkkiaineiden, mukaan lukien oksidatiivisen stressin markkereiden 8- hydroksideoksiguanosiinin (8-OHdG) ja nitrotyrosiinin, sekä antioksidanttientsyymien mangaanisuperoksidi-dismutaasin (MnSOD) sekä peroksiredoksiinien (Prx II, Prx III, Prx V, Prx VI) ilmentymistä HL -potilasnäytteissä. Määrittelimme myös immunohistokemiallisilla värjäyksillä epigeneettisten säätelijöiden lysiinin spesifisen demetylaasientsyymin 4 (KDM4A, KDM4B, KDM4D) sekä sirtuiinien (SIRT1, SIRT4, SIRT6), hypoksiaa indusoivien tekijöiden (HIF-1α, HIF-2α), prolyylihydroksylaasientsyymien (PHD1, PHD2, PHD3) ja DNA:ta korjaavien proteiinien Rap1 vaikuttuvan tekijä 1 (Rif1) ja O6-metyyliguaniini-DNA metyylitransferaasin (MGMT) ilmentymistä edustavissa klassista Hodgkinin lymfoomaa sairastavien potilaiden (engl. cHL) näytteissä. Heikko 8-OHdG värjäytyminen ennusti ennenaikaista taudin uusiutumaa levinneessä HL:ssa ja korkea MnSOD ilmaantuvuus ennusti ennenaikaista taudin uusiutumaa koko HL -ryhmässä. Sädehoidetuilla cHL potilailla voimakas PHD1, KDM4B ja KDM4D värjäytyminen ennusti ennenaikaista taudin uusiutumaa. Tulokset osoittivat myös, että erityisesti sädehoidetuilla levinneen taudin cHL potilailla voimakas HIF-1α, SIRT6, Rif1 ja SIRT6 yhdessä Rif1:n kanssa oli yhteydessä pidentyneeseen uusiutumavapaaseen aikaan. Monimuuttuja-analyysissä PHD1, MnSOD, 8-OHdG ja Rif1 itsenäisenä ja yhdessä SIRT6 kanssa ennustivat tilastollisesti merkitsevästi taudin ennenaikaista uusiutumaa. Tulokset osoittavat näiden eri biomarkkereiden merkittävyyden HL:ssä, erityisesti sädehoitoa saaneilla potilailla. Tuloksista voi olla hyötyä, kun hoitokäytäntöjä yksilöidään, mikä voisi helpottaa välttämään liiallista hoitoa ja hallitsemaan pitkäaikaisiin hoitoihin liittyviä haittoja. Näiden alustavien havaintojen vahvistamiseksi tarvitaan kuitenkin lisätutkimuksia.

Abstract Background: Childhood brain tumors (CBTs) are the most common solid tumors in childhood. CBT survivors have a high risk of several late-effects, including cerebrovascular disease (CVD), neurocognitive impairment, secondary neoplasms, and low bone mineral density; however, only a few studies have clinically investigated the late-sequelae in young-adult CBT survivors. Aim: To determine the prevalence of CVD, neurocognitive impairment, secondary neoplasms, and bone mineral density in a national cohort of radiotherapy-treated long-term survivors of CBT. Subjects and Methods: Radiotherapy-treated CBT survivors diagnosed between 1970–2008 were selected based on the following inclusion criteria: follow-up ≥5 years since the cessation of therapy and age of ≥16 years at the time of the study. Survivors were clinically and neuropsychologically examined, and investigated by magnetic resonance imaging (MRI), bone mineral densitometry, and laboratory analysis. Results: We included 74 survivors after a mean follow-up time of 18.9 ± 6.1 years. The mean age at follow-up was 28.4 ± 6.8 years and at diagnosis 8.3 ± 4.3 years. At the 20-year follow-up, the cumulative prevalence of CVD, along with small- and large-vessel disease was 52%, 38%, and 16%, respectively. Ischemic infarcts or transient ischemic attacks were diagnosed in 11% of the survivors, lacunar infarcts in 10%, and cerebral hemorrhage in 3%. White matter lesions (WMLs) were