Mast cells and endothelial erosion: Implications for human atherothrombotic disease

More than 40% of all deaths in Finland are caused by atherosclerosis. The complications of atherosclerosis are due to either detachment of the luminal endothelium (erosion) or rupture of the fibrous cap of an atherosclerotic plaque (rupture). As a result, a thrombus is formed at the site of the intimal lesion. Indeed, erosions cause roughly 40% of sudden atherothrombotic deaths and 25% of all atherothrombotic deaths. Erosions are overrepresented in young subjects, diabetics, smokers and women. This dissertation focuses on endothelial erosion. Endothelial erosions were studied in the context of arterial grafting and vascular inflammation. Special attention was given to the role of intimal mast cells and the methodological viewpoints of reliable identification of endothelial erosions. Mast cells are inflammatory cells mostly known for their ability to cause allergic symptoms. In addition to occurring in skin and mucosal surfaces, mast cells are abundant in arterial intima and adventitia. In this study, mast cells were found to associate with endothelial erosions in non-lesional and atherosclerotic human coronary arteries. Thus, mast cells may participate in atherogenesis at the initial phases of the disease process already. We also showed that the mast cell proteases tryptase, chymase, and cathepsin G are all capable of cleaving molecules essential for endothelial cell-to-cell and cell-to-extracellular matrix interactions, such as VE-cadherin and fibronectin. Symptom-causing carotid plaques were found to contain more inflammatory cells, especially mast cells, than non-symptom-causing plaques. Furthermore, the atherogenic serum lipid profile and the degree of carotid stenosis turned out to correlate with the density of carotid plaque mast cells. Apoptotic and proliferating cells were more abundant in non-symptom causing plaques (active renewal of endothelial cells), but erosions were larger in symptom-causing plaques (capacity of endothelial regeneration exceeded). The process of identifying endothelial erosions with immunostainings has been ambiguous, since both endothelial cells and platelets express largely the same antigens. This may have caused inaccurate interpretations of the presence of endothelial erosion. In the last substudy of this thesis we developed a double immunostaining method for simultaneous identification of endothelial cells and platelets. This method enables more reliable identification of endothelial erosions.

Landscape-scale soil erosion modelling and ecological restoration for a mountainous watershed in Sichuan, China

Sichuanissa Tiibetin ylängön metsäkato on pysähtynyt mutta eroosio-ongelmat jatkuvat Viikin tropiikki-instituutin tutkija Ping ZHOU kartoitti trooppisen metsänhoidon alaan kuuluvassa väitöskirjatyössään maaperän eroosioalttiutta ja sen riippuvuutta metsäkasvillisuudesta Jangtsen tärkeää sivuhaaraa Min-jokea ympäröivällä n. 7400 neliökilometrin suuruisella valuma-alueella Sichuanin Aba-piirikunnassa. Aineistonaan hän käytti muun muassa satelliittikartoitustietoja ja mittaustuloksia yli 600 maastokoealalta. Tutkimuksen nimi suomeksi on "Maaperän eroosion mallinnus ja vuoristoisen valuma-alueen ekologinen ennallistaminen Sichuanissa Kiinassa". Aikaisempien tutkimusten perusteella oli tiedossa että metsien häviäminen tällä alueella pysähtyi jo 1980-luvun alussa. Sen jälkeen on metsien pinta-ala hitaasti kasvanut etupäässä sen vuoksi, että teollinen puunhakkuu luonnonmetsissä kiellettiin kokonaan v. 1998 ja 25 astetta jyrkemmillä rinteillä myös maatalouden harjoittaminen on saatu lopetetuksi viljelijöille tarjottujen taloudellisten houkuttimien avulla. Täten myös pelto- ja laidunmaata on voitu ennallistaa metsäksi. Ping Zhou pystyi jakamaan 5700 metrin korkeuteen saakka kohoavan vuoristoalueen eroosioalttiudeltaan erilaisiin vyöhykkeisiin rinteen kaltevuuden, sademäärän, kasvipeitteen ja maalajin perusteella. Noin 15 prosentilla tutkitun valuma-alueen pinta-alasta, lähinnä Min-joen pääuomaa ympäröivillä jyrkillä rinteillä, eroosioriski oli suuri tai erittäin suuri. Eri tyyppisellä kasvillisuudella oli hyvin erilainen vaikutus eroosioalttiuteen, ja myös alueen sijainti vuoriston eri korkeuksilla vaikutti eroosioon. Säästyneet lähes luonnontilaiset havumetsät, joita on etupäässä vuoriston ylimmissä osissa 2600-4000 metrin korkeudella, edistävät tehokkaasti metsän luontaista uudistumista ja levittäytymistä vaurioituneille alueille. Säilyneiden metsien puulajikoostumus antoi tutkimuksessa mahdollisuuden ennustaa metsien tulevaa kehitystä koko tutkitulla valuma-alueella sen eri korkeusvyöhykkeissä ja eri maaperätyypeillä. Ennallistamisen kannalta ongelmallisimpia olivat alueet joilta metsäpeite oli lähinnä puiden teollisen hakkuun vuoksi kokonaan hävinnyt ja joilla maaperä yleisesti oli eroosion pahoin kuluttama. Näillä alueilla ei ole tehty juuri mitään uudistamis- tai ennallistamistoimenpiteitä. Niillä metsien ennallistaminen vaatii myös puiden tai pensaiden istuttamista. Tähän sopivia ovat erityisesti ilmakehän typpeä sitovat lajit, joista alueella kasvaa luontaisena mm. sama tyrnilaji joka esiintyy myös Suomessa. Työssä tutkittiin yli kahdeksankymmenen paikallisen luontaisen puulajin (joista peräti noin kolmannes on havupuulajeja) ekologisia ominaisuuksia ja soveltuvuutta metsien ennallistamiseen. Avainasemassa työn onnistumisen kannalta ovat nyt paikalliset asukkaat, joiden maankäytön muutokset ovat jo selvästi edistänet luonnonmetsän ennalleen palautumista. Suomen Akatemia rahoitti vuosina 2004-2006 VITRI:n tutkimushanketta, josta Ping Zhou'n väitöskirjatyö muodosti keskeisen osan. Kenttätyö Sichuanissa avasi mahdollisuuden hedelmälliseen monitieteiseen yhteistyöhön ja tutkijavaihtoon Kiinan tiedeakatemian alaisen Chengdun biologiainstituutin (CIB) kanssa; tämä tieteellinen kanssakäyminen jatkuu edelleen.

