Options for selecting dairy cattle for milk coagulation ability

Lypsylehmien maidon juoksettumiskyvyn jalostuskeinot Väitöskirjassa tutkittiin lypsylehmien maidon juustonvalmistuslaadun parantamista jalostusvalinnan avulla. Tutkimusaihe on tärkeä, sillä yhä suurempi osa maidosta käytetään juustonvalmistukseen. Tutkimuksen kohteena oli maidon juoksettumiskyky, sillä se on yksi keskeisistä juustomäärään vaikuttavista tekijöistä. Maidon juoksettumiskyky vaihteli huomattavasti lehmien, sonnien, karjojen, rotujen ja lypsykauden vaiheiden välillä. Vaikka tankkimaidon juoksettumiskyvyssä olikin suuria eroja karjoittain, karja selitti vain pienen osan juoksettumiskyvyn kokonaisvaihtelusta. Todennäköisesti perinnölliset erot lehmien välillä selittävät suurimman osan karjojen tankkimaitojen juoksettumiskyvyssä havaituista eroista. Hyvä hoito ja ruokinta vähensivät kuitenkin jossain määrin huonosti juoksettuvien tankkimaitojen osuutta karjoissa. Holstein-friisiläiset lehmät olivat juoksettumiskyvyltään ayrshire-rotuisia lehmiä parempia. Huono juoksettuminen ja juoksettumattomuus oli vain vähäinen ongelma holstein-friisiläisillä (10 %), kun taas kolmannes ayrshire-lehmistä tuotti huonosti juoksettuvaa tai juoksettumatonta maitoa. Maitoa sanotaan huonosti juoksettuvaksi silloin, kun juustomassa ei ole riittävän kiinteää leikattavaksi puolen tunnin kuluttua juoksetteen lisäyksestä. Juoksettumattomaksi määriteltävä maito ei saostu lainkaan puolen tunnin aikana ja on siksi erittäin huonoa raaka-ainetta juustomeijereille. Noin 40 % lehmien välisistä eroista maidon juoksettumiskyvyssä selittyi perinnöllisillä tekijöillä. Juoksettumiskykyä voikin sanoa hyvin periytyväksi ominaisuudeksi. Kolme mittauskertaa lehmää kohti riittää varsin hyvin lehmän maidon keskimääräisen juoksettumiskyvyn arvioimiseen. Tällä hetkellä juoksettumiskyvyn suoran jalostamisen ongelmana on kuitenkin automatisoidun, laajamittaiseen käyttöön soveltuvan mittalaitteen puute. Tämän takia väitöskirjassa tutkittiin mahdollisuuksia jalostaa maidon juoksettumiskykyä epäsuorasti, jonkin toisen ominaisuuden kautta. Tällaisen ominaisuuden pitää olla kyllin voimakkaasti perinnöllisesti kytkeytynyt juoksettumiskykyyn, jotta jalostus olisi mahdollista sen avulla. Tutkittavat ominaisuudet olivat sonnien kokonaisjalostusarvossa jo mukana olevat maitotuotos ja utareterveyteen liittyvät ominaisuudet sekä kokonaisjalostusarvoon kuulumattomat maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuus sekä maidon pH. Väitöskirjassa tutkittiin myös mahdollisuuksia ns. merkkiavusteiseen valintaan tutkimalla maidon juoksettumattomuuden perinnöllisyyttä ja kartoittamalla siihen liittyvät kromosomialueet. Tutkimuksen tulosten perusteella lehmien utareterveyden jalostaminen parantaa jonkin verran myös maidon juoksettumiskykyä sekä vähentää juoksettumattomuutta ayrshire-rotuisilla lehmillä. Lehmien maitotuotos ja maidon juoksettumiskyky sekä juoksettumattomuus ovat sen sijaan perinnöllisesti toisistaan riippumattomia ominaisuuksia. Myöskin maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuuden perinnöllinen yhteys juoksettumiskykyyn oli likimain nolla. Maidon pH:n ja juoksettumiskyvyn välillä oli melko voimakas perinnöllinen yhteys, joten maidon pH:n jalostaminen parantaisi myös maidon juoksettumiskykyä. Todennäköisesti sen jalostaminen ei kuitenkaan vähentäisi juoksettumatonta maitoa tuottavien lehmien määrää. Koska maidon juoksettumattomuus on niin yleinen ongelma suomalaisilla ayrshire-lehmillä, väitöksessä selvitettiin tarkemmin ilmiön taustoja. Kaikissa kolmessa tutkimusaineistoissa noin 10 % ayrshire-lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa. Kahden vuoden kuukausittaisen seurannan aikana osa lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa lähes joka mittauskerralla. Maidon juoksettumattomuus oli yhteydessä lypsykauden vaiheeseen, mutta mikään ympäristötekijöistä ei pystynyt täysin selittämään sitä. Sen sijaan viitteet sen periytyvyydestä vahvistuivat tutkimusten edetessä. Lopuksi tutkimusryhmä onnistui kartoittamaan juoksettumattomuutta aiheuttavat kromosomialueet kromosomeihin 2 ja 18, lähelle DNA-merkkejä BMS1126 ja BMS1355. Tulosten perusteella maidon juoksettumattomuus ei ole yhteydessä maidon juoksettumistapahtumassa keskeisiin kaseiinigeeneihin. Sen sijaan on mahdollista, että juoksettumattomuusongelman aiheuttavat kaseiinigeenien syntetisoinnin jälkeisessä muokkauksessa tapahtuvat virheet. Asia vaatii kuitenkin perusteellista tutkimista. Väitöksen tulosten perusteella maidon juoksettumattomuusgeeniä kantavien eläinten karsiminen jalostuseläinten joukosta olisi tehokkain tapa jalostaa maidon juoksettumiskykyä suomalaisessa lypsykarjapopulaatiossa.

