Proteins can often adsorb irreversibly at fluid/fluid interfaces; the understanding of the adsorption mechanism has relevance across a variety of industrial (e.g. the creation of stable emulsions) and biological (e.g. biofilm formation) processes. I performed molecular dynamics simulations of two surfactant proteins as they interact with air/water and oil/water interfaces, describing the origin of the surface activity, the adsorption dynamics and the conformational changes that these proteins undergo at the interface. BslA is an amphiphilic protein that forms a highly hydrophobic coat around B. subtilis biofilms, shielding the bacterial community from an external aqueous solution. By investigating the behaviour of BslA variants at oil/water interfaces via coarse-grained molecular dynamics, I show that BslA represents a biological example of an ellipsoidal Janus nanoparticle, whose surface interactions are controlled by a local conformational change. All-atom molecular dynamics simulations then reveal the details of the conformational change of the protein upon adsorption, and the self-assembly into a two-dimensional interfacial crystal. Ranaspumin-2 is one of the main components of the tungara frog foam nest. Contrary to most surfactant proteins, its structure lacks any sign of amphiphilicity. All-atom simulations show that the adsorption proceeds via a two-step mechanism where firstly the protein binds to the interface through its flexible N-terminal tail and then it undergoes a large conformational change in which the hydrophobic core becomes exposed to the oil phase. I then developed a simple structure-based coarse-grained model that highlights the same adsorption mechanism observed in all-atom simulations, and I used it to compare the dynamics of adsorption and the underlying free energy landscape of several mutants. These results agree with and are used to rationalise the observations from Langmuir trough and pendant drop experiments. Colloids can often be considered simpler versions of proteins that lack conformational changes. I performed coarse-grained simulations of the compression of interfacial monolayers formed by rod-like particles. These simulations show a rich behaviour characterised by the flipping of adsorbed rods, nematic ordering and bilayer formation. I report the series of transitions that take place as the rod aspect ratio is increased from 3 to 15.

Abstract Prematurity is the main cause of morbidity and mortality in infants. In 25–40% of the cases preterm birth is associated with intrauterine inflammation. Surfactant proteins (SPs) A, C, and D have roles in innate immunity. In the female reproductive tract and in amniotic fluid (AF), these proteins may modulate the inflammatory responses leading to preterm birth. The aim of the present study was to establish a mouse model of lipopolysaccharide (LPS)-induced preterm birth of live-born pups and to study the activation of the innate immune system. By using mice overexpressing either rat SP-A (rSP-A) or rSP-D the roles of SP-A and SP-D in inflammatory responses were investigated. In addition, the expression of SP-C in gestational tissues was analyzed. The association of SP-C single nucleotide polymorphism (Thr138Asn) with spontaneous preterm birth and preterm premature rupture of membranes (PPROM) was investigated in a homogenous northern Finnish population of mothers and infants. Wild-type (WT) mice were injected with a single dose of intraperitoneal LPS at 16 or 17 days of gestation (term 19–20 days) leading to preterm delivery of live-born fetuses. After LPS, cytokine levels increased rapidly in maternal serum and in the uterus. This maternal inflammatory response was followed by the modest inflammatory activation in fetal and feto-maternal compartments. In fetal lung the expression of SP-A and SP-D was downregulated. The overexpression of SP-A or SP-D was evident in gestational tissues of rSP-A or rSP-D mice, respectively. In addition, excess of these proteins was detected in AF. Overexpression of either rSP-A or rSP-D modulated the LPS-induced inflammatory response related to preterm birth. Most notably, the expression of