Abstract Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer and the second leading cause of cancer-related deaths worldwide. In some CRC patients, the presence of the tumor elicits a systemic inflammatory response and metabolic derangements that lead to progressive tissue wasting. Systemic inflammation has been associated with decreased survival independent of tumor stage. However, the mechanisms and downstream effects of systemic inflammation in CRC are uncertain. The aim of these studies was to examine the determinants of systemic inflammation in CRC. The study material consisted of tumor and serum samples collected from patients with stage I–IV CRC operated at the Oulu University Hospital (n=336). From preoperative serum samples, the levels of cell death marker keratin 18, matrix metalloproteinase 8 (MMP8), and ten metabolites (apolipoprotein A1 and nine amino acids) were measured. CRC patients with systemic inflammation, assessed using a modified Glasgow Prognostic Score, had elevated serum levels of MMP8 and phenylalanine. On the contrary, the concentrations of apolipoprotein A1, glutamine, and histidine were lower compared to patients without systemic inflammation. Increased serum keratin 18 level associated with systemic inflammation in patients with metastatic disease. Elevated keratin 18 and MMP8 levels and decreased apolipoprotein A1 level were independent predictors of worse survival. These studies describe biomarkers of systemic inflammation that provide insight into the mechanisms of systemic inflammation, have potential prognostic value in CRC, and are possible therapeutic targets. The results suggest that cell death and systemic inflammation are strongly connected in CRC, but the potential mechanistic link between them and tissues involved remain to be elucidated. / Tiivistelmä Paksusuolisyöpä on kolmanneksi yleisin syöpä ja toiseksi yleisin syöpäkuoleman aiheuttaja Suomessa. Osalla potilaista syöpään liittyy systeemisen tulehdusreaktion aktivoituminen ja aineenvaihduntahäiriö, joka johtaa yleiseen näivettymiseen. Systeemisen tulehduksen on havaittu olevan yhteydessä huonoon ennusteeseen riippumatta kasvaimen levinneisyydestä. Systeemisen tulehduksen aktivaatiomekanismit ja vaikutukset paksusuolisyövässä ovat kuitenkin huonosti tunnettuja. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää systeemistä tulehdusta määrittäviä tekijöitä paksusuolisyövässä. Aineisto koostui Oulun yliopistollisessa sairaalassa leikattujen paksusuolisyöpäpotilaiden (syövän levinneisyysaste I–IV) kasvain- ja seeruminäytteistä (n=336). Seeruminäytteistä mitattiin solukuolemaa osoittavan keratiini 18:n pitoisuudet, matriksin metalloproteinaasi 8 (MMP8):n määrät sekä 10 metaboliitin (apolipoproteiini A1 ja 9 aminohappoa) tasot. Paksusuolisyöpäpotilailla, joilla systeemistä tulehdusta osoittava mGPS-indeksi oli korkea, seerumin MMP8- ja fenyylialaniinitasot olivat koholla. Sen sijaan apolipoproteiini A1:n, glutamiinin ja histidiinin pitoisuudet olivat matalammat verrattuna potilaisiin, joilla ei ollut systeemistä tulehdusta. Kohonnut keratiini 18 -pitoisuus oli yhteydessä systeemiseen tulehdukseen etäpesäkkeistä tautia sairastavilla potilailla. Kohonnut keratiini 18- ja MMP8-taso sekä matala apolipoproteiini A1-pitoisuus liittyivät potilaiden huonoon ennusteeseen. Tutkimuksessa löydettiin systeemisen tulehduksen merkkiaineita, jotka tuovat hyödyllistä tietoa systeemisen tulehduksen mekanismeista ja potilaiden ennusteesta paksusuolisyövässä, ja ovat mahdollisia terapeuttisia kohteita. Tulosten perusteella paksusuolisyövässä solukuolema liittyy vahvasti systeemiseen tulehdukseen, mutta lisätutkimuksia tarvitaan selvittämään näiden tapahtumien mahdolliset syy-seuraussuhteet sekä tapahtumaan liittyvät kudokset.