Proton magnetic resonance spectroscopy of a boron neutron capture therapy 10B-carrier, L-p-boronophenylalanine-fructose complex

Boron neutron capture therapy (BNCT) is a radiotherapy that has mainly been used to treat malignant brain tumours, melanomas, and head and neck cancer. In BNCT, the patient receives an intravenous infusion of a 10B-carrier, which accumulates in the tumour area. The tumour is irradiated with epithermal or thermal neutrons, which result in a boron neutron capture reaction that generates heavy particles to damage tumour cells. In Finland, boronophenylalanine fructose (BPA-F) is used as the 10B-carrier. Currently, the drifting of boron from blood to tumour as well as the spatial and temporal accumulation of boron in the brain, are not precisely known. Proton magnetic resonance spectroscopy (1H MRS) could be used for selective BPA-F detection and quantification as aromatic protons of BPA resonate in the spectrum region, which is clear of brain metabolite signals. This study, which included both phantom and in vivo studies, examined the validity of 1H MRS as a tool for BPA detection. In the phantom study, BPA quantification was studied at 1.5 and 3.0 T with single voxel 1H MRS, and at 1.5 T with magnetic resonance imaging (MRSI). The detection limit of BPA was determined in phantom conditions at 1.5 T and 3.0 T using single voxel 1H MRS, and at 1.5 T using MRSI. In phantom conditions, BPA quantification accuracy of ± 5% and ± 15% were achieved with single voxel MRS using external or internal (internal water signal) concentration references, respectively. For MRSI, a quantification accuracy of <5% was obtained using an internal concentration reference (creatine). The detection limits of BPA in phantom conditions for the PRESS sequence were 0.7 (3.0 T) and 1.4 mM (1.5 T) mM with 20 × 20 × 20 mm3 single voxel MRS, and 1.0 mM with acquisition-weighted MRSI (nominal voxel volume 10(RL) × 10(AP) × 7.5(SI) mm3), respectively. In the in vivo study, an MRSI or single voxel MRS or both was performed for ten patients (patients 1-10) on the day of BNCT. Three patients had glioblastoma multiforme (GBM), and five patients had a recurrent or progressing GBM or anaplastic astrocytoma gradus III, and two patients had head and neck cancer. For nine patients (patients 1-9), MRS/MRSI was performed 70-140 min after the second irradiation field, and for one patient (patient 10), the MRSI study began 11 min before the end of the BPA-F infusion and ended 6 min after the end of the infusion. In comparison, single voxel MRS was performed before BNCT, for two patients (patients 3 and 9), and for one patient (patient 9), MRSI was performed one month after treatment. For one patient (patient 10), MRSI was performed four days before infusion. Signals from the tumour spectrum aromatic region were detected on the day of BNCT in three patients, indicating that in favourable cases, it is possible to detect BPA in vivo in the patient’s brain after BNCT treatment or at the end of BPA-F infusion. However, because the shape and position of the detected signals did not exactly match the BPA spectrum detected in the in vitro conditions, assignment of BPA is difficult. The opportunity to perform MRS immediately after the end of BPA-F infusion for more patients is necessary to evaluate the suitability of 1H MRS for BPA detection or quantification for treatment planning purposes. However, it could be possible to use MRSI as criteria in selecting patients for BNCT.

