Studies on the Cell Wall Structure and on the Mechanical Properties of Norway Spruce

The structure and the mechanical properties of wood of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) were studied using small samples from Finland and Sweden. X-ray diffraction (XRD) was used to determine the orientation of cellulose microfibrils (microfibril angle, MFA), the dimensions of cellulose crystallites and the average shape of the cell cross-section. X-ray attenuation and x-ray fluorescence measurements were used to study the chemical composition and the trace element content. Tensile testing with in situ XRD was used to characterise the mechanical properties of wood and the deformation of crystalline cellulose within the wood cell walls. Cellulose crystallites were found to be 192 284 Å long and 28.9 33.4 Å wide in chemically untreated wood and they were longer and wider in mature wood than in juvenile wood. The MFA distribution of individual Norway spruce tracheids and larger samples was asymmetric. In individual cell walls, the mean MFA was 19 30 degrees, while the mode of the MFA distribution was 7 21 degrees. Both the mean MFA and the mode of the MFA distribution decreased as a function of the annual ring. Tangential cell walls exhibited smaller mean MFA and mode of the MFA distribution than radial cell walls. Maceration of wood material caused narrowing of the MFA distribution and removed contributions observed at around 90 degrees. In wood of both untreated and fertilised trees, the average shape of the cell cross-section changed from circular via ambiguous to rectangular as the cambial age increased. The average shape of the cell cross-section and the MFA distribution did not change as a result of fertilisation. The mass absorption coefficient for x-rays was higher in wood of fertilised trees than in that of untreated trees and wood of fertilised trees contained more of the elements S, Cl, and K, but a smaller amount of Mn. Cellulose crystallites were longer in wood of fertilised trees than in that of untreated trees. Kraft cooking caused widening and shortening of the cellulose crystallites. Tensile tests parallel to the cells showed that if the mean MFA is initially around 10 degrees or smaller, no systematic changes occur in the MFA distribution due to strain. The role of mean MFA in defining the tensile strength or the modulus of elasticity of wood was not as dominant as that reported earlier. Crystalline cellulose elongated much less than the entire samples. The Poisson ratio νca of crystalline cellulose in Norway spruce wood was shown to be largely dependent on the surroundings of crystalline cellulose in the cell wall, varying between -1.2 and 0.8. The Poisson ratio was negative in kraft cooked wood and positive in chemically untreated wood. In chemically untreated wood, νca was larger in mature wood and in latewood compared to juvenile wood and earlywood.

Sarveiskalvon permeabiliteetin ennustaminen QSPR-mallin avulla

QSPR-malli kuvaa kvantitatiivista riippuvuutta muuttujien ja biologisen ominaisuuden välillä. Näin ollen QSPR mallit ovat käyttökelpoisia lääkekehityksen apuvälineitä. Kirjallisessa osassa kerrotaan sarveiskalvon, suoliston ja veriaivoesteen permeabiliteetin malleista. Useimmin käytettyjä muuttujia ovat yhdisteen rasvaliukoisuus, polaarinen pinta-ala, vetysidosten muodostuminen ja varaus. Myös yhdisteen koko vaikuttaa läpäisevyyteen, vaikka tutkimuksissa onkin erilaista tietoa tämän merkittävyydestä. Malliin vaikuttaa myös muiden kuin mallissa mukana olevien muuttujien suuruusluokka esimerkkinä Lipinskin ‖rule of 5‖ luokittelu. Tässä luokittelussa yhdisteen ominaisuus ei saa ylittää tiettyjä raja-arvoja. Muussa tapauksessa sen imeytyminen suun kautta otettuna todennäköisesti vaarantuu. Lisäksi kirjallisessa osassa tutustuttiin kuljetinproteiineihin ja niiden toimintaan silmän sarveiskalvossa, suolistossa ja veriaivoesteessä. Nykyisin on kehitetty erilaisia QSAR-malleja kuljetinproteiineille ennustamaan mahdollisten substraatittien tai inhibiittorien vuorovaikutuksia kuljetinproteiinin kanssa. Kokeellisen osan tarkoitus oli rakentaa in silico -malli sarveiskalvon passiiviselle permeabiliteetille. Työssä tehtiin QSPR-malli 54 yhdisteen ACDLabs-ohjelmalla laskettujen muuttujien arvojen avulla. Permeabiliteettikertoimien arvot saatiin kirjallisuudesta kanin sarveiskalvon läpäisevyystutkimuksista. Lopullisen mallin muuttujina käytettiin oktanoli-vesijakaantumiskerrointa (logD) pH:ssa 7,4 ja vetysidosatomien kokonaismäärää. Yhtälö oli muotoa log10(permeabiliteettikerroin) = -3,96791 - 0,177842Htotal + 0,311963logD(pH7,4). R2-korrelaatiokerroin oli 0,77 ja Q2-korrelaatiokerroin oli 0,75. Lopullisen mallin hyvyyttä arvioitiin 15 yhdisteen ulkoisella testijoukolla, jolloin ennustettua permeabiliteettia verrattiin kokeelliseen permeabiliteettiin. QSPR-malli arvioitiin myös farmakokineettisen simulaation avulla. Simulaatiossa laskettiin seitsemän yhdisteen kammionestepitoisuudet in vivo vakaassa tilassa käyttäen simulaatioissa QSPR mallilla ennustettuja permeabiliteettikertoimia. Lisäksi laskettiin sarveiskalvon imeytymisen nopeusvakio (Kc) 13 yhdisteelle farmakokineettisen simulaation avulla ja verrattiin tätä lopullisella mallilla ennustettuun permeabiliteettiin. Tulosten perusteella saatiin tilastollisesti hyvä QSPR-malli kuvaamaan sarveiskalvon passiivista permeabiliteettia, jolloin tätä mallia voidaan käyttää lääkekehityksen alkuvaiheessa. QSPR-malli ennusti permeabiliteettikertoimet hyvin, mikä nähtiin vertaamalla mallilla ennustettuja arvoja kokeellisiin tuloksiin. Lisäksi yhdisteiden kammionestepitoisuudet voitiin simuloida käyttäen apuna QSPR-mallilla ennustettuja permeabiliteettikertoimien arvoja.