Abstract The increase of cardiac hemodynamic load that requires increased mechanical performance drives adaptation of the heart to maintain cardiac function. Modification of protein synthesis in cardiomyocytes allows the cells to adapt to the increased load. Cardiomyocyte hypertrophy and activation of cardiac fibroblasts over the long term is maladaptive and leads to heart failure (HF). Members of the transforming growth factor-β (TGF-β) superfamily contribute to the remodeling process. TGF-β1 acts as a paracrine messenger between cardiomyocytes and cardiac fibroblasts. Connective tissue growth factor (CTGF) modulates TGF-β signaling and plays a role in the development of fibrosis. In the current study, we aimed to investigate whether blocking the actions of CTGF could alleviate ischemic injury and reduce cardiac remodeling. We determined whether blocking the action of these ligands would modulate cardiac hypertrophy and fibrosis. In the first study, we found that antagonizing the function of CTGF protected from transverse aortic constriction (TAC) -induced left ventricular remodeling. In the second study in myocardial infarction (MI) model, blocking the function of CTGF resulted in improved post-MI survival and this prevented to the decrease in left ventricular contractile function as compared to the situation in control mice. Treatment with CTGF mAb attenuated the development of dilated cardiomyopathy and limited the increase in cardiomyocyte size and deposition of interstitial fibrosis in a remote area. In the third study, targeting the TGF-β superfamily members myostatin and activins, by administration of a soluble decoy receptor of activin receptor 2B (ACVR2B-Fc) did not affect the extent of MI injury or cardiac remodeling in MI -induced ischemic HF. Understanding the complex and converging pathways regulating cardiac remodeling is a major challenge, but it may allow for opportunities to develop new therapies, new medicines and provide new hope for people with these life-threatening diseases. / Tiivistelmä Sydämen lisääntynyt kuormitus vaatii lisääntynyttä supistusvoimaa, joka johtaa sydänlihaksen adaptaatioon pumppaustehon ylläpitämiseksi. Alkuvaiheessa sydämen liikakasvu on hyödyllistä, mutta pidempään jatkuessaan se johtaa lopulta pumppaustoiminnan heikkenemiseen ja sydämen vajaatoimintaan. Useiden signalointimekanismien on osoitettu säätelevän sydänlihaksen adaptoitumista patologisille tiloille. Transformoiva kasvutekijä –β (TGF-β) proteiiniperhe säätelee sydämen adaptoitumista sekä vasemman kammion seinämän myötäävyyttä venytykselle. TGF-β1 indusoi supistuskykyisten myofibroblastien muodostumista sekä kollageenin tuotantoa. Runsas kollageenin tuotanto vahvistaa sydämen seinämää ja on tarpeen sydäninfarktivaurion korjaamisessa, mutta pitkään jatkuessaan se heikentää sydämen toimintaa ja altistaa rytmihäiriöille, sydämen vajaatoiminnalle sekä sydänperäiselle äkkikuolemalle. Sidekudoskasvutekijä (CTGF) säätelee TGF-β1:n signalointia ja se osallistuu haavan paranemiseen sekä fibroosiin. Tutkimuksessa selvitettiin, voidaanko sidekudoskasvutekijän tai TGF-β -perheen proteiinien toimintaa estämällä lievittää sydämen vajaatoiminnan kehittymistä. Koetuloksemme osoittavat, että CTGF:n toiminnan estäminen vasta-aineen (mAb) avulla vähentää hemodynaamisen liikakuormituksen indusoimaa vasemman kammion toiminnan heikkenemistä, kammion laajenemista sekä fibroosia. CTGF mAb myös vähentää kuolleisuutta ja estää sydämen toiminnan heikkenemistä sydäninfarktin jälkeen sekä lievittää sydäninfarktin jälkeistä dilatoivan kardiomyopatian kehittymistä. Aktiviinien ja myostatiinin toiminnan esto liukoisen aktiviinireseptori 2B:n (ACVR2B-Fc) avulla sen sijaan ei vaikuta sydäninfarktivaurioon tai iskeemisen vajaatoiminnan kehittymiseen. ACVR2B-Fc kuitenkin lisää luurankolihaksen kasvua, estäen sydämen vajaatoimintaan liittyvää luurankolihaskatoa. Sydämen hypertrofian ja vajaatoiminnan syntymisen kannalta keskeisten signaalinvälitysreittien tunnistaminen ja niiden toiminnan ymmärtäminen auttaisi kehittämään tehokkaampia lääkehoitoja sydänsairauksiin.