Mesoporous silica- and silicon-based materials as carriers for poorly water soluble drugs

New chemical entities with unfavorable water solubility properties are continuously emerging in drug discovery. Without pharmaceutical manipulations inefficient concentrations of these drugs in the systemic circulation are probable. Typically, in order to be absorbed from the gastrointestinal tract, the drug has to be dissolved. Several methods have been developed to improve the dissolution of poorly soluble drugs. In this study, the applicability of different types of mesoporous (pore diameters between 2 and 50 nm) silicon- and silica-based materials as pharmaceutical carriers for poorly water soluble drugs was evaluated. Thermally oxidized and carbonized mesoporous silicon materials, ordered mesoporous silicas MCM-41 and SBA-15, and non-treated mesoporous silicon and silica gel were assessed in the experiments. The characteristic properties of these materials are the narrow pore diameters and the large surface areas up to over 900 m²/g. Loading of poorly water soluble drugs into these pores restricts their crystallization, and thus, improves drug dissolution from the materials as compared to the bulk drug molecules. In addition, the wide surface area provides possibilities for interactions between the loaded substance and the carrier particle, allowing the stabilization of the system. Ibuprofen, indomethacin and furosemide were selected as poorly soluble model drugs in this study. Their solubilities are strongly pH-dependent and the poorest (< 100 µg/ml) at low pH values. The pharmaceutical performance of the studied materials was evaluated by several methods. In this work, drug loading was performed successfully using rotavapor and fluid bed equipment in a larger scale and in a more efficient manner than with the commonly used immersion methods. It was shown that several carrier particle properties, in particular the pore diameter, affect the loading efficiency (typically ~25-40 w-%) and the release rate of the drug from the mesoporous carriers. A wide pore diameter provided easier loading and faster release of the drug. The ordering and length of the pores also affected the efficiency of the drug diffusion. However, these properties can also compensate the effects of each other. The surface treatment of porous silicon was important in stabilizing the system, as the non-treated mesoporous silicon was easily oxidized at room temperature. Different surface chemical treatments changed the hydrophilicity of the porous silicon materials and also the potential interactions between the loaded drug and the particle, which further affected the drug release properties. In all of the studies, it was demonstrated that loading into mesoporous silicon and silica materials improved the dissolution of the poorly soluble drugs as compared to the corresponding bulk compounds (e.g. after 30 min ~2-7 times more drug was dissolved depending on the materials). The release profile of the loaded substances remained similar also after 3 months of storage at 30°C/56% RH. The thermally carbonized mesoporous silicon did not compromise the Caco-2 monolayer integrity in the permeation studies and improved drug permeability was observed. The loaded mesoporous silica materials were also successfully compressed into tablets without compromising their characteristic structural and drug releasing properties. The results of this research indicated that mesoporous silicon/silica-based materials are promising materials to improve the dissolution of poorly water soluble drugs. Their feasibility in pharmaceutical laboratory scale processes was also confirmed in this thesis.

Nonequilibrium stationary states of harmonic chains with bulk noises

We consider a chain composed of $N$ coupled harmonic oscillators in contact with heat baths at temperature $T_\ell$ and $T_r$ at sites 1 and $N$ respectively. The oscillators are also subjected to non-momentum conserving bulk stochastic noises. These make the heat conductivity satisfy Fourier's law. Here we describe some new results about the hydrodynamical equations for typical macroscopic energy and displacement profiles, as well as their fluctuations and large deviations, in two simple models of this type.