noted in 49% of the survivors. Higher blood pressure was associated with CVD, large-vessel disease, WMLs, and lacunar infarcts. Survivors had lower cognitive performance in all neuropsychological domains than controls. Mean verbal intelligence quotient was 89 ± 14 and mean performance intelligence quotient 87 ± 19. Executive functions (Z-score -5.0 ± 5.3 SD) and processing speed (Z-score -4.3 ± 5.4 SD) were extensively impaired. Executive functions and processing speed were associated with everyday life skills. Cumulative incidence of secondary meningiomas was 10.2% at the 25-year follow-up using the clinical data, and that of secondary neoplasms was 2.4% using the Finnish Cancer Registry data. We observed low bone mineral density in 23.6% of the survivors, which was associated with fractures in long bones. Conclusions: Young adult CBT survivors experienced late-consequences typically associated with ageing. / Tiivistelmä Taustaa: Suomessa sairastuu vuosittain 46-60 lasta aivokasvaimeen, joka on lapsuusiän yleisin, kiinteä kasvain. Selviytyneillä on todettu lisääntynyt hoitojen myöhäisvaikutuksien riski. Kuitenkin nuorten aikuisten haittavaikutuksia on toistaiseksi tutkittu melko vähän. Tutkimuksen tarkoitus: Tarkoituksena oli selvittää sädehoidon jälkihaittoina esiintyvien sairauksien, kuten aivoverisuonisairauksien, älyllisten ongelmien, sekundaaristen kasvainten ja luustonhaurastumisen yleisyyttä ja riskitekijöitä suomalaisessa, kansallisessa kohortissa. Aineisto ja Menetelmät: Tutkimukseen kutsuttiin kaikki Suomessa lapsuusiällä aivokasvaimen sairastaneet aikuiset, jotka oli hoidettu sädehoidolla vuosina 1970-2008. Tutkittavat olivat yli 16-vuotiaita ja hoitojen päättymisestä oli yli 5 vuotta. Osallistuneille tehtiin kliininen ja neuropsykologinen tutkimus, pään magneettikuvaus, luustontiheysmittaus ja laboratoriotutkimuksia. Tulokset: Tutkimukseemme osallistui 74 nuorta aikuista 18,9 ± 6,1 vuotta hoitojen päättymisen jälkeen. Tutkittavat olivat iältään 28,4 ± 6,8 -vuotiaita osallistuessaan, ja 8,3 ± 4,3 -vuotiaita diagnoosihetkellä. Aivoverisuonisairaus todettiin 52% tutkimukseen osallistuneella 20 vuoden seurannan jälkeen, pienten suonten tauti oli 38 %:lla ja suurten suonten tauti 16 %:lla. Aivoinfarktin oli sairastanut 9 % tutkituista, lakuunainfarktin 10 % ja aivoverenvuodon 3 % tutkituista. Valkean aivoaineen muutoksia todettiin 49 %:lla magneettikuvauksessa. Korkea verenpaine lisäsi aivoverisuonisairauden, suurten suonten taudin, valkoisen aivoaineen muutoksien sekä lakuunainfarktien riskiä. Selviytyjien keskimääräinen kielellinen älykkyysosamäärä oli 89 ± 14 ja ei-kielellinen 87 ± 19. Suurimmat vaikeudet todettiin toiminnanohjauksessa (Z-luku -5,0 ± 5,3 SD) ja prosessointinopeudessa (Z-luku -4,3 ± 5,4 SD). Toiminnanohjauksen ja prosessointinopeuden vaikeudet olivat yhteydessä arkielämän haasteisiin. Sekundaaristen aivokalvokasvainten kumulatiivinen esiintyvyys oli 25 vuoden seuranta-aikana 10,2 % kliinisessä tutkimuksessa ja sekundaaristen kasvainten 2,4 % Syöpärekisteriaineistossa. Matala luustontiheys todettiin 23,6%:lla selviytyneistä. Johtopäätökset: Nuorilla aikuisilla, jotka ovat lapsena aivokasvaimen vuoksi saaneet sädehoitoa, esiintyy useita sellaisia jälkihaittoja, jotka yleensä liittyvät ikääntymiseen.