Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure

Suun kautta annosteltava kalsiumherkistäjä parantaa sydämen vajaatoimintaan liittyvää pumppausvajetta kokeellisissa sydämen vajaatoimintamalleissa Huolimatta viime vuosikymmenien lääketieteellisestä kehityksestä krooninen sydämen vajaatoiminta on silti edelleen vakava, elämänlaatua voimakkaasti rajoittava sairaus. Kalsiumherkistäjät ovat uusi, sydämen pumppausvoimaa lisäävä lääkeryhmä. Levosimendaani, kotimaista alkuperää oleva kalsiumherkistäjä, on kliinisessä käytössä akuutin vajaatoiminnan hoitoon suonensisäisesti ja lyhytaikaisesti annosteltavana valmisteena. Levosimendaanilla on aktiivinen metaboliitti, OR-1896, jonka oletetaan olevan vuorokauden mittaisen levosimendaani-infuusion jälkeen havaittujen useita päiviä kestävien hyödyllisisten vaikutuksisten takana. Levosimendaanin kroonisen, suun kautta tapahtuvan annostelun vaikutuksista tieto on vähäisempää, mutta sillä näyttää olevan positiivisia vaikutuksia potilaiden raportoimana. FM Marjut Louhelainen on selvittänyt väitöskirjassaan suun kautta annosteltavan levosimendaanin ja sen pitkäkestoisen aktiivisen metaboliitin vaikutuksia kroonisen vajaatoiminnan hoidossa käyttämällä sekä hypertensiivisen sydäntaudin että 2 tyypin diabeteksen komplisoimaan sydäninfarktin kokeellisia malleja. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi vajaatoimintaan johtavia molekyylitason tapahtumia sydänlihaksessa. Tutkimuksessa osoitettiin, että krooninen suun kautta annosteltu hoito sekä kalsiumherkistäjä levosimendaanilla että sen aktiivisella metaboliitilla estää hypertensiiviseen sydämen vajaatoiminnan aikaasaamaa sydämen uudelleenmuovaantumista ja siihen liittyvää kuolleisuutta. Nämä vaikutukset välittyivät vähentyneen sydänlihassoluhypertrofian, solukuolleisuuden ja neurohumaraalisen aktivaation kautta. Levosimendaanin ja OR-1896:n osoitettiin myös parantavan sydämen pumppausfunktiota tyyppi 2 diabeteksen komplisoimassa sydäninfarktissa. Ei-diabeettiseen tilanteeseen verrattuna diabetekseen liittyvä infarktin jälkeinen vajaatoiminnan kehitys oli yhteydessä lisääntyneeseen tulehdukseen, fibroosiin, solukuolemaan, neurohumoraaliseen aktivaatioon ja ennenaikaiseen kudoksen vanhenemiseen. Sekä levosimendaani, että OR-1869 vähensivät tulehduksen, fibroosin ja solukuoleman merkkejä ja vaimensi neurohumoraalista aktivaatiota. OR-1896 myös vähensi solujen vanhenemiseen liittyvien merkkiaineiden ilmentymistä. Väitöskirjassa todettiin, että suun kautta annosteltuna sekä levosimendaani, että sen aktiivinen metaboliitti OR-1896, omaavat terapeuttista potentiaalia sekä hypertensiivisen sydäntaudin hoitoon että sydäninfarktin jälkeisen vajaatoiminnan estoon. FM Marjut Louhelaisen farmakologian alaan kuuluva väitöskirja Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure tarkastetaan Helsingin yliopiston Lääketieteellisessä tiedekunnassa perjantaina 29.01.2010 klo 12 (Biomedicum Helsinki, luentosali 2, Haartmaninkatu 8, Helsinki). Vastaväittäjänä toimii professori Raimo Tuominen, Helsingin yliopiston Farmasian tiedekunnasta ja kustoksena professori Eero Mervaala Helsingin yliopiston Lääketieteellisestä tiedekunnasta.