Abstract Vectorcardiography (VCG) determines the direction and magnitude of the heart’s electrical forces. Interpretation of the digital three-dimensional vectorcardiography in clinical applications requires robust methods and novel approaches for calculating the vectorcardiographic features. This dissertation aimed to develop new methods for vectorcardiographic signal processing. The robustness of selected pre-processing and feature extraction algorithms was improved, novel methods for detecting the injured myocardial tissue from electrocardiogram (ECG) were devised, and dynamical behavior of vectorcardiographic features was determined. The main results of the dissertation are: (1) Digitizing process and proper filtering did not produce significant distortions for dipolar Singular Value Decomposition -based ECG parameters from a diagnostic viewpoint, whereas non-dipolar parameters were very sensitive to the pre-processing operations. (2) A novel method for estimating the severity of the myocardial infarction (MI) was developed by combining the action potential based computer model and 12-lead ECG patient data. Using the method it is possible to calculate an approximate estimate of the maximum troponin value and therefore the severity of the MI. In addition, the size and location of the myocardial infarction was found to affect diagnostic significant Total-cosine-R-to-T parameter (TCRT) - changes, both in the simulations and in the patient study. (3) Furthermore, the results showed that carefully targeted improvements to the basic algorithm of the TCRT parameter can evidently decrease the number of algorithm-based failures and therefore improve the diagnostic value of TCRT in different patient data. (4) Finally, a method for calculating beat-to-beat vectorcardiographic features during exercise was developed. It was observed that the breathing affects the beat-to-beat variability of all the QRS/T angle measures and the trend of the TCRT parameter during exercise was found to be negative. Further, the results of the thesis clearly showed that the QRS/T angle measures exhibit a strong correlation with the heart rate in individual subjects. The results of the dissertation highlight the importance of robust algorithms in a VCG analysis. The results should be taken into account in further studies, so that the vectorcardiography can be utilized more effectively in clinical applications. / Tiivistelmä Vektorikardiorgafia (VKG) kuvaa sydämen sähköisen toiminnan suuntaa ja suuruutta sydämen lyönnin eri vaiheissa. Vektorikardiogrammin onnistunut tulkinta kliinisissä sovelluksissa edellyttää luotettavia menetelmiä ja uusia lähestymistapoja vektorikardiografisten piirteiden laskennassa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli kehittää uusia vektorikardiografisia signaalinkäsittelymenetelmiä. Väitöstyössä parannettin tiettyjen elektrokardiorgafisen (EKG) -signaalin esikäsittelyvaiheiden ja piirteentunnistusalgoritmien luotettavuutta, kehitettiin uusia menetelmiä vaurioituneen sydänlihaskudoksen tunnistamiseen EKG-signaalista, sekä tutkittiin vektorikardiografisten piirteiden dynaamista käyttäytymistä. Väitöskirjan päätulokset voidaan tiivistää seuraavasti: (1) Paperitallenteisten EKG-tallenteiden digitointiprosessi ja EKG-signaalin asianmukainen suodatus ei aiheuta diagnostisesti merkittäviä vääristymiä ns. dipolaarisiin singulaariarvohajotelmaan (SVD) perustuviin EKG-parametreihin. Kuitenkin ns. ei-dipolaariset herkemmät parametrit ovat sensitiivisiä näille esikäsittelyvaiheille. (2) Väitöskirjatyössä kehitettiin uusi menetelmä sydäninfarktin vakavuuden arvioimiselle 12-kanavaisesta EKG-signaalista käyttäen aktiopotentiaaleihin perustuvaa tietokonemallia. Väitöstyössä todettiin, että menetelmää käyttäen on mahdollista laskea karkea estimaatti kliinisessä käytössä olevalle maksimaaliselle troponiiniarvolle, joka kertoo vaurion määrästä sydänlihaskudoksessa. Lisäksi sydäninfarktin koon ja sijainnin havaittiin vaikuttavan vektorikardiografiseen de- ja repolarisaation suhdetta kuvaavaan diagnostisesti merkittävään Total-cosine-R-to-T- (TCRT) muuttujaan. (3) Tulokset osoittivat myös, että tekemällä muutamia pieniä parannuksia alkuperäiseen TCRT-parametrin algoritmiin, voidaan merkittävästi vähentää parametrin laskennassa aiheutuvia vääristymiä ja täten parantaa TCRT-parametrin diagnostista arvoa erilaisissa potilasaineistoissa. (4) Neljänneksi, työssä kehitettiin menetelmä, jolla vektorikardiografisia piirteitä laskettiin dynaamisesti lyönti lyönniltä. Hengityksen havaittiin aiheuttavan rasitustestin aikana merkittävää lyöntikohtaista vaihtelua. Työssä havaittiin myös, että niin TCRT-parametrilla kuin myös muillakin de- ja repolarisaation välistä suhdetta kuvaavilla muuttujilla oli selvä korrelaatio sydämen sykkeen kanssa. Väitöskirjan tulokset korostavat luotettavien algoritmien tärkeyttä vektorikardiografisessa analyysissä. Tulosten huomioiminen jatkotutkimuksissa edesauttaa vektorikardiografian hyödyntämistä kliinisissä sovelluksissa.

