Atmospheric particle formation in spatially and temporally varying conditions

Atmospheric particles affect the radiation balance of the Earth and thus the climate. New particle formation from nucleation has been observed in diverse atmospheric conditions but the actual formation path is still unknown. The prevailing conditions can be exploited to evaluate proposed formation mechanisms. This study aims to improve our understanding of new particle formation from the view of atmospheric conditions. The role of atmospheric conditions on particle formation was studied by atmospheric measurements, theoretical model simulations and simulations based on observations. Two separate column models were further developed for aerosol and chemical simulations. Model simulations allowed us to expand the study from local conditions to varying conditions in the atmospheric boundary layer, while the long-term measurements described especially characteristic mean conditions associated with new particle formation. The observations show statistically significant difference in meteorological and back-ground aerosol conditions between observed event and non-event days. New particle formation above boreal forest is associated with strong convective activity, low humidity and low condensation sink. The probability of a particle formation event is predicted by an equation formulated for upper boundary layer conditions. The model simulations call into question if kinetic sulphuric acid induced nucleation is the primary particle formation mechanism in the presence of organic vapours. Simultaneously the simulations show that ignoring spatial and temporal variation in new particle formation studies may lead to faulty conclusions. On the other hand, the theoretical simulations indicate that short-scale variations in temperature and humidity unlikely have a significant effect on mean binary water sulphuric acid nucleation rate. The study emphasizes the significance of mixing and fluxes in particle formation studies, especially in the atmospheric boundary layer. The further developed models allow extensive aerosol physical and chemical studies in the future.

Nikotiinireseptoreiden kautta vaikuttavat lääkeaineet nikotiiniriippuvuuden ja neurologisten sairauksien hoidossa

Neuronaaliset nikotiinireseptorit liittyvät tupakkariippuvuuden lisäksi moniin neurologisiin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin, skitsofreniaan, masennukseen ja tarkkaavaisuus- ja ylivilkkaushäiriöön. Nikotiinireseptorien stimulaation on tutkimuksissa havaittu parantavan kognitiota. Useat lääkeyritykset tutkivat nikotiinireseptoriagonisteja ja -antagonisteja eri neurologisten sairauksien hoidossa. Ongelmana nikotiinireseptori-agonisteja käytettäessä on reseptorissa tapahtuva desensitisaatio. Tällöin reseptori sulkeutuu, eikä aktivoidu vaikka agonistia olisi tarjolla tai sitoutuneena reseptoriin. Varsinkin alfa7-reseptori desensitoituu hyvin nopeasti agonistialtistuksen seurauksena. Reseptorien desensitoituminen voi kliinisessä käytössä aiheuttaa lääkeaineen tehon menetyksen. Perinteisen agonistin sitoutumiskohdan lisäksi nikotiinireseptorissa sijaitsee myös muita sitoutumiskohtia, joita kutsutaan allosteerisiksi sitoutumispaikoiksi. Tutkimuksissa on havaittu, että eräät allosteerisesti sitoutuvat aineet, kuten PNU-120596, voivat vahvistaa agonistin aikaansaamaa vastetta ja/tai estää reseptorin desensitoitumista. Näitä aineita kutsutaan positiivisiksi allosteerisiksi modulaattoreiksi ja niiden ajatellaan olevan vaihtoehto desensitoitumisen aiheuttamaan tehon menetyksen ongelmaan. Nikotiinireseptorien positiivisten allosteeristen modulaattorien tarkkaa vaikutusta ja sitoutumiskohtaa reseptoriin ei vielä tarkkaan tiedetä. Tutkimuksen aiheena oli karakterisoida positiivisten allosteeristen modulaattoreiden vaikutuksia alfa7-nikotiinireseptoriin. Tutkimuksessa tarkoituksena oli käyttää hyväksi laboratoriossa aiemmin tehtyä havaintoa, jonka mukaan alfa7-nikotiinireseptorin transmembraaniosan aminohappoon tehdyn mutaation L247T seurauksena positiiviset allosteeriset modulaattorit muuttuvat agonisteiksi. Haluttiin selvittää, kuinka agonistin sitoutumiskohtaan kohdennettua mutageneesiä käyttäen tehty mutaatio W149M tai W149F vaikuttavat PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T reseptoriin. Asetyylikoliini toimi konventionaalisen agonistin mallina tutkimuksessa. Tutkimuksen toinen tavoite oli tehdä mutaatio M253Lalfa7-reseptorin transmembraaniosaan. Mutaation on todettu estävän allosteeristen potentiaattoreiden kykyä voimistaa agonistin aikaansaamaa vastetta. Tarkoitus oli tutkia millaisia vaikutuksia M253L-mutaatiolla on allosteerisen potentiaattorin kykyyn toimia agonistina L247T-mutaation sisältävään reseptoriin. Mutatoidun reseptorin mRNA mikroinjektoitiin oosyyttiin ja elektrofysiologian avulla tutkittiin ilmennettyjen reseptorien toimintaa käyttäen kahden elektrodin jännitelukitus -menetelmää. Kaikki suunnitellut mutaatiot saatiin tehtyä onnistuneesti alfa7- ja alfa7L247T-reseptoreihin. Ortosteerisen sitoutumiskohdan mutaatio villin tyypin Į7-reseptorissa vaikutti hyvin voimakkaasti joko asetyylikoliinin sitoutumiseen reseptoriin tai reseptorin toimintaan, sillä asetyylikoliinilla ei reseptorista saatu mitattua vasteita. Myöskään PNU-120596 yksinään ei saanut aikaan vasteita alfa7W149M-reseptorissa. Kaksoismutatoidussa alfa7W149M/L247T-reseptorissa puolestaan havaittiin, että asetyylikoliinin annos-vaste -kuvaaja siirtyi huomattavasti enemmän oikealle kuin PNU-120596:n, kun verrattiin annos-vaste –kuvaajia alfa7L247T ja alfa7W149M/L247T–reseptoreiden välillä. Transmembraaniosan mutaatio M253L ei vaikuttanut PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T-reseptoriin, eikä sillä ollut vaikutusta asetyylikoliinin annosvaste-kuvaajiin. Tutkimus tukee aiempia havaintoja siitä, että positiivisten allosteeristen modulaattoreiden sitoutumiskohta nikotiinireseptorissa sijaitsisi transmembraaniosassa. M253L-mutaation osalta tulokset ovat hieman ristiriidassa aiempien tulosten kanssa. L247T-mutaatio vaikuttaa hyvin voimakkaasti nikotiinireseptorin toimintaan sekä sijaitsee aminohapon M253 läheisyydessä. On mahdollista, että se peittää M253L-mutaation vaikutuksen. Toisaalta voi olla, että M253 on aminohappo, joka vaikuttaa vain reseptorivasteiden voimistumiseen eikä allosteeristen potentiaattoreiden sitoutumiseen.