Effects of dairy proteins and calcium on diet-induced obesity in mice

Diet high in dairy products is inversely associated with body mass index, risk of metabolic syndrome and prevalence of type 2 diabetes in several populations. Also a number of intervention studies support the role of increased dairy intake in the prevention and treatment of obesity. Dairy calcium has been suggested to account for the effect of dairy on body weight, but it has been repeatedly shown that the effect of dairy is superior to the effect of supplemental calcium. Dairy proteins are postulated to either enhance the effect of calcium or have an independent effect on body weight, but studies in the area are scarce. The aim of this study was to evaluate the potential of dairy proteins and calcium in the prevention and treatment of diet-induced obesity in C57Bl/6J mice. The effect of dairy proteins and calcium on the liver and adipose tissue was also investigated in order to characterise the potential mechanisms explaining the reduction of risk for metabolic syndrome and type 2 diabetes. A high-calcium diet (1.8%) in combination with dietary whey protein inhibited body weight and fat gain and accelerated body weight and fat loss in high-fat-fed C57Bl/6J mice during long-term studies of 14 to 21 weeks. α-lactalbumin, one of the major whey proteins, was the most effective whey protein fraction showing significantly accelerated weight and fat loss during energy restriction and reduced the amount of visceral fat gain during ad libitum feeding after weight loss. The microarray data suggest sensitisation of insulin signalling in the adipose tissue as a result of a calcium-rich whey protein diet. Lipidomic analysis revealed that weight loss on whey protein-based high-calcium diet was characterised by significant decreases in diabetogenic diacylglycerols and lipotoxic ceramide species. The calcium supplementation led to a small, but statistically significant decrease in fat absorption independent of the protein source of the diet. This augments, but does not fully explain the effects of the studied diets on body weight. A whey protein-containing high-calcium diet had a protective effect against a high-fat diet-induced decline of β3 adrenergic receptor expression in adipose tissue. In addition, a high-calcium diet with whey protein increased the adipose tissue leptin expression which is decreased in this obesity-prone mouse strain. These changes are likely to contribute to the inhibition of weight gain. The potential sensitisation of insulin signalling in adipose tissue together with the less lipotoxic and diabetogenic hepatic lipid profile suggest a novel mechanistic link to explain why increased dairy intake is associated with a lower prevalence of metabolic syndrome and type 2 diabetes in epidemiological studies. Taken together, the intake of a high-calcium diet with dairy proteins has a body weight lowering effect in high-fat-fed C57Bl/6J mice. High-calcium diets containing whey protein prevent weight gain and enhance weight loss, α-lactalbumin being the most effective whey protein fraction. Whey proteins and calcium have also beneficial effects on hepatic lipid profile and adipose tissue gene expression, which suggest a novel mechanistic link to explain the epidemiological findings on dairy intake and metabolic syndrome. The clinical relevance of these findings and the precise mechanisms of action remain an intriguing field of future research.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Effects of dietary phosphorus and calcium-to-phosphorus ratio on calcium and bone metabolism in healthy 20- to 43-year-old Finnish women

Dietary habits have changed during the past decades towards an increasing consumption of processed foods, which has notably increased not only total dietary phosphorus (P) intake, but also intake of P from phosphate additives. While the intake of calcium (Ca) in many Western countries remains below recommended levels (800 mg/d), the usual daily P intake in a typical Western diet exceeds by 2- to 3-fold the dietary guidelines (600 mg/d). The effects of high P intake in healthy humans have been investigated seldom. In this thesis healthy 20- to 43-year-old women were studied. In the first controlled study (n = 14), we examined the effects of P doses, and in a cross-sectional study (n = 147) the associations of habitual P intakes with Ca and bone metabolism. In this same cross-sectional study, we also investigated whether differences exist between dietary P originating from natural P sources and phosphate additives. The second controlled study (n = 12) investigated whether by increasing the Ca intake, the effects of a high P intake could be reduced. The associations of habitual dietary calcium-to-phosphorus ratios (Ca:P ratio) with Ca and bone metabolism were determined in a cross-sectional study design (n = 147). In the controlled study, the oral intake of P doses (495, 745, 1245 and 1995 mg/d) with a low Ca intake (250 mg/d) increased serum parathyroid hormone (S-PTH) concentration in a dose-dependent manner. In addition, the highest P dose decreased serum ionized calcium (S-iCa) concentration and bone formation and increased bone resorption. In the second controlled study with a dietary P intake of 1850 mg/d, by increasing the Ca intake from 480 mg/d to 1080 mg/d and then to 1680 mg/d, the S-PTH concentration decreased, the S-iCa concentration increased and bone resorption decreased dose-dependently. However, not even the highest Ca intake could counteract the effect of high dietary P on bone formation, as indicated by unchanged bone formation activity. In the cross-sectional studies, a higher habitual dietary P intake (>1650 mg/d) was associated with lower S-iCa and higher S-PTH concentrations. The consumption of phosphate additive-containing foods was associated with a higher S-PTH concentration. Moreover, habitual low dietary Ca:P ratios (≤0.50, molar ratio) were associated with higher S-PTH concentrations and 24-h urinary Ca excretions, suggesting that low dietary Ca:P ratios may interfere with homeostasis of Ca metabolism and increase bone resorption. In summary, excessive dietary P intake in healthy Finnish women seems to be detrimental to Ca and bone metabolism, especially when dietary Ca intake is low. The results indicate that by increasing dietary Ca intake to the recommended level, the negative effects of high P intake could be diminished, but not totally prevented. These findings imply that phosphate additives may be more harmful than natural P. Thus, reduction of an excessively high dietary P intake is also beneficial for healthy individuals.