IL-4 and IL-10 in uteri and IL-10 in fetal membranes was lower in overexpressing animals. SP-C was detected in mouse and human placentas, fetal membranes, and in uteri of pregnant mice. The fetal SP-C polymorphism strongly associated with the duration of PPROM. The present study provides new information about the molecular events in inflammation induced preterm birth, particularly about the roles of cytokines and SPs in this process. Understanding of the mechanisms involved in preterm parturition may provide means for prevention and management of preterm births in the future. / Tiivistelmä Ennenaikaisuus on suurin vastasyntyneiden terveyttä ja henkeä uhkaava vaara. Kohdunsisäiset tulehdusreaktiot ovat ennenaikaisten synnytysten yleisimpiä aiheuttajia. Surfaktanttiproteiinit (SP:t) A, C ja D osallistuvat synnynnäisen immuniteetin säätelyyn. Voidaan olettaa, että synnytyskanavassa ja lapsivedessä surfaktanttiproteiinit säätelevät ennenaikaiseen synnytykseen johtavia tulehdusreaktioita. Tutkimuksen tavoitteena oli luoda hiirimalli, jossa ennenaikainen synnytys saadaan aikaan lipopolysakkaridin (LPS:n) injektiolla vatsaonteloon. Hiirimallin avulla tutkittiin puolustusjärjestelmän aktivaatiota sekä äidin että sikiön kudoksissa. Rotan SP-A:ta (rSP-A:ta) tai rSP-D:tä yli-ilmentävien hiirten avulla selvitettiin, muuttavatko nämä proteiinit ennenaikaiseen syntymään johtavaa vastetta. Lisäksi määritettiin SP-C:n ilmentyminen hiiren ja ihmisen kohdussa, sikiökalvoilla ja istukassa. SP-C-geenin yhden emäksen polymorfian (Thr138Asn) liittymistä ennenaikaiseen synnytykseen tai sikiökalvojen puhkeamiseen tutkittiin homogeenisessä pohjoissuomalaisessa tutkimuspopulaatiossa. Villin tyypin hiirille raskauden 16. tai 17. päivänä annettu LPS-annos sai aikaan elävien poikasten ennenaikaisen syntymisen. Emon seerumissa havaittiin sytokiinipitoisuuksien nopea nousu LPS:n vaikutuksesta. Emon tulehdusvaste johti synnynnäisen immuniteetin aktivaatioon istukassa, sikiökalvoilla ja kohdussa, kun taas muutokset sikiön kudoksissa olivat pieniä. Sikiön keuhkoissa SP-A:n ja SP-D:n ilmentyminen väheni. SP-A:ta tai SP-D:tä yli-ilmentävillä hiirillä havaittiin lisääntynyt SP-A:n tai SP-D:n määrä kohdussa, sikiökalvoilla, istukassa ja lapsivedessä. SP-A:n tai SP-D:n yli-ilmentyminen muutti LPS:n aiheuttamaa tulehdusvastetta. Erityisesti IL-4:n ja IL-10:n ilmentyminen kohdussa ja IL-10:n ilmentyminen sikiökalvoilla vähenivät. SP-C:n ilmentyminen havaittiin hiiren ja ihmisen istukassa ja sikiökalvoilla sekä hiiren kohdussa raskauden aikana. Sikiön SP-C-geenin polymorfia liittyi sikiökalvojen ennenaikaisen puhkeamisen kestoon. Tutkimus antaa lisätietoa tulehduksen aiheuttaman ennenaikaisen synnytyksen mekanismista sekä sytokiinien ja SP-A:n SP-D:n osuudesta synnytystapahtumassa. Mekanismin ymmärtäminen on erittäin tärkeää, jotta ennenaikaiset synnytykset voitaisiin tulevaisuudessa ehkäistä tehokkaammin.

The regulation of surface tension (ST) by surfactants plays an important role in the human respiratory system but is largely unexplored in brain homeostasis. The aim of this study was to evaluate changes in ST in relation to surfactant proteins (SPs) in children with intraventricular hemorrhage (IVH). CSF samples from 93 patients were analyzed for ST with a force tensiometer and SP-A-D and -G with ELISA assays. Patients belonged to six groups: (i) IVH before primary intervention (PI), (ii) IVH 4–28 days after PI, (iii) IVH 44–357 days after PI, (iv) hydrocephalus, (v) sepsis and (vi) controls. We found indirect correlations and significant differences in ST and SPs (all p < 0.001; except for SP-C, p = 0.007). Post hoc analyses showed significantly decreased ST in IVH patients before PI compared with patients with hydrocephalus, sepsis or controls (p < 0.001), but it increased in IVH patients over time. All SPs were significantly elevated when comparing IVH patients before PI with controls (all p < 0.001; except for SP-C, p = 0.003). Children suffering from IVH displayed an increase in SPs and a decrease in ST as coping mechanisms to preserve CSF flow. The increase in ST over time could serve as prognostic marker for the healing process.