Protein Kinase C and Anaplastic Lymphoma Kinase Targeted Compounds

The protein kinases (PKs) belong to the largest single family of enzymes, phosphotransferases, which catalyze the phosphorylation of other enzymes and proteins and function primarily in signal transduction. Consequently, PKs regulate cell mechanisms such as growth, differentiation, and proliferation. Dysfunction of these cellular mechanisms may lead to cancer, a major predicament in health care. Even though there is a range of clinically available cancer-fighting drugs, increasing number of cancer cases and setbacks such as drug resistance, constantly keep cancer research active. At the commencement of this study an isophthalic acid derivative had been suggested to bind to the regulatory domain of protein kinase C (PKC). In order to investigate the biological effects and structure-activity relationships (SARs) of this new chemical entity, a library of compounds was synthesized. The best compounds induced apoptosis in human leukemia HL-60 cells and were not cytotoxic in Swiss 3T3 fibroblasts. In addition, the best apoptosis inducers were neither cytotoxic nor mutagenic. Furthermore, results from binding affinity assays of PKC isoforms revealed the pharmacophores of these isophthalic acid derivatives. The best inhibition constants of the tested compounds were measured to 210 nM for PKCα and to 530 nM for PKCδ. Among natural compounds targeting the regulatory domain of PKC, the target of bistramide A has been a matter of debate. It was initially found to activate PKCδ; however, actin was recently reported as the main target. In order to clarify and to further study the biological effects of bistramide A, the total syntheses of the natural compound and two isomers were performed. Biological assays of the compounds revealed accumulation of 4n polyploid cells as the primary mode of action and the compounds showed similar overall antiproliferative activities. However, each compound showed a distinct distribution of antimitotic effect presumably via actin binding, proapoptotic effect presumably via PKCδ, and pro-differentiation effect as evidenced by CD11b expression. Furthermore, it was shown that the antimitotic and proapoptotic effects of bistramide A were not secondary effects of actin binding but independent effects. The third aim in this study was to synthesize a library of a new class of urea-based type II inhibitors targeted at the kinase domain of anaplastic lymphoma kinase (ALK). The best compounds in this library showed IC50 values as low as 390 nM for ALK while the initial low cellular activities were successfully increased even by more than 70 times for NPM-ALK- positive BaF3 cells. More importantly, selective antiproliferative activity on ALK-positive cell lines was achieved; while the best compound affected the BaF3 and SU-DHL-1 cells with IC50 values of 0.5 and 0.8 μM, respectively, they were less toxic to the NPM-ALK-negative human leukemic cells U937 (IC50 = 3.2 μM) and BaF3 parental cells (IC50 = 5.4 μM). Furthermore, SAR studies of the synthesized compounds revealed functional groups and positions of the scaffold, which enhanced the enzymatic and cellular activities.