Sticking and erosion at carbon-containing plasma-facing materials in fusion reactors

Controlled nuclear fusion is one of the most promising sources of energy for the future. Before this goal can be achieved, one must be able to control the enormous energy densities which are present in the core plasma in a fusion reactor. In order to be able to predict the evolution and thereby the lifetime of different plasma facing materials under reactor-relevant conditions, the interaction of atoms and molecules with plasma first wall surfaces have to be studied in detail. In this thesis, the fundamental sticking and erosion processes of carbon-based materials, the nature of hydrocarbon species released from plasma-facing surfaces, and the evolution of the components under cumulative bombardment by atoms and molecules have been investigated by means of molecular dynamics simulations using both analytic potentials and a semi-empirical tight-binding method. The sticking cross-section of CH3 radicals at unsaturated carbon sites at diamond (111) surfaces is observed to decrease with increasing angle of incidence, a dependence which can be described by a simple geometrical model. The simulations furthermore show the sticking cross-section of CH3 radicals to be strongly dependent on the local neighborhood of the unsaturated carbon site. The erosion of amorphous hydrogenated carbon surfaces by helium, neon, and argon ions in combination with hydrogen at energies ranging from 2 to 10 eV is studied using both non-cumulative and cumulative bombardment simulations. The results show no significant differences between sputtering yields obtained from bombardment simulations with different noble gas ions. The final simulation cells from the 5 and 10 eV ion bombardment simulations, however, show marked differences in surface morphology. In further simulations the behavior of amorphous hydrogenated carbon surfaces under bombardment with D^+, D^+2, and D^+3 ions in the energy range from 2 to 30 eV has been investigated. The total chemical sputtering yields indicate that molecular projectiles lead to larger sputtering yields than atomic projectiles. Finally, the effect of hydrogen ion bombardment of both crystalline and amorphous tungsten carbide surfaces is studied. Prolonged bombardment is found to lead to the formation of an amorphous tungsten carbide layer, regardless of the initial structure of the sample. In agreement with experiment, preferential sputtering of carbon is observed in both the cumulative and non-cumulative simulations

Effect of soil tillage on erosion and nutrient transport in plough layer runoff

Yhteenveto: Viljelymenetelmien vaikutus eroosioon ja ravinteiden huuhtoutumiseen