Abstract Stem cell therapy has several mechanisms for repairing damaged myocardium and improving functional capacity of the left ventricle reduced by myocardial infarction. Despite the increase in scientific data, details of these mechanisms are still partly unexplained. The optimal number and type of stem cells as well as timing and route of transplantation are unclear. The purpose of this study was to clarify therapeutic potential of bone marrow-derived stem cells (BM-MNCs) using experimental porcine acute myocardial infarction model. Myocardial infarction was caused by occluding the circumflex coronary artery for 90 minutes. Immediately after reperfusion BM-MNCs were injected directly into the damaged myocardium or by angioplastic catheter into the infarct-related coronary artery. Left ventricular ejection fraction (LVEF) improved 3 weeks after infarction in animals that received BM-MNCs intramyocardially whereas in animals that received intracoronary transplantation or saline LVEF failed to recover. Radionuclide imaging and histological analysis showed intramyocardially transplanted cells remaining in the infarcted myocardium, whereas after intracoronary transplantation a major fraction of cells flushed into the lungs. In histological analysis minor fraction of BM-MNCs showed differentiation towards myocyte form and proliferation. Significantly lower collagen density and higher levels of smooth muscle actin and skeletal muscle actin were detected in the infarcted myocardium after intramyocardial or intracoronary BM-MNC transplantation compared with animals that received saline. Proteomic screening indicated that mitochondrial energy metabolism recovered after BM-MNC transplantation. Additionally, two proteins showed elevated levels after BM-MNC transplantation, which indicates that they are actively involved in the pathological mechanisms. BM-MNCs appear to enhance recovery of the infarcted myocardium by restoring the reduced LVEF after infarction. Intramyocardial stem cell therapy showed best results in recovery. Stem cell therapy moulds the infarct scar by reducing collagen density and by increasing components typical for muscle cells. The effects of stem cell therapy are mainly paracrine. / Tiivistelmä Kantasoluterapian on havaittu korjaavan infarktissa vaurioitunutta sydänlihasta toimintakykyisemmäksi usealla mekanismilla sekä parantavan sydänlihaksen pumppaustoimintaa. Huolimatta lisääntyneestä tutkimustiedosta näiden monimutkaisten mekanismien yksityiskohdat ovat edelleen paljolti selvittämättä. Samoin käytettävien kantasolujen tyypin, määrän, siirtotekniikan ja siirron ajoituksen optimointi on vielä epäselvää. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kokeellista sian infarktimallia käyttäen luuytimen kantasolujen kykyä tehostaa vaurioituneen sydänlihaksen toipumista akuutin infarktin jälkeen. Mallissa aiheutettiin sydäninfarkti sulkemalla vasemman sepelvaltimon kiertävähaara 90 minuutiksi. Välittömästi verenkierron uudelleen avaamisen jälkeen luuytimen soluja ruiskutettiin infarktialueelle joko suoraan sydänlihakseen tai sepelvaltimoon. Kolmen viikon kuluttua infarktista kantasoluja suoraan sydänlihakseen saaneiden eläinten vasemman kammion ejektiofraktio (LVEF) parani tilastollisesti merkitsevästi verrattuna kantasoluja sepelvaltimoon saaneisiin eläimiin ja keittosuolaa saaneisiin eläimiin, joiden LVEF pysyi infarktin jälkeisellä alentuneella tasolla. Isotooppitutkimus ja histologinen analyysi osoittivat, että suoraan sydänlihakseen ruiskutetuista kantasoluista valtaosa säilyy infarktialueella kun taas sepelvaltimoon siirretyt solut pääasiassa ajautuvat keuhkoihin. Histologisessa analyysissa sydänlihakseen ruiskutettujen solujen todettiin vähäisessä määrin erilaistuvan lihassolujen suuntaan ja jakautuvan. Kantasoluja saaneiden eläinten ryhmissä todettiin infarktialueella merkitsevästi alhaisempi kollageenipitoisuus sekä enemmän sileälihassolujen aktiinia ja poikkijuovaisten lihassolujen aktiinia kuin keittosuolaa saaneilla eläimillä. Proteomiikka-analyysin tulokset viittaavat kantasoluterapian saaneilla eläimillä mitokondrioiden energiatalouden tehostumiseen. Lisäksi esille tuli kaksi kantasoluterapian jälkeen aktiivista proteiinia, joilla todennäköisesti on keskeinen tehtävä infarktin patogeneesissä. Tutkimuksen perusteella luuytimen kantasolut tehostavat sydänlihaksen toipumista infarktista palauttamalla sydämen alentunutta pumppaustehoa. Suoraan sydänlihakseen annettu kantasoluterapia vaikuttaa tehokkaimmalta menetelmältä. Kantasoluterapia muovaa infarktiarpea vähentämällä kollageenin ja lisäämällä lihassoluille tyypillisten komponenttien määrää. Kantasoluterapian vaikutukset ovat pääasiassa parakriinisiä.