Lewis Acid-Lewis Base Mediated Metal-Free Hydrogen Activation and Catalytic Hydrogenation

Organocatalysis, the use of organic molecules as catalysts, is attracting increasing attention as one of the most modern and rapidly growing areas of organic chemistry, with countless research groups in both academia and the pharmaceutical industry around the world working on this subject. The literature review of this thesis mainly focuses on metal-free systems for hydrogen activation and organocatalytic reduction. Since these research topics are relatively new, the literature review also highlights the basic principles of the use of Lewis acid-Lewis base pairs, which do not react irreversibly with each other, as a trap for small molecules. The experimental section progresses from the first observation of the facile heterolytical cleavage of hydrogen gas by amines and B(C6F5)3 to highly active non-metal catalysts for both enantioselective and racemic hydrogenation of unsaturated nitrogen-containing compounds. Moreover, detailed studies of structure-reactivity relationships of these systems by X-ray, neutron diffraction, NMR methods and quantum chemical calculations were performed to gain further insight into the mechanism of hydrogen activation and hydrogenation by boron-nitrogen compounds.

Kohdennetut nanopartikkelit ja isotooppikuvantaminen syövän hoidossa

Syövän diagnostiikassa ja hoidossa nanopartikkelit voivat toimia kuljetinaineina lääke- ja diagnostisille aineille tai nukleiinihappojaksoille. Kantaja-aineeseen voidaan liittää kohdennusmolekyylejä partikkelien passiivista tai aktiivista kohdennusta varten tai radioleima kuvantamista tai radioterapiaa varten. Kantaja-aineiden avulla voidaan parantaa lääkeaineen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia ja biologista hyötyosuutta, vähentää systeemisiä sivuvaikutuksia, pidentää lääkeaineen puoliintumisaikaa ja siten harventaa annosteluväliä, sekä parantaa lääkeaineen pääsyä kohdekudokseen. Näin voidaan parantaa kemo- ja radioterapian tehoa ja hoidon onnistumisen todennäköisyyttä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään nanokantajien rooliin syövän hoidossa. Vuosikymmeniä jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta vain kaksi (Eurooppa) tai kolme (Yhdysvallat) nanopartikkeliformulaatiota on hyväksytty markkinoille syövän hoidossa. Ongelmina ovat riittämätön hakeutuminen kohdekudokseen, immunogeenisyys ja nanopartikkelien labiilius. Kokeellisessa osassa tutkitaan in vitro ja hiirillä in vivo 99mTc-leimattujen, PEG-verhoiltujen biotiiniliposomien kaksivaiheista kohdennusta ihmisen munasarjan adenokarsinoomasoluihin. Kohdentamiseen käytetään biotinyloitua setuksimabi-(Erbitux®) vasta-ainetta, joka sitoutuu solujen yli-ilmentämiin EGF-reseptoreihin. Kaksivaiheista kohdennusta verrataan suoraan ja/tai passiiviseen kohdennukseen. Tehokkaampien kuvantamismenetelmien kehitys on vauhdittanut kohdennettujen nanopartikkelien tutkimusta. Isotooppikuvantamista käyttäen pystytään seuraamaan radioleiman jakautumista elimistössä ja kuvantamaan solutasolla tapahtuvia ilmiöitä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään SPECT- ja PET-kuvantamiseen syövän hoidossa, sekä niiden hyödyntämiseen lääkekehityksessä nanopartikkelien kuvantamisessa. Kyseiset kuvantamismenetelmät erottuvat muista menetelmistä korkean erotuskyvyn, herkkyyden ja helppokäyttöisyyden suhteen. Kokeellisessa osassa 99mTc-leimattujen liposomien distribuutiota hiirissä tutkittiin SPECT-CT-laitteen avulla. Aktiivisuus kasvaimessa, pernassa ja maksassa kvantifioitiin InVivoScope-ohjelman ja gammalaskijan avulla. Tuloksia verrattiin keskenään. In vitro-kokeessa saavutettiin kaksivaiheisella kohdennuksella 2,7- 3,5-kertainen (solulinjasta riippuen) hakeutuminen soluihin kontrolliliposomeihin verrattuna. Kuitenkin suora kohdennus toimi kaksivaiheista kohdennusta paremmin in vitro. In vivo –kokeissa liposomit jakautuivat kasvaimeen tehokkaammin i.p.-annosteltuna kuin i.v.-annosteltuna. Kaksivaiheisella kohdennuksella saavutettiin 1,24-kertainen jakautuminen kasvaimeen (% ID/g kudosta) passiivisesti kohdennettuihin liposomeihin verrattuna. %ID/elin oli kohdennetuilla liposomeilla 5,9 % ja passiivisesti kohdennetuilla 5,4%. Todellinen ero oli siis pieni. InVivoScope:n ja gammalaskijan tulokset eivät korreloineet keskenään. Lisätutkimuksia ja menetelmän optimointia vaaditaan liposomien kohdennuksessa kasvaimeen.