The regulation of surface tension (ST) by surfactants plays an important role in the human respiratory system but is largely unexplored in brain homeostasis. The aim of this study was to evaluate changes in ST in relation to surfactant proteins (SPs) in children with intraventricular hemorrhage (IVH). CSF samples from 93 patients were analyzed for ST with a force tensiometer and SP-A-D and -G with ELISA assays. Patients belonged to six groups: (i) IVH before primary intervention (PI), (ii) IVH 4–28 days after PI, (iii) IVH 44–357 days after PI, (iv) hydrocephalus, (v) sepsis and (vi) controls. We found indirect correlations and significant differences in ST and SPs (all p < 0.001; except for SP-C, p = 0.007). Post hoc analyses showed significantly decreased ST in IVH patients before PI compared with patients with hydrocephalus, sepsis or controls (p < 0.001), but it increased in IVH patients over time. All SPs were significantly elevated when comparing IVH patients before PI with controls (all p < 0.001; except for SP-C, p = 0.003). Children suffering from IVH displayed an increase in SPs and a decrease in ST as coping mechanisms to preserve CSF flow. The increase in ST over time could serve as prognostic marker for the healing process.:1. Einführung 3 1.1 Intraventrikuläre Hämorrhagie 3 1.1.1 Allgemeiner Überblick 3 1.1.2 Pathogenese 3 1.1.3 Risikofaktoren und Prävention 4 1.1.4 Klinik 5 1.1.5 Komplikationen 6 1.1.6 Behandlungsoptionen bei IVH und PHVD 7 1.1.6.1 Medikamente 7 1.1.6.2 Interventionen 7 1.2 Surfactant und Surfactant-Proteine 8 1.3 Zusammenfassung der IVH-Problematik und Fragestellungen der Dissertation 11 2. Publikationsmanuskript 13 3. Zusammenfassung der Arbeit 28 4. Literaturverzeichnis 32 5. Abkürzungsverzeichnis 39 6. Anlagen der Originalpublikation 41 7. Darstellung des eigenen Beitrags 48 8. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 49 9. Lebenslauf 50 10. Publikationen 51 11. Danksagung 52

Abstract Each year in Finland, approximately 5.7% of infants are born preterm, i.e., before 37 completed weeks of gestation. Preterm birth is a major cause of mortality and several neonatal morbidities, especially the respiratory diseases. Infants born very preterm (&#60;32 wk) are at higher risk of developing a chronic lung disease called bronchopulmonary dysplasia (BPD). The genetic factors predisposing to spontaneous preterm birth (SPTB) and BPD are incompletely known. The aims of this thesis project were to identify genetic factors that affect susceptibility to SPTB and BPD. Genetic case-control association studies were performed in mothers and infants of northern Finnish origin (SPTB study), or in multiple populations of very preterm infants of Finnish or European origin (BPD study). The candidate genes were selected based on their proposed roles in inflammation which is involved in both SPTB and BPD susceptibility. Additionally, the aim was to study the possible functional role of polymorphisms in the gene encoding surfactant protein B (SP-B) that have been shown previously to associate with pulmonary function. An association between Met31Thr polymorphisms in the gene encoding SP-D (SFTPD) and SPTB infants was found. The other collectin genes that were studied, encoding SP-A and mannose-binding lectin, did not associate with SPTB in mothers or infants. An intronic polymorphism in the gene encoding Kit ligand (KITLG) was associated with the risk of BPD in the northern Finnish and in the combined population that originated from Finland, Canada and Hungary. The role of KITLG in BPD was further supported by biomarker data, which showed higher concentrations of Kit ligand at the time of birth in infants that later developed BPD. The genes encoding interleukin 6 (IL-6), its receptors, IL-10, tumor necrosis factor alpha or glucocorticoid receptor did not associate with BPD susceptibility. Finally, a genetic