Abstract Based on experimental studies, heterogeneous ventricular repolarization has been suggested to predispose to the onset of life-threatening ventricular arrhythmias and subsequent studies in various patient populations have associated it with poor clinical outcome. The aim of this study was to assess the dynamics of ventricular repolarization from electrocardiogram (ECG) during a standard exercise stress test with techniques based on principal component analysis, and to investigate whether they would yield valuable prognostic information on cardiac mortality and sudden cardiac death. Exercise ECG recordings from 40 healthy men and women were analyzed in order to establish normal dynamics and rate-dependence for the spatial QRS/T angle and total cosine R to T (TCRT), which reflects the spatial deviation between the depolarization and repolarization wave-fronts. Subsequently, exercise ECG recordings from 20 patients with previous myocardial infarction (MI) were compared with 20 controls in order to assess the modulation of previous MI on the dynamics of TCRT. The prognostic value of abnormal dynamics and rate-dependence of TCRT and spatial QRS/T angle were assessed in 1,297 patients referred to a clinically indicated exercise stress test. The spatial QRS/T angle and TCRT were found to be significantly rate-dependent during both exercise and recovery periods as TCRT and the cosine of the spatial QRS/T angle decreased at higher heart rates (HR), indicating increase in the global heterogeneity of the ventricular repolarization. In the post-MI group, the dynamics of TCRT were impaired with a significantly lower rate-dependence in contrast to the healthy and control groups. In the study cohort, impaired rate-dependence of TCRT during both exercise and recovery periods was an independent predictor of cardiac and sudden cardiac death during the follow up of the study. Similarly, reduction of the area between the exercise and three-minute recovery TCRT/HR curves was associated with an increased risk of cardiac and sudden cardiac death. In conclusion, dynamics and rate-dependence of TCRT and spatial QRS/T angle are able to discriminate subjects with an increased risk of cardiac and sudden cardiac death. Reduced rate-dependence of TCRT during exercise and recovery periods, as well as decreased exercise-recovery hysteresis of TCRT, are significant predictors of cardiac and sudden cardiac death. / Tiivistelmä Sydämen kammioiden poikkeavan palautumisen on kokeellisissa tutkimuksissa havaittu altistavan kammioperäisille rytmihäiriöille. Lisäksi, useat tutkimukset erilaisissa potilasaineistoissa ovat osoittaneet sen olevan yhteydessä heikkoon kliiniseen ennusteeseen. Tämän työn tarkoituksena oli analysoida sydämen kammioiden repolarisaation dynamiikkaa sydänsähkökäyrästä (EKG) rasituskokeen aikana pääkomponenttianalyysiin perustuvilla menetelmillä sekä tutkia, ennustavatko uudet muuttujat sydänperäistä kuolemaa tai sydänperäistä äkkikuolemaa. Neljänkymmenen terveen miehen ja naisen rasitus-EKG:t analysoitiin depolarisaatio- ja repolarisaatioaaltojen välistä avaruudellista kulmaa kuvaavan ’total cosine R to T’:n (TCRT) sekä kolmiulotteisen QRS/T-kulman dynamiikan sekä sykeriippuvuuden normaaliarvojen määrittämiseksi. Lisäksi, vertailtiin 20 sydäninfarktin sairastaneen sekä 20 kontrollipotilaan rasitusmittauksia aiemman infarktin TCRT:n dynamiikkaan sekä sykeriippuvuuteen aiheuttaman modulaation määrittämiseksi. Muuttujien poikkeavan dynamiikan ennustearvoa testattiin 1297 rasitus-EKG-mittaukseen lähetteen saaneella potilaalla. Sekä TCRT että avaruudellisen QRS/T-kulman kosini olivat molemmat erittäin sykeriippuvaisia sekä rasituksessa että palautumisessa. Molemmat muuttujat pienenivät sykkeen (HR) kasvaessa, osoittaen kammioiden repolarisaation heterogeenisyyden kasvua korkeammilla syketaajuuksilla. Sydäninfarktin sairastaneilla potilailla muuttujien dynamiikka ja sykeriippuvuus olivat heikentyneitä. Kohorttiaineistossa heikentynyt sykeriippuvuus sekä rasituksen että palautumisen aikana ennustivat myöhempää sydänperäistä kuolemaa sekä sydänperäistä äkkikuolemaa itsenäisesti. Vastaavasti, rasituksen ja kolmen minuutin palautumisen aikaisten TCRT/HR kuvaajien väliin jäävän pinta-alan pienentyminen oli yhteydessä korkeampaan sydänperäisen kuoleman sekä sydänperäisen äkkikuoleman riskiin. Kammioiden repolarisaation dynamiikkaa kuvaavat muuttujat pystyvät erottelemaan potilaat, joilla on korkeampi riski kokea sydänperäinen kuolema tai sydänperäinen äkkikuolema. Poikkeavan alhainen sykeriippuvuus rasituksen ja palautumisen aikana sekä alentunut rasituksen ja palautumisen välinen hystereesi olivat merkittäviä sydänperäisen kuoleman sekä sydänperäisen äkkikuoleman ennustajia.