Abstract Colorectal cancer (CRC) is among the most common cancers in Finland. Prognostic factors are important for predicting disease outcome and adjusting optimal treatment. The currently used prognostic methods for CRC have their limitations and consequently several biomarkers have been studied to find potential prognostic markers, but none have been adapted for routine use so far. In the present study, the relationships between the components of the immune system and other factors modulating tumor growth were assessed and their suitability to be used for use as prognostic tools in CRC were studied. The study material consisted of blood samples and surgical specimens collected from 148 CRC patients operated on in Oulu University Hospital and blood samples of 86 healthy controls. Concentrations of endostatin and 27 cytokines were measured from preoperative serum samples and control samples. Immunohistochemical methods were used for collagen XVIII and inflammatory cell analyses. The levels of several cytokines were altered in CRC patients compared to the controls. The serum cytokine profile achieved an excellent accuracy in discriminating CRC patients from healthy controls. Advanced CRCs were associated with elevated cytokine levels and a metastasized disease was linked to an orientation towards Th2 cytokine milieu. The presence of systemic inflammation, depicted by a modified Glasgow Prognostic Score (mGPS), correlated to CRC progression. The serum endostatin levels were elevated in CRC and correlated with invasion through muscular layer and systemic inflammation, but not with densities of local inflammatory cells. Collagen XVIII was expressed in tumor stroma and in the muscle layer of bowel wall. The serum cytokines and tumor infiltrating immune cells showed relatively weak associations. In conclusion, CRC is associated with significant alterations in serum cytokine milieu, which underlines the relevance of studying several cytokines and their relative alterations. The serum cytokine profile is a promising tool for discriminating CRC patients from healthy controls, but its clinical value needs to be validated. The elevated endostatin levels may result from invasion-related cleavage of collagen XVIII in the bowel wall, but further studies are needed to determine the value of endostatin in CRC prognosis. / Tiivistelmä Paksu- ja peräsuolisyöpä (kolorektaalisyöpä) on yleisimpiä syöpämuotoja Suomessa. Sen ennustetta kuvaavat mittarit ovat tärkeitä taudin etenemisen ennustamisessa ja hoidon suunnittelussa. Käytössä olevat kolorektaalisyövän ennusteen arvioinnin menetelmät eivät ole riittäviä. Uusia merkkiaineita onkin kehitetty ja testattu, mutta rutiinikäyttöön soveltuvia menetelmiä ei ole vielä löydetty. Tässä tutkimuksessa selvitettiin immuunijärjestelmän ja muiden kasvaimen kasvua säätelevien tekijöiden keskinäisiä yhteyksiä ja niiden merkitystä kolorektaalisyövän ennusteen arvioinnissa. Tutkimusmateriaali koostui Oulun yliopistollisessa sairaalassa leikattujen kolorektaalisyöpäpotilaiden (n = 148) leikkaus- ja verinäytteistä ja terveiden verrokkihenkilöiden (n = 86) verinäytteistä. Endostatiinin ja 27 sytokiinin pitoisuudet mitattiin seeruminäytteistä. Kollageeni XVIII:n ja tulehdussolujen analysoimiseen käytettiin immunohistokemiallisia menetelmiä. Useiden sytokiinien pitoisuudet olivat korkeammat potilailla kuin verrokeilla, mutta osassa sytokiineista pitoisuudet olivat alentuneet. Seerumin sytokiiniprofiili erotteli luotettavasti potilaat verrokeista. Pidemmälle edenneeseen tautiin liittyi sytokiinien korkeampia pitoisuuksia ja etäpesäkkeitä muodostanut tauti oli yhteydessä Th1-tyypin sytokiinien esiintymiseen. Systeeminen tulehdusreaktio oli yhteydessä syövän etenemiseen. Endostatiinipitoisuudet olivat kohonneet potilailla ja olivat yhteydessä kasvaimen invaasioon suolen seinämän lihaskerroksen läpi. Endostatiinipitoisuudet korreloivat myös systeemisen tulehdusreaktion kanssa, mutta eivät liittyneet paikallisten tulehdussolujen määrään. Kollageeni XVIII ilmentyi kasvaimen stroomassa ja suolen seinämän lihaskerroksessa. Sytokiineilla ja kasvaimen paikallisilla tulehdussoluilla todettiin olevan vain vähän keskinäisiä yhteyksiä. Kolorektaalisyöpään liittyy useita erisuuntaisia muutoksia seerumin sytokiinipitoisuuksissa, joten on olennaista tutkia eri sytokiinien suhteellisia muutoksia. Seerumin sytokiiniprofiili on lupaava potilaita ja verrokeita erotteleva mittari, jolla voi olla diagnostista arvoa. Kohonneet endostatiinipitoisuudet potilailla voivat johtua kasvaimen invaasioon liittyvästä kollageeni XVIII:n hajoamisesta suolen seinämässä, mutta lisätutkimuksia tarvitaan endostatiinin ennustetta kuvaavan arvon määrittämiseksi.