variant 131Thr in the gene encoding SP-B (SFTPB) was associated with lower SP-B levels in vivo and delayed secretion in vitro. To date, there is no effective method to prevent SPTB, and especially the extremely preterm infants are at an increased risk of developing serious respiratory diseases. Better understanding of the mechanisms underlying both SPTB and BPD could help in the successful prediction of risk groups as well as in the design of new preventive and treatment strategies. / Tiivistelmä Noin 5,7 % lapsista syntyy Suomessa ennenaikaisesti, eli ennen kuin raskaus on kestänyt täydet 37 viikkoa. Ennenaikainen syntymä altistaa vastasyntyneen lapsen vakaville pitkäaikaissairauksille. Erityisesti hyvin pienillä keskosilla, jotka ovat syntyneet ennen 32. raskausviikkoa, on suurempi riski sairastua vakavaan hengitysvaikeuteen eli bronkopulmonaaliseen dysplasiaan, joka tunnetaan myös nimellä BPD-tauti. Perinnölliset tekijät vaikuttavat niin spontaanin ennenaikaisen syntymän (SEAS) kuin BPD-taudinkin taustalla, mutta nämä tekijät tunnetaan huonosti. Tässä väitöskirjatyössä pyrittiin tunnistamaan perinnöllisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat SEAS:in ja BPD-taudin taustalla. Perinnöllisen taustan selvittämisessä ehdokasgeenien sisältämien muuntelevien kohtien esiintyvyyttä verrattiin terveiden verrokkien ja tautitapausten välillä. SEAS-tutkimuksessa tutkimusväestö koostui suomalaisista äideistä ja heidän lapsistaan. BPD-tutkimuksessa oli mukana hyvin ennenaikaisesti syntyneitä lapsia Suomesta, Kanadasta ja Unkarista. Tämän lisäksi kokeellisten tutkimusten avulla tutkittiin aiemmin keuhkosairauksiin liittyneen geenin muuntelevien kohtien osuutta sen koodaaman surfaktanttiproteiini (SP) B:n toiminnassa. Tutkimuksissa havaittiin SP-D:tä koodaavan geenin Met31Thr-polymorfismin olevan mahdollinen riskitekijä SEAS:lle lapsilla, mutta se ei selittänyt SEAS-riskiä äideissä. SP-A:ta ja mannoosia sitovaa lektiiniä koodaavilla geeneillä ei ollut yhteyttä SEAS-riskiin. Kit-ligandia koodaavan geenin intronissa sijaitseva polymorfismi selitti BPD-tautiriskiä pohjoissuomalaisessa sekä yhdistetyssä tutkimusväestössä. Lisäksi lapsilla, jotka myöhemmin sairastuivat BPD-tautiin, havaittiin suurempia Kit-ligandipitoisuuksia syntymähetkellä. Interleukiini 6:ta (IL-6), sen reseptoreita, IL-10:ta, tuumorinekroosifaktori-alfaa tai glukokortikoidireseptoria koodaavien geenien polymorfismien ja BPD-taudin välillä ei ollut yhteyttä. SP-B:tä koodaavan geenin Ile131Thr-polymorfismin Thr-variaatio liittyi alhaisempaan SP-B:n pitoisuuteen lapsivedessä sekä hidastuneeseen proteiinin tuottoon kokeellisessa solumallissa. Tulokset antavat uutta tietoa SEAS:n ja BPD-taudin perinnöllisestä taustasta. Tämä tieto voi auttaa synnytyksen käynnistymiseen sekä BPD-alttiuteen johtavien biologisten mekanismien selvittämisessä ja uusien hoitokeinojen kehittämisessä.

Abstract Approximately 5.5% of all infants are born preterm (before 37 completed weeks of gestation) in Finland. Preterm birth is the cause of several life-threatening neonatal diseases and long-term morbidity. The most important risk factor for preterm birth is intrauterine infection and inflammation. Approximately 70% of preterm births have a spontaneous onset. Evidence suggests that genetic factors are involved in spontaneous preterm birth (SPTB), but knowledge about the actual genes conferring genetic predisposition is limited. The major aim of this work was to identify genetic factors that predispose to SPTB. Genome-wide linkage analysis was performed to identify genomic regions associating with SPTB in large northern Finnish families recurrently affected by SPTB. Genes near regions with linkage signals were subsequently analyzed in a Finnish case-control population of mothers and infants. Due to their roles in innate immunity, the genes encoding surfactant protein A (SP-A), SP-C, SP-D