Abstract Intracoronary administration of autologous bone marrow derived stem cells (BMC) has been postulated to repair the myocardial damage in patients who have suffered acute ST-elevation myocardial infarction (STEMI). The aim of this study was to find determinants for the left ventricular functional recovery after BMC treatment of STEMI and to study the effect of BMC treatment on different biochemical and clinical parameters associated with the outcome of STEMI patients. In this study, STEMI patients treated with thrombolysis were randomly assigned to receive either intracoronary BMC (n=39) or placebo (n=39) into the infarct related artery at the time of percutaneous coronary intervention. The efficacy of the BMC treatment was assessed by measurement of the change of left ventricular ejection fraction (LVEF) from baseline to six months after STEMI. Two-dimensional echocardiography was used to assess PA pressure, LV systolic and diastolic function. Blood samples were drawn for biochemical determinations at several time points and BMCs were cultured in the laboratory for in vitro analyses. In the BMC group, the most powerful determinant of the change of LVEF was the baseline LVEF. Patients with baseline LVEF at or below the median (≤62.5%) experienced a more marked improvement of LVEF than those above the median. Elevated levels of N-terminal probrain natriuretic peptide (NT-proBNP) and N-terminal proatrial natriuretic peptide (NT-proANP) were also associated with an improvement of LVEF in the BMC group. However, no difference was observed between the BMC group and the placebo group in the changes of the levels of NT-proANP, NT-proBNP or any of the inflammatory markers measured. The BMC group showed a trend toward a reduction of peak PA pressure, while the placebo group had a significant increase of peak PA pressure at 6 months. In addition, there was a greater improvement in the LV diastolic function, assessed in quartiles, in the BMC group. The in vitro studies of BMCs revealed that exposure to tumor necrosis factor alpha (TNF-α) significantly enhanced the proliferation of BMCs and resulted in activation of immunosuppression by altering the expression of several immunosuppressive proteins. In conclusion, low baseline LVEF as well as high levels of natriuretic peptides NT-proANP and NT-proBNP, which reflect the severity of the hemodynamic and neurohumoral reactions evoked by the myocardial damage, have a considerable association to a better response to stem cell therapy after an acute STEMI. BMC therapy also prevents the increase of PA pressure and improves the cardiac diastolic function. Based on in vitro studies, the inflammatory cytokine TNF-α seems to evoke an enhanced proliferation of the bone marrow-derived mesenchymal stem cells and activation of several immunosuppressive defence mechanisms. / Tiivistelmä Sydäninfarktipotilaiden sepelvaltimoon pallolaajennuksen yhteydessä injektoitujen kantasolujen tiedetään parantavan hieman sydämen pumppauskykyä, mutta taustalla olevaa mekanismia ei tunneta. Kantasoluhoidon onnistumiseen vaikuttavia tekijöitä on tutkittu vasta vähän, eikä myöskään sitä tiedetä, miksi kaikki potilaat eivät hyödy kantasoluhoidosta. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää infarktialueelle annetun kantasoluhoidon vaikutuksia äkillisen ST-nousuinfarktin (STEMI) sairastaneissa potilaissa, ja etsiä hoidon onnistumiseen vaikuttavia tekijöitä. Tutkimuksessa käytettiin potilasaineistoa, johon otettiin 78 äkilliseen sydäninfarktiin sairastunutta potilasta, jotka hoidettiin liuotushoidolla ja sen jälkeen pallolaajennuksella. Puolet potilaista satunnaistettiin saamaan lumeliuosta ja puolet omaa luuydinsolukkoaan (BMC), joka ruiskutettiin pallolaajennuksen yhteydessä sepelvaltimon kautta infarktialueelle. Hoidon vaikusta tutkittiin mittaamalla angiografian avulla vasemman kammion ejektiofraktion (LVEF) muutosta lähtötilanteen ja kuuden kuukauden seurannan välillä. Lisäksi sydämen ultraäänitutkimuksella määritettiin keuhkovaltimopainetta ja vasemman kammion systolista ja diastolista toimintaa. Potilaista otettiin