Abstract Intrauterine infections apparently cause about 85% of preterm deliveries at less than 28 weeks of gestation. Infection and inflammation play an important role in morbidity and mortality during perinatal period. The inflammatory mechanisms and pathophysiological consequences of intrauterine infection are poorly understood. According to current evidence from animal studies, the phenotypes of fetal inflammatory response are variable, ranging from spontaneous preterm birth to fetal death. The fetus is rather well protected against infectious agents by both structural and functional barriers. Toll-like receptors (TLR) are a part of innate immune system. Binding of bacterial or viral component to TLR induces inflammatory response in the host. The present study addressed the hypothesis that the effects of bacterial lipopolysaccharide (LPS) on the fetus, depends on the route by which it reaches the fetus. In this experimental study we hypothesized that an acute inflammation within the amniotic cavity may cause an innate immune response in the fetus consequently leading to cardiovascular distress. Secondly the role of the placenta in protecting the fetus from acute infectious challenges was evaluated. Additionally, the role of gestational age in the fetal immune response was studied. In the present study, LPS from Gram-negative bacteria caused an acute intrauterine inflammation in mice as indicated by the elevated levels of inflammatory mediators (e.g. cytokines) in amniotic fluid. The fetal heart revealed mRNA and protein expression of TLR4, which recognizes LPS. Moreover, the data showed a cytokine response in the fetal heart and severe cardiac dysfunction. In contrast, intraperitoneal LPS administered to the mother did not cause an acute cytokine response in the fetus. After intraperitoneal LPS the placenta showed severe blood congestion and a cytokine response. The data suggest that TLRs play roles in regulating the acute inflammatory responses in the placenta. Despite the absence of a fetal immune response, the placental lesions caused a fetal cardiovascular compromise. In addition, the present data indicate that the fetal expression of TLR4 is tissue specific and developmentally regulated. Present study provides new insights into the acute inflammatory mechanisms in maternal and fetal compartments and the pathophysiological changes in fetal cardiovascular hemodynamics. / Tiivistelmä Hyvin ennenaikaisen, alle 28. raskausviikolla tapahtuneen synnytyksen taustalta löytyy usein kohdunsisäinen infektio (IUI). Kohdunsisäisen infektion aiheuttama synnytys on suurimpia sikiön vammautumiseen tai kuolemaan johtavia syitä. Tulehdukselliset mekanismit, jotka johtavat synnytykseen tai sikiön vammautumiseen ovat huonosti tunnettuja. Tollin kaltaiset reseptorit (TLR) ovat osa synnynnäisen immuniteetin puolustusjärjestelmää. Niiden tarkoitus on tunnistaa nopeasti elimistölle vieraat, usein bakteeri- tai virusperäiset rakenteet ja käynnistää tulehdusvaste tuottamalla tulehdusvälittäjäaineita. Nämä välittäjäaineet säätelevät tulehdusprosessia, toisaalta niiden liiallinen tuotto voi aikuisilla johtaa elinvaurioihin kuten sydämen toimintahäiriöön. On esitetty että tulehdusvälittäjäaineet käynnistäisivät myös ennenaikaisen synnytyksen IUI:ssa. TLR-reseptorien merkityksestä sikiön tulehdusvasteessa tai synnytyksen käynnistymisessä on vain vähän tietoa. Väitöskirjatyössä tutkittiin kokeellisen hiirimallin avulla bakteeriperäisen lipopolysakkaridin (LPS) kykyä aiheuttaa sikiön tulehdusvaste, sekä muutoksia sikiön sydämen ja verenkierron toiminnassa, riippuen LPS:n reitistä sikiöön. Toisaalta kokeellisella mallilla tutkittiin istukan kykyä suojata sikiötä voimakkaalta tulehdusreaktiolta. Tarkoituksena oli tutkia myös sikiön kehitysasteen vaikutusta LPS:n aiheuttamaan tulehdusvasteeseen. Tutkimuksessa havaittiin LPS:n aiheuttavan kohdunsisäisen tulehduksen kun sitä annettiin suoraan lapsiveteen. Sikiön sydämessä todettiin TLR4 lähetti-RNA:n ja proteiinin ilmentyminen sekä nopea sytokiinien tuotannon lisääntyminen kuvastaen äkillistä tulehdusprosessia. Samanaikaisesti ultraäänitutkimuksessa todettiin sikiön sydämen vaikea toimintahäiriö. Toisaalta, jos LPS annettiin kantavalle emolle vatsaonteloon, tulehdusvälittäjäaineiden tuotannon lisääntymistä sikiössä ei havaittu. Sen sijaan istukassa todettiin akuutti verentungos ja tulehdusvaste. Edellä kuvattu istukan toimintahäiriö johti myös sikiön sydämen ja verenkierron toiminnan vaikeutumiseen huolimatta siitä, ettei sikiön sydämessä havaittu tulehduksellista vastetta. Lisäksi sikiöstä ja istukasta saadut tulokset viittaavat siihen, että TLR-reseptorit ovat mukana LPS:n tunnistamisessa ja äkillisen tulehdusvasteen käynnistymisessä. Tutkimus antaa uutta tietoa raskauden aikaisista tulehduksellisista mekanismeista sekä sikiön sydämen toiminnan äkillisistä muutoksista voimakkaan tulehduksen aikana.