and mannose-binding lectin (MBL) were also investigated as candidates for SPTB in this population. In addition, expression of SP-C in human and mouse gestational tissues was examined. Linkage signals were detected on chromosome loci 15q26.3, Xq13.1 and Xq21.1 with the phenotype of being born preterm. In subsequent association analyses, the genes encoding the insulin-like growth factor 1 receptor (IGF1R) located within locus 15q26.3 and the androgen receptor (AR) located near locus Xq13.1 were identified as potential novel fetal SPTB susceptibility genes. These genes did not associate with SPTB in the mothers. An association was found between the Met31Thr polymorphism of the SFTPD gene encoding SP-D and SPTB in the infants. There was no association in the mothers. Polymorphisms of the genes encoding SP-A or MBL did not associate with SPTB. The Thr138Asn polymorphism of the SFTPC gene encoding SP-C did not associate with SPTB. However, this polymorphism associated strongly with the interval between preterm premature rupture of membranes and SPTB in the fetuses. Expression of SP-C was detected in human and mouse fetal membranes and placenta, and in mouse pregnant uterus. Currently, there is no effective method to prevent SPTB. The results of this study may help to clarify some of the biological mechanisms underlying SPTB and finally allow the development of specific treatment strategies for its prevention. / Tiivistelmä Suomessa syntyy noin 5,5&#160;% lapsista ennenaikaisina eli raskauden kestettyä vähemmän kuin 37 täyttä viikkoa. Näillä lapsilla on alttius hengenvaarallisiin sairauksiin, ja osalle heistä jää pysyvä kehitysvamma. Noin 70&#160;% ennenaikaisista syntymistä käynnistyy spontaanisti. Tärkein ennenaikaisen syntymän riskitekijä on kohdunsisäinen tulehdusreaktio. Myös perinnöllisten tekijöiden tiedetään vaikuttavan spontaanin ennenaikaisen syntymän (SEAS) käynnistymiseen, mutta alttiusgeenejä tunnetaan huonosti. Työssä pyrittiin tunnistamaan SEAS:lle altistavia perinnöllisiä tekijöitä. Perimänlaajuista kytkentäanalyysiä käyttäen etsittiin SEAS:ään liittyviä perimän kohtia tutkimalla toistuvasti ennenaikaisia syntymiä kokeneita isoja pohjoissuomalaisia perheitä. Kytkentäsignaalien lähellä olevia geenejä tutkittiin tutkimusaineistossa, joka koostui suomalaisista äideistä ja lapsista. Surfaktanttiproteiini A:ta (SP-A), SP-C:tä, SP-D:tä ja mannoosia sitovaa lektiiniä (MBL) koodaavia geenejä tutkittiin ehdokasgeeneinä SEAS:lle tässä populaatiossa, koska nämä proteiinit osallistuvat elimistön puolustukseen ja voivat siten vaikuttaa SEAS:ään liittyvään tulehdusreaktioon. Lisäksi tutkittiin SP-C:n ilmentymistä ihmisen ja hiiren sikiökalvoilla, istukassa ja kohdussa. Kytkentäsignaaleja havaittiin kromosomikohdissa 15q26.3, Xq13.1 ja Xq21.1, kun tutkittavana ilmiasuna oli ennenaikaisena syntyminen. Lisätutkimukset osoittivat, että sikiön insuliininkaltaisen kasvutekijän 1 reseptoria koodaava IGF1R-geeni (kohta 15q26.3) ja androgeenireseptorigeeni AR (lähellä kohtaa Xq13.1) ovat mahdollisia uusia SEAS:n alttiusgeenejä. Nämä geenit eivät selittäneet SEAS:ää äideissä. Sikiön SP-D:tä koodaavan geenin Met31Thr-polymorfismi tunnistettiin mahdolliseksi riskitekijäksi, mutta tämä polymorfismi ei selittänyt SEAS:ää äideissä. SP-A:ta ja MBL:ää koodaavat geenit eivät liittyneet SEAS:ään. SP-C:tä koodaavan geenin Thr138Asn-polymorfismi ei ollut yhteydessä SEAS:ään. Sikiön Thr138Asn-polymorfismi liittyi kuitenkin vahvasti sikiökalvojen puhkeamisen ja SEAS:n väliseen kestoon. SP-C:n havaittiin ilmentyvän ihmisen ja hiiren sikiökalvoilla ja istukassa sekä raskaana olevan hiiren kohdussa. Tulokset antavat uutta tietoa SEAS:n perinnöllisestä taustasta. Tämä tieto voi auttaa selvittämään sen käynnistymiseen johtavia biologisia mekanismeja ja johtaa lopulta uusiin hoitokeinoihin, joilla pystytään estämään spontaaneja ennenaikaisia syntymiä.