Associations of gene polymorphisms and nutrition with calcium homeostasis and bone mineral density : Studies on skeletal nutrigenetics

Heredity explains a major part of the variation in calcium homeostasis and bone strength, and the susceptibility to osteoporosis is polygenetically regulated. Bone phenotype results from the interplay between lifestyle and genes, and several nutritional factors modulate bone health throughout life. Thus, nutrigenetics examining the genetic variation in nutrient intake and homeostatic control is an important research area in the etiology of osteoporosis. Despite continuing progress in the search for candidate genes for osteoporosis, the results thus far have been inconclusive. The main objective of this thesis was to investigate the associations of lactase, vitamin D receptor (VDR), calcium sensing receptor (CaSR) and parathyroid hormone (PTH) gene polymorphisms and lifestyle factors and their interactions with bone health in Finns at varying stages of the skeletal life span. Markers of calcium homeostasis and bone remodelling were measured from blood and urine samples. Bone strength was measured at peripheral and central bone sites. Lifestyle factors were assessed with questionnaires and interviews. Genetic lactase non-persistence (the C/C-13910 genotype) was associated with lower consumption of milk from childhood, predisposing females in particular to inadequate calcium intake. Consumption of low-lactose milk and milk products was shown to decrease the risk for inadequate calcium intake. In young adulthood, bone loss was more common in males than in females. Males with the lactase C/C-13910 genotype may be more susceptible to bone loss than males with the other lactase genotypes, although calcium intake predicts changes in bone mass more than the lactase genotype. The BsmI and FokI polymorphisms of the VDR gene were associated with bone mass in growing adolescents, but the associations weakened with age. In young adults, the A986S polymorphism of the calcium sensing receptor gene was associated with serum ionized calcium concentrations, and the BstBI polymorphism of the parathyroid gene was related to bone strength. The FokI polymorphism and sodium intake showed an interaction effect on urinary calcium excretion. A novel gene-gene interaction between the VDR FokI and PTH BstBI gene polymorphisms was found in the regulation of PTH secretion and urinary calcium excretion. Further research should be carried out with more number of Finns at varying stages of the skeletal life span and more detailed measurements of bone strength. Research should concern mechanisms by which genetic variants affect calcium homeostasis and bone strength, and the role of diet-gene and gene-gene interactions in the pathogenesis of osteoporosis.

N-syndecan and HB-GAM in neural migration and differentiation : Modulation of growth factor activity in brain

The juvenile sea squirt wanders through the sea searching for a suitable rock or hunk of coral to cling to and make its home for life. For this task it has a rudimentary nervous system. When it finds its spot and takes root, it doesn't need its brain any more so it eats it. It's rather like getting tenure. Daniel C. Dennett (from Consciousness Explained, 1991) The little sea squirt needs its brain for a task that is very simple and short. When the task is completed, the sea squirt starts a new life in a vegetative state, after having a nourishing meal. The little brain is more tightly structured than our massive primate brains. The number of neurons is exact, no leeway in neural proliferation is tolerated. Each neuroblast migrates exactly to the correct position, and only a certain number of connections with the right companions is allowed. In comparison, growth of a mammalian brain is a merry mess. The reason is obvious: Squirt brain needs to perform only a few, predictable functions, before becoming waste. The more mobile and complex mammals engage their brains in tasks requiring quick adaptation and plasticity in a constantly changing environment. Although the regulation of nervous system development varies between species, many regulatory elements remain the same. For example, all multicellular animals possess a collection of proteoglycans (PG); proteins with attached, complex sugar chains called glycosaminoglycans (GAG). In development, PGs participate in the organization of the animal body, like in the construction of parts of the nervous system. The PGs capture water with their GAG chains, forming a biochemically active gel at the surface of the cell, and in the extracellular matrix (ECM). In the nervous system, this gel traps inside it different molecules: growth factors and ECM-associated proteins. They regulate the proliferation of neural stem cells (NSC), guide the migration of neurons, and coordinate the formation of neuronal connections. In this work I have followed the role of two molecules contributing to the complexity of mammalian brain development. N-syndecan is a transmembrane heparan sulfate proteoglycan (HSPG) with cell signaling functions. Heparin-binding growth-associated molecule (HB-GAM) is an ECM-associated protein with high expression in the perinatal nervous system, and high affinity to HS and heparin. N-syndecan is a receptor for several growth factors and for HB-GAM. HB-GAM induces specific signaling via N-syndecan, activating c-Src, calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase (CASK) and cortactin. By studying the gene knockouts of HB-GAM and N-syndecan in mice, I have found that HB-GAM and N-syndecan are involved as a receptor-ligand-pair in neural migration and differentiation. HB-GAM competes with the growth factors fibriblast growth factor (FGF)-2 and heparin-binding epidermal growth factor (HB-EGF) in HS-binding, causing NSCs to stop proliferation and to differentiate, and affects HB-EGF-induced EGF receptor (EGFR) signaling in neural cells during migration. N-syndecan signaling affects the motility of young neurons, by boosting EGFR-mediated cell migration. In addition, these two receptors form a complex at the surface of the neurons, probably creating a motility-regulating structure.