Effects of gender, and SLCO1B1 and CYP7A1 polymorphisms on plasma bile acids in humans and the pharmacokinetics of therapeutic ursodeoxycholic acid

Bile acids are important steroid-derived molecules essential for fat absorption in the small intestine. They are produced in the liver and secreted into the bile. Bile acids are transported by bile flow to the small intestine, where they aid the digestion of lipids. Most bile acids are reabsorbed in the small intestine and return to the liver through the portal vein. The whole recycling process is referred to as the enterohepatic circulation, during which only a small amount of bile acids are removed from the body via faeces. The enterohepatic circulation of bile acids involves the delicate coordination of a number of bile acid transporters expressed in the liver and the small intestine. Organic anion transporting polypeptide 1B1 (OATP1B1), encoded by the solute carrier organic anion transporter family, member 1B1 (SLCO1B1) gene, mediates the sodium independent hepatocellular uptake of bile acids. Two common SNPs in the SLCO1B1 gene are well known to affect the transport activity of OATP1B1. Moreover, bile acid synthesis is an important elimination route for cholesterol. Cholesterol 7α-hydroxylase (CYP7A1) is the rate-limiting enzyme of bile acid production. The aim of this thesis was to investigate the effects of SLCO1B1 polymorphism on the fasting plasma levels of individual endogenous bile acids and a bile acid synthesis marker, and the pharmacokinetics of exogenously administered ursodeoxycholic acid (UDCA). Furthermore, the effects of CYP7A1 genetic polymorphism and gender on the fasting plasma concentrations of individual endogenous bile acids and the bile acid synthesis marker were evaluated. Firstly, a high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS) method for the determination of bile acids was developed (Study I). A retrospective study examined the effects of SLCO1B1 genetic polymorphism on the fasting plasma concentrations of individual bile acids and a bile acid synthesis marker in 65 healthy subjects (Study II). In another retrospective study with 143 healthy individuals, the effects of CYP7A1 genetic polymorphism and gender as well as SLCO1B1 polymorphism on the fasting plasma levels of individual bile acids and the bile acid synthesis marker were investigated (Study III). The effects of SLCO1B1 polymorphism on the pharmacokinetics of exogenously administered UDCA were evaluated in a prospective genotype panel study including 27 healthy volunteers (Study IV). A robust, sensitive and simple HPLC-MS/MS method was developed for the simultaneous determination of 16 individual bile acids in human plasma. The method validation parameters for all the analytes met the requirements of the FDA (Food and Drug Administration) bioanalytical guidelines. This HPLC-MS/MS method was applied in Studies II-IV. In Study II, the fasting plasma concentrations of several bile acids and the bile acid synthesis marker seemed to be affected by SLCO1B1 genetic polymorphism, but these findings were not replicated in Study III with a larger sample size. Moreover, SLCO1B1 polymorphism had no effect on the pharmacokinetic parameters of exogenously administered UDCA. Furthermore, no consistent association was observed between CYP7A1 genetic polymorphism and the fasting plasma concentrations of individual bile acids or the bile acid synthesis marker. In contrast, gender had a major effect on the fasting plasma concentrations of several bile acids and also total bile acids. In conclusion, gender, but not SLCO1B1 or CYP7A1 polymorphisms, has a major effect on the fasting plasma concentrations of individual bile acids. Moreover, the common genetic polymorphism of CYP7A1 is unlikely to influence the activity of CYP7A1 under normal physiological conditions. OATP1B1 does not play an important role in the in vivo disposition of exogenously administered UDCA.