lisäksi verinäytteitä, joista määritettiin erilaisia tulehdusmerkkiaineita ja natriureettisia peptidejä. Lisäksi potilaista kerättyjä luuydinkantasoluja viljeltiin laboratoriossa in vitro-analyyseja varten. Tutkimuksessa todettiin, että LVEF ennen kantasoluhoitoa oli voimakkain ennustetekijä suotuisalle LVEF:n muutokselle kantasoluhoidon jälkeen. Potilaat, joilla LVEF oli ennen kantasoluhoitoa alle mediaaniarvon (≤62.5%), hyötyivät kantasoluhoidosta enemmän kuin potilaat, joilla LVEF oli yli mediaanin. Myös natriureettisten peptidien NT-proBNP:n ja NT-proANP:n korkea taso infarktin jälkeen oli yhteydessä suurempaan LVEF:n paranemiseen BMC-potilailla. Natriureettisten peptidien ja tulehdusmerkkiaineiden pitoisuuksien muutoksissa kantasoluhoidon jälkeen ei kuitenkaan todettu eroa BMC- ja kontrolliryhmän välillä. Sydämen diastolisen toiminnan havaittiin paranevan enemmän BMC-ryhmässä kuin kontrolliryhmässä. Lisäksi BMC-ryhmässä havaittiin lievää laskua keuhkovaltimopaineessa, kun taas kontrolliryhmässä se nousi merkittävästi. In vitro-tutkimukset luuytimestä erilaistetuilla mesenkymaalisilla kantasoluilla puolestaan osoittivat, että tuumorinekroositekijä alfa (TNF-α)-altistus lisäsi solujakautumista ja monien immunosupressiivisten proteiinien tuottoa soluissa. Matala LVEF sekä natriureettisten peptidien NT-proBNP:n ja NT-proANP:n korkea taso sydäninfarktin jälkeen kuvaavat infarktivaurion aiheuttamien hemodynaamisten ja neurohumoraalisten reaktioiden vakavuutta, ja tässä tutkimuksessa niiden osoitettiin olevan vahvasti yhteydessä äkillisen ST-nousuinfarktin jälkeen annetun kantasoluhoidon hyötyyn. Kantasoluhoito saattaa myös suojata infarktipotilaita haitalliselta keuhkovaltimopaineen nousulta ja parantaa sydämen diastolista toimintaa. Tulehdusvälittäjäaine TNF-α näytti in vitro-kokeiden perusteella lisäävän luuytimen mesenkymaalisten kantasolujen jakautumista ja aktivoivan niissä monia immunosuppressiivisia puolustusmekanismeja tulehdusta vastaan.

Abstract Coronary heart disease (CHD), a manifestation of atherosclerosis, is the leading single cause of death in Finland. CHD is affected by numerous genetic and environmental factors, their combined effects and interactions between them. Low HDL-cholesterol (HDL-C) is an independent risk factor for atherosclerosis and the most common dyslipidemia associated with early onset CHD, but the mechanisms regulating HDL-C levels and protecting from atherosclerosis are still not completely understood. Adiponectin is a hormone that is secreted by adipose tissue and has several anti-atherosclerotic effects. There is multiple evidence suggesting that adiponectin could protect against CHD via positive effects on HDL metabolism. Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent angiogenic growth factor that has a potentially conflicting role in atherosclerosis; it may have protecting or predisposing effects. The objective of this thesis was to study the genetic background of HDL-C regulation and atherosclerosis. Three studies were executed using extended families with CHD or case-control setting, with samples collected from Northern Finland. In the first study, seven chromosomal regions showing suggestive evidence of linkage were identified for HDL-C regulation, using genome-wide linkage approach. In the second study, we found a strong correlation between HDL-C and adiponectin, but failed to show evidence of a shared genetic background. However, a genetic correlation between adiponectin and low-density lipoprotein-cholesterol was revealed. We also studied the genetic regulation of adiponectin, and for the first time its most active form, high-molecular weight adiponectin, and found suggestive evidence of linkage to three chromosomal regions. In the third study, it was discovered that the studied VEGF gene polymorphisms did not have a major effect on atherosclerosis quantified as carotid intima-media thickness or the risk of acute myocardial infarction (AMI). This thesis presents potential regions for the genetic regulation of HDL-C and adiponectin and gives new information about their relationship and the