Abstract The principal aim of this study was to explore associations between systemic inflammatory status and periodontal inflammation and tissue destruction. The study population consisted of 61 patients with chronic periodontitis, 30 periodontally healthy control subjects, and 80 subjects with type 1 diabetes mellitus (T1DM). The T1DM subjects were periodontally treated and re-examined eight weeks after completion of the treatment. The periodontal measures included plaque, probing depth (PD), bleeding on probing (BOP) and attachment level (AL). The serum levels of interleukin (IL)-6, tumor necrosis factor (TNF)-α, and interleukin (IL)-10, as well as the gingival crevicular fluid (GCF) level of matrix metalloproteinase (MMP)-8 were analyzed using commercially available ELISA assays, and serum high density lipoprotein (HDL) level using direct enzymatic methods. Serum IL-6 level associated significantly with the extent of inflamed periodontal pockets in T1DM subjects. Moreover, serum IL-6 modulated local periodontal inflammation in T1DM patients; periodontal healing turned out to be poorer in subjects with a high level of serum IL-6 than in those with a low level. Serum TNF-α/IL-10 ratio was three times higher in chronic periodontitis patients than in periodontally healthy control subjects. In T1DM subjects a significant inverse association between serum HDL level and the extent of inflamed periodontal pockets was found; subjects with a low serum HDL level presented 50% more inflamed periodontal sites than subjects with a high serum HDL level. A significant association between GCF MMP-8 level in shallow crevices and the extent of periodontal attachment loss in chronic periodontitis patients was observed. In conclusion, we focused on analyzing associations between systemic inflammatory status and periodontal conditions. According to our results, periodontal inflammation/infection is associated with systemic inflammatory status using serum IL-6, TNF-α/IL-10 ratio and HDL as indicators. Also, a high level of MMP-8 in GCF in shallow crevices could be indicative of higher susceptibility to periodontal infection and tissue destruction. / Tiivistelmä Tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella hampaiden kiinnityskudosten tulehduksen (pardodontiitti) ja siihen liittyvän inflammaation yhteyttä systeemiseen tulehdustilaan. Tutkimusaineistoon kuului 61 yleistervettä potilasta, joilla oli kohtalaisesti tai pitkälle edennyt parodontiitti, 30 yleistervettä yksilöä, joiden hampaiden kiinnityskudokset olivat terveet/lähes terveet (kontrolliryhmä), sekä 80 tyypin 1 diabetes mellitus (T1DM) potilasta, joilla esiintyi vaihtelevasti parodontiittia. T1DM potilaiden parodontiitti hoidettiin, ja heidät tutkittiin uudelleen kahdeksan viikon kuluttua hoidon päättymisestä. Tutkittavilta tarkastettiin plakin määrä, ientaskujen syvyys, ienverenvuoto ja hampaiden kiinnityskudoksen menetys. Systeemistä tulehdustilaa mitattiin käyttäen seerumin interleukiini (IL)-6, tuumorinekroosifaktori (TNF)-α ja interleukiini (IL)-10 tasoja. Lisäksi määritettiin ientaskunesteen matriksimetalloproteinaasi (MMP)-8 taso. Kaikki edellä mainitut tulehduksen välittäjäainetasot määritettiin käyttäen ELISA-menetelmää. T1DM potilaiden seerumin IL-6 pitoisuuden ja tulehtuneiden ientaskujen määrän välillä vallitsi positiivinen yhteys. Lisäksi havaittiin, että seerumin korkea IL-6 taso heikensi parodontiitin paranemista. T1DM potilailla havaittiin käänteinen yhteys seerumin HDL-pitoisuuden ja tulehtuneiden ientaskujen määrän välillä. Tutkittavilla, joilla seerumin HDL-taso oli matala (<1.35 mmol/l), oli 50 % enemmän tulehtuneita ientaskuja kuin niillä, joilla HDL-taso oli korkea (≥1.35). Parodontiitti-ryhmässä seerumin TNF-α/IL-10 suhde oli kolminkertainen verrattuna kontrolliryhmän vastaavaan ilmentäen voimakkaampaa matala-asteista tulehdusta parodontiitti-potilailla. Matalista (<4 mm) ientaskuista kerätyn ientasunesteen MMP-8 pitoisuuden ja parodontiitin vaikeusasteen välillä vallitsi merkittävä postiivinen yhteys parodontiitti-potilailla. Yhteenvetona, systeemisen tulehdustilan ja hampaiden kiinnityskudosten välillä vallitsee kaksisuuntainen yhteys; toisaalta parodontiitti lisää matala-asteista systeemistä tulehdustilaa ja toisaalta kohonnut systeeminen tulehdustila lisää alttiutta parodontiittiin ja siihen liittyvään inflammaatioon. Lisäksi ientaskunesteen korkea MMP-8 pitoisuus matalissa ientaskuissa voi merkitä lisääntynyttä alttiutta parodontiumin alueen tulehdukselle ja kudostuholle.