Abstract The response of the innate immune system is triggered through Toll-like transmembrane receptors (TLR) that recognize a variety of microbial products. TLR4 is the principal mediator for Gram negative bacterial endotoxin (LPS), whereas TLR2 mediates the response to Gram positive bacteria, mycobacteria, and yeast. Stimulation of TLR activates complex cascades leading first to the production of inflammatory mediators, such as proinflammatory cytokines IL-1 α/β and TNF-α. Overproduction of inflammatory cytokines as well as failure in the activation of innate immunity are detrimental to the host. Excess inflammatory stimulation leads to a septic shock, which may cause multi-organ failure and even death. The lack of any innate response exposes the host to overwhelming bacterial infections. Appropriate regulation of the innate immune response could be a target for attempts to find therapeutics to septic shock. This experimental study focuses on functional activation of the signaling receptors TLR4 and TLR2 upon a LPS challenge. An acute inflammation model was used for both in vivo and in vitro experiments. LPS was used to stimulate a mouse macrophage cell line. It was administred intraperitoneally or intra-amniotically to non-pregnant or time-mated mice. The basal and induced mRNA expression levels and the protein production of TLRs as well as the mRNA expression of several inflammatory mediators were studied. The present study showed that the expression of TLR4 and TLR2 is strain and tissue-specific. At the mRNA level, the levels of TLR4 expression limited the extent of the acute cytokine response. The quality of the cytokine response was modulated by protein aggregates formed by TLR4 on the cell surface. The LPS challenge caused a marked increase in the expression of TLR2 mRNA but not the protein; the significance of this remains to be studied. The study further showed that the expression of TLRs is regulated during the perinatal period, and that the acute cytokine response to LPS in the lung develops during antenatal differentiation. The present study provides information about how the activation of TLR regulates the acute inflammatory response and further helps to elucidate new targets for the anti-inflammatory strategies in controlling inflammatory events. / Tiivistelmä "Toll-like"-reseptorit (TLR) ovat solukalvon proteiineja, jotka spesifisesti tunnistavat erilaisia bakteerirakenteita. Infektiossa tällainen bakteerirakenne sitoutuu reseptoriin ja seurauksena solussa käynnistyy synnynnäinen immuunivaste eli tulehdusvälittäjäaineiden tuotto. Liiallinen tulehdusvälittäjäaineiden tuotto voi johtaa septiseen shokkiin eli verenmyrkytykseen, elinvaurioihin ja jopa kuolemaan. Septisen shokin synty voisi olla estettävissä immuunivasteen voimakkuuden tarkoituksenmukaisella säätelyllä. Väitöskirjassa on tutkittu, miten TLR4 ja TLR2 aktivoituvat bakteeri-infektiossa, tarkoituksena selvittää, säätelevätkö reseptorit immuunivasteen käynnistystä ja voimakkuutta solussa. Tutkimuksessa todettiin, että TLR4:n ja TLR2:n geenien ilmentymistä säädellään eri tavoin eri hiirikannoilla ja eri kudoksissa. TLR4-tason nousu aiheutti voimakkaamman immuunivasteen, kun taas reseptorin matala esiintymistaso laski immuunivasteen voimakkuutta. Lisäksi TLR4:aan solukalvolla sitoutuvat muut proteiinit vaikuttivat immuunivasteen laatuun. Tutkimuksessa todettiin myös, että TLR:n määrä sikiön keuhkoissa rajoittaa keuhkojen immuunivasteen kehittymistä. Tutkimus antaa tietoa siitä, miten TL-reseptorien aktivaatio säätelee synnynnäistä immuunipuolustusta ja selventää mahdollisuutta kontrolloida immuunivasteen voimakkuutta vaikuttamalla TL-reseptoriin.