effect of VEGF polymorphisms in atherosclerosis. The strong correlation between adiponectin and HDL-C was further strengthened, but we failed to show a shared genetic background between them. / Tiivistelmä Sepelvaltimotauti, eräs valtimonkovettumataudin ilmentymä, on yleisin yksittäinen kuolinsyy maassamme. Taudin syntyyn vaikuttavat lukuisat geneettiset ja ympäristötekijät sekä niiden väliset yhteis- ja vuorovaikutukset. Pieni HDL-kolesterolipitoisuus on valtimonkovettumataudin itsenäinen riskitekijä ja yleisin kolesterolipoikkeavuus, joka liittyy varhain ilmenevään sepelvaltimotautiin. HDL-kolesterolin vaihtelun syitä ja tämän "hyvän kolesterolin" sepelvaltimotaudilta suojaavia vaikutusmekanismeja ei kuitenkaan pystytä täysin selittämään. Adiponektiini on rasvakudoksen tuottama hormoni, jonka sepelvaltimotaudilta suojaavan ominaisuuden on ehdotettu johtuvan siitä, että se vaikuttaisi HDL-kolesterolin aineenvaihduntaan. VEGF (vascular endothelial growth factor) on verisuonten sisäseinämissä vaikuttava kasvutekijä, jolla saattaa olla joko sepelvaltimotaudilta suojaavia tai sille altistavia vaikutuksia. Väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia HDL-kolesterolin ja valtimonkovettumataudin geneettistä taustaa. Kolmessa osatyössä tutkittiin suuria pohjoissuomalaisia sepelvaltimotautisukuja; lisäksi käytettiin väestö- ja potilasaineistoja. Ensimmäisessä tutkimuksessa löydettiin koko genomin kytkentäkartoitusmenetelmällä seitsemän kromosomialuetta, jotka saattavat vaikuttaa HDL-kolesterolin säätelyyn. Toisessa tutkimuksessa selvitettiin adiponektiinin, ja ensimmäistä kertaa myös sen aktiivisimman muodon, HMW-adiponektiinin geneettistä taustaa. Kytkentäanalyysissä saatiin viitteitä kolmesta adiponektiineja mahdollisesti säätelevästä kromosomialueesta. Havaittiin myös, että HDL-kolesterolin ja adiponektiinin pitoisuudet korreloivat vahvasti keskenään, mutta yhteistä geneettistä säätelytekijää ei pystytty osoittamaan. LDL-kolesterolin ja adiponektiinin välillä kuitenkin havaittiin geneettinen korrelaatio. Kolmannessa tutkimuksessa todettiin, ettei tutkituilla VEGF-geenin nukleotidimuutoksilla todennäköisesti ole merkittävää syy-yhteyttä valtimonkovettumatautiin kaulavaltimoiden sisäseinämän paksuudella tai sydäninfarktiriskillä mitattuna. Tämä tutkimus tuo uutta tietoa HDL-kolesterolin ja adiponektiinin geneettisestä säätelystä ja niiden suhteesta sekä VEGF-geenin nukleotidimuutosten osuudesta valtimonkovettumataudissa. Tutkimus vahvistaa edelleen HDL-kolesterolin ja adiponektiinin yhteyden, muttei pysty osoittamaan niille yhteistä geneettistä tekijää.

Abstract The β1-adrenergic receptor (β1AR) belongs to the large family of G protein-coupled receptors. It is activated by epinephrine and norepinephrine and thus has a central role in mediating the effects of the sympathetic nervous system. β1AR is the predominant adrenergic receptor in the heart, where it mediates positive inotropy and chronotropy. Thus, it is the most important target receptor for β-adrenergic antagonists, which are widely used in the treatment of cardiovascular diseases. Furthermore, β1AR is also expressed in the brain, where it has a crucial role in regulating memory formation and synaptic plasticity. Human β1AR (hβ1AR) has two polymorphisms, one at each terminus. The carboxyl-terminal (C-terminal) Arg389Gly8.56 polymorphism has previously been shown to have functional significance. Despite the clinical importance of hβ1AR, its biosynthetic profile and post-translational processing have not been well characterized to date. The aims of the present study were to shed light on these events, focusing on the limited proteolysis of hβ1AR and the impact of β-adrenergic ligands on receptor processing. In addition, the C-terminal polymorphism and its associations with certain parameters were investigated in a population consisting of survivors of acute myocardial infarction (AMI). By using a heterologous expression system, hβ1AR biosynthesis was revealed to be efficient and rapid. The N-terminus of the mature receptor was modified with O-glycans and one N-glycan, but despite these