Pharmacogenetics of SLCO1B1: Population genetics and effect on statins

Kohonneiden kolesterolipitoisuuksien alentamisessa käytettävien statiinien hyödyt sydän- ja verisuonisairauksien estossa on vahvasti osoitettu ja niiden käyttö on niin Suomessa kuin muuallakin maailmassa kasvanut voimakkaasti – Suomessa statiininkäyttäjiä on noin 600 000. Statiinilääkitys on pitkäaikaisessakin käytössä melko hyvin siedetty, mutta yleisimpinä haittavaikutuksina voi ilmetä lihasheikkoutta, -kipua ja -kramppeja, jotka voivat edetä jopa henkeä uhkaavaksi lihasvaurioksi. Lihashaittariski suurenee suhteessa statiiniannokseen ja plasman statiinipitoisuuksiin. Statiinien plasmapitoisuuksissa, tehossa ja haittavaikutusten ilmenemisessä on suuria potilaskohtaisia eroja. SLCO1B1-geenin koodaama OATP1B1-kuljetusproteiini kuljettaa monia elimistön omia aineita ja lääkeaineita verenkierrosta solukalvon läpi maksasoluun, mm. statiineja, joiden kolesterolia alentava vaikutus ja poistuminen elimistöstä tapahtuvat pääosin maksassa. Erään SLCO1B1-geenin nukleotidimuutoksen (c.521T>C) tiedetään heikentävän OATP1B1:n kuljetustehoa. Tässä väitöskirjatyössä selvitettiin SLCO1B1-geenin perinnöllistä muuntelua suomalaisilla ja eri väestöissä maailmanlaajuisesti. Lisäksi selvitettiin SLCO1B1:n muunnosten vaikutusta eri statiinien pitoisuuksiin (farmakokinetiikka) ja vaikutuksiin (farmakodynamiikka) sekä kolesteroliaineenvaihduntaan. Näihin tutkimuksiin valittiin SLCO1B1-genotyypin perusteella terveitä vapaaehtoisia koehenkilöitä, joille annettiin eri päivinä kerta-annos kutakin tutkittavaa statiinia: fluvastatiinia, pravastatiinia, simvastatiinia, rosuvastatiinia ja atorvastatiinia. Verinäytteistä määritettiin plasman statiinien ja niiden aineenvaihduntatuotteiden sekä kolesterolin ja sen muodostumista ja imeytymistä kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Toiminnallisesti merkittävien SLCO1B1-geenimuunnosten esiintyvyydessä todettiin suuria eroja eri väestöjen välillä. Suomalaisilla SLCO1B1 c.521TC-genotyypin (geenimuunnos toisessa vastinkromosomissa) esiintyvyys oli noin 32 % ja SLCO1B1 c.521CC-genotyypin (geenimuunnos molemmissa vastinkromosomeissa) esiintyvyys noin 4 %. Globaalisti geenimuunnosten esiintyvyys korreloi maapallon leveyspiirien kanssa siten, että matalaan transportteriaktiivisuuteen johtavat muunnokset olivat yleisimpiä pohjoisessa ja korkeaan aktiivisuuteen johtavat päiväntasaajan lähellä asuvilla väestöillä. SLCO1B1-genotyypillä oli merkittävä vaikutus statiinien plasmapitoisuksiin lukuun ottamatta fluvastatiinia. Simvastatiinihapon plasmapitoisuudet olivat keskimäärin 220 %, atorvastatiinin 140 %, pravastatiinin 90 % ja rosuvastatiinin 70 % suuremmat c.521CC-genotyypin omaavilla koehenkilöillä verrattuna normaalin c.521TT-genotyypin omaaviin. Genotyypillä ei ollut merkittävää vaikutusta minkään statiinin tehoon tässä kerta-annostutkimuksessa, mutta geenimuunnoksen kantajilla perustason kolesterolisynteesinopeus oli suurempi. Tulokset osoittavat, että SLCO1B1 c.521T>C geenimuunnos on varsin yleinen suomalaisilla ja muilla ei-afrikkalaisilla väestöillä. Tämä geenimuunnos voi altistaa erityisesti simvastatiinin, mutta myös atorvastatiinin, pravastatiinin ja rosuvastatiinin, aiheuttamille lihashaitoille suurentamalla niiden plasmapitoisuuksia. SLCO1B1:n geenimuunnoksen testaamista voidaan tulevaisuudessa käyttää apuna valittaessa sopivaa statiinilääkitystä ja -annosta potilaalle, ja näin parantaa sekä statiinihoidon turvallisuutta että tehoa.

Atomic scale engineering of carbon nanotubes

Carbon nanotubes, seamless cylinders made from carbon atoms, have outstanding characteristics: inherent nano-size, record-high Young’s modulus, high thermal stability and chemical inertness. They also have extraordinary electronic properties: in addition to extremely high conductance, they can be both metals and semiconductors without any external doping, just due to minute changes in the arrangements of atoms. As traditional silicon-based devices are reaching the level of miniaturisation where leakage currents become a problem, these properties make nanotubes a promising material for applications in nanoelectronics. However, several obstacles must be overcome for the development of nanotube-based nanoelectronics. One of them is the ability to modify locally the electronic structure of carbon nanotubes and create reliable interconnects between nanotubes and metal contacts which likely can be used for integration of the nanotubes in macroscopic electronic devices. In this thesis, the possibility of using ion and electron irradiation as a tool to introduce defects in nanotubes in a controllable manner and to achieve these goals is explored. Defects are known to modify the electronic properties of carbon nanotubes. Some defects are always present in pristine nanotubes, and naturally are introduced during irradiation. Obviously, their density can be controlled by irradiation dose. Since different types of defects have very different effects on the conductivity, knowledge of their abundance as induced by ion irradiation is central for controlling the conductivity. In this thesis, the response of single walled carbon nanotubes to ion irradiation is studied. It is shown that, indeed, by energy selective irradiation the conductance can be controlled. Not only the conductivity, but the local electronic structure of single walled carbon nanotubes can be changed by the defects. The presented studies show a variety of changes in the electronic structures of semiconducting single walled nanotubes, varying from individual new states in the band gap to changes in the band gap width. The extensive simulation results for various types of defect make it possible to unequivocally identify defects in single walled carbon nanotubes by combining electronic structure calculations and scanning tunneling spectroscopy, offering a reference data for a wide scientific community of researchers studying nanotubes with surface probe microscopy methods. In electronics applications, carbon nanotubes have to be interconnected to the macroscopic world via metal contacts. Interactions between the nanotubes and metal particles are also essential for nanotube synthesis, as single walled nanotubes are always grown from metal catalyst particles. In this thesis, both growth and creation of nanotube-metal nanoparticle interconnects driven by electron irradiation is studied. Surface curvature and the size of metal nanoparticles is demonstrated to determine the local carbon solubility in these particles. As for nanotube-metal contacts, previous experiments have proved the possibility to create junctions between carbon nanotubes and metal nanoparticles under irradiation in a transmission electron microscope. In this thesis, the microscopic mechanism of junction formation is studied by atomistic simulations carried out at various levels of sophistication. It is shown that structural defects created by the electron beam and efficient reconstruction of the nanotube atomic network, inherently related to the nanometer size and quasi-one dimensional structure of nanotubes, are the driving force for junction formation. Thus, the results of this thesis not only address practical aspects of irradiation-mediated engineering of nanosystems, but also contribute to our understanding of the behaviour of point defects in low-dimensional nanoscale materials.