T-type calcium channel:from physiological function to therapeutical targeting – Exploring neuronal development

Tämän tutkimuksen tarkoitus oli tutkia T-tyypin kalsiumkanavan toimintaa ja sen mahdollista roolia neuronaalisten kantasolujen migraatiossa. T-tyypin kalsiumkanavan tehtävän kehittyneissä aivoissa tiedetään olevan elektroenkefalografisten oskillaatioiden tuottaminen. Nämä taas ovat eräiden fysiologisten ja patofysiologisten tapahtumien säätelyssä avainasemassa. Tällaisia tapahtumia ovat uni, muisti, oppiminen ja epileptiset poissaolokohtaukset. Näiden lisäksi T-tyypin kalsiumkanavalla on myös periferaalisia vaikutuksia, mutta tämä tutkielma keskittyy sen neuronaalisiin toimintoihin. Tämän matalan jännitteen säätelemän kanavan toiminta neurogeneesin aikana on vähemmän tutkittua ja tunnettua kuin sen vaikutukset kehittyneissä aivoissa. T-tyypin kalsiumkanavan tiedetään edistävän kantasolujen proliferaatiota ja erilaistumista neurogeneesiksen aikana, mutta vaikutukset niiden migraatioon ovat vähemmän tunnetut. Tämä tutkimus näyttää T-tyypin kalsiumkanavan todennäköisesti osallistuvan neuronaaliseen migraatioon hiiren alkion subventrikkeli alueelta eristetyillä kanta- tai progeniittorisoluilla tehdyissä kokeissa. Selektiiviset T-tyypin kalsiumkanavan antagonistit, etosuksimidi, nikkeli ja skorpionitoksiini, kurtoxin hidastivat migraatiota erilaistuvissa progeniittorisoluissa. Tämä tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja kokeellisesta osasta. Tämän tutkimuksen toinen tarkoitus oli esitellä vaihtoehtoinen lähestymistapa invasiiviselle kantasoluterapialle, joka vaatii kantasolujen viljelyä ja siirtämistä ihmiseen. Tämä toinen tapa on endogeenisten kantasolujen eiinvasiivinen stimulointi, jolla ne saadaan migratoitumaan kohdekudokseen, erilaistumaan siellä ja tehtävänsä suoritettuaan lopettamaan jakaantumisen. Non-invasiivinen kantasoluterapia on vasta tiensä alussa, ja tarvitsee farmakologista osaamista kehittyäkseen. Joitain onnistuneita ei-invasiivisia hoitoja on jo tehty selkärangan vaurioiden korjaamisessa. Vastaavanlaisia menetelmiä voitaisiin käyttää myös keskushermoston vaurioiden ja neurodegeneratiivisten sairauksien hoidossa. Näiden menetelmien kehittäminen vaatii endogeenisten kantasoluja inhiboivien ja indusoivien mekanismien tuntemista. Yksi tärkeä kantasolujen erilaistumista stimuloiva tekijä on kalsiumioni. Jänniteherkät kalsiumkanavat osallistuvat kaikkiin neurogeneesiksen eri vaiheisiin. T-tyypin kalsiumkanava, joka ekspressoituu suuressa määrin keskushermoston kehityksen alkuvaiheessa ja vähenee neuronaalisen kehityksen edetessä, saattaa olla oleellisessa asemassa progeniittorisolujen ohjaamisessa.