modifications it was subject to cleavage at the cell surface that resulted in two C-terminal fragments. The cleavage was mediated by a metalloproteinase, and importantly, it also occurred in vivo. Moreover, receptor activation enhanced the cleavage, which suggests that it represents a novel regulatory mechanism of hβ1AR. Interestingly, those ligands that enhanced the cleavage stabilized intracellular hβ1AR precursors, possibly via a pharmacological chaperone activity. Thus, the present study demonstrates that β-adrenergic ligands can have different regulatory effects on distinct hβ1AR forms. Among the AMI survivors, the Arg3898.56 homozygotes had significantly increased left ventricular mass indexes, when compared to the Gly3898.56 carriers, which suggests an association between Arg3898.56 and left ventricular hypertrophy (LVH). When euglycemic and diabetic patients were analyzed separately, the association existed among the euglycemic patients but was not present in diabetic patients. Diabetes is one of several risk factors that have previously been shown to influence the progression of LVH. Here, diabetes was shown to have a stronger effect on the development of LVH, when compared with the Arg3898.56 variant of hβ1AR. / Tiivistelmä β1-adrenerginen reseptori (β1AR) kuuluu laajaan G-proteiineihin kytkettyjen reseptorien perheeseen. β1AR on tärkeässä asemassa sympaattisen hermoston toiminnassa. Sydämessä β1AR on vallitseva adrenerginen reseptori, ja sydänlihaksen supistusvireys sekä -taajuus voimistuvat β1AR:n aktivaation kautta. Siten se edustaa sydän- ja verisuonisairauksissa käytettävien β-salpaajien tärkeintä kohdereseptoria. β1AR:n luontaisia agonisteja ovat lisämunuaisytimestä ja hermopäätteistä vapautuvat adrenaliini ja noradrenaliini. Sydänlihaksen lisäksi β1AR:a ilmennetään myös aivoissa, jossa reseptorilla on keskeinen asema muistin ja synaptisen muovautuvuuden kannalta. Ihmisen β1AR (hβ1AR) sisältää kaksi polymorfismia, joista toinen (Arg389Gly8.56) sijaitsee reseptorin karboksyyli- (C-) terminaalissa solulimassa. Tällä polymorfismilla on havaittu olevan toiminnallista merkitystä. Vaikka hβ1AR:n kliininen merkitys on huomattava, sen biosynteesistä ja translaationjälkeisestä muokkauksesta ei ole tähän mennessä ollut juurikaan tutkimustietoa. Tämän väitöskirjatyön tavoite oli kuvata näitä tapahtumia ja erityisesti keskittyä hβ1AR:n solunulkoisen amino- (N-) terminaalin rajoitettuun proteolyysiin. Lisäksi haluttiin tutkia, onko β-adrenergisillä ligandeilla vaikutusta reseptorin prosessointiin. Tutkimuksen kliinisessä osiossa kartoitettiin C-terminaalisen polymorfian yhteyttä valikoituihin muuttujiin aineistossa, joka koostui akuutin sydäninfarktin (AMI) sairastaneista potilaista. hβ1AR:n biosynteesin havaittiin olevan tehokas ja nopea heterologisessa systeemissä. Kypsän reseptorin N-terminaalissa havaittiin useita O-kytkennäisiä ja yksi N-kytkennäinen glykaani. Glykosyloinnista huolimatta N-terminaali pilkkoutui solun pinnalla, mikä tuotti kaksi solukalvolla sijaitsevaa, C-terminaalista reseptoripalasta. Pilkkoutumista, joka havaittiin myös in vivo, katalysoi metalloproteinaasi. Reseptorin aktivaatio kiihdytti pilkkoutumista, joka siten todennäköisesti edustaa uudenlaista hβ1AR:n säätelymekanismia. Ligandit, jotka kiihdyttivät pilkkoutumista, toisaalta stabiloivat solunsisäisiä hβ1AR:n epäkypsiä muotoja toimien luultavasti ns. farmakologisina kaperoneina. Näin ollen väitöskirjatyö osoittaa, että β-adrenergisillä ligandeilla voi olla erilaisia säätelyvaikutuksia eri hβ1AR-muotoihin. Kliinisessä tutkimuksessa Arg3898.56-homotsygooteilla potilailla havaittiin merkittävästi suurentunut vasemman kammion massaindeksi Gly3898.56-kantajiin verrattuina, mikä puoltaa Arg3898.56-polymorfismin ja vasemman kammion hypertrofian (LVH) välistä yhteyttä. Kun euglykeemisiä potilaita ja diabeetikkoja tutkittiin erikseen, yhteys ilmeni vain euglykeemisessä ryhmässä. Diabetes on riskitekijä, joka vaikuttaa LVH:n kehittymiseen. Tässä tutkimuksessa diabeteksellä havaittiin olevan voimakkaampi vaikutus LVH:n kehittymiseen Arg3898.56 -polymorfismiin verrattuna.