Molecular Background of Common Dyslipidemias

The leading cause of death in the Western world continues to be coronary heart disease (CHD). At the root of the disease process is dyslipidemia an aberration in the relevant amounts of circulating blood lipids. Cholesterol builds up in the arterial wall and following rupture of these plaques, myocardial infarction or stroke can occur. Heart disease runs in families and a number of hereditary forms are known. The leading cause of adult dyslipidemia presently however is overweight and obesity. This thesis work presents an investigation of the molecular genetics of common, hereditary dyslipidemia and the tightly related condition of obesity. Familial combined hyperlipidemia (FCHL) is the most common hereditary dyslipidemia in man with an estimated population prevalence of 1-6%. This complex disease is characterized by elevated levels of serum total cholesterol, triglycerides or both and is observed in about 20% of individuals with premature CHD. Our group identified the disease to be associated with genetic variation in the USF1 transcription factor gene. USF1 has a key role in regulating other genes that control lipid and glucose metabolism as well as the inflammatory response all central processes in the progression of atherosclerosis and CHD. The first two works of this thesis aimed at understanding how these USF1 variants result in increased disease risk. Among the many, non-coding single-nucleotide polymorphisms (SNPs) that associated with the disease, one was found to have a functional effect. The risk-enhancing allele of this SNP seems to eradicate the ability of the important hormone insulin to induce the expression of USF1 in peripheral tissues. The resultant changes in the expression of numerous USF1 target genes over time probably enhance and accelerate the atherogenic processes. Dyslipidemias often represent an outcome of obesity and in the final work of this thesis we wanted to address the metabolic pathways related to acquired obesity. It is recognized that active processes in adipose tissue play an important role in the development of dyslipidemia, insulin resistance and other pathological conditions associated with obesity. To minimize the confounding effects of genetic differences present in most human studies, we investigated a rare collection of identical twins that differed significantly in the amount of body fat. In the obese, but otherwise healthy young adults, several notable changes were observed. In addition to chronic inflammation, the adipose tissue of the obese co-twins was characterized by a marked (47%) decrease in amount of mitochondrial DNA (mtDNA) a change associated with mitochondrial dysfunction. The catabolism of branched chain amino acids (BCAAs) was identified as the most down-regulated process in the obese co-twins. A concordant increase in the serum level of these insulin secretagogues was identified. This hyperaminoacidemia may provide the feed-back signal from insulin resistant adipose tissue to the pancreas to ensure an appropriately augmented secretory response. The down regulation of BCAA catabolism correlated closely with liver fat accumulation and insulin. The single most up-regulated gene (5.9 fold) in the obese co-twins was osteopontin (SPP1) a cytokine involved in macrophage recruitment to adipose tissue. SPP1 is here implicated as an important player in the development of insulin resistance. These studies of exceptional study samples provide better understanding of the underlying pathology in common dyslipidemias and other obesity associated diseases important for future improvement of intervention strategies and treatments to combat atherosclerosis and coronary heart disease.

New molecular strategies for prevention of fibroproliferative vascular disease : An experimental approach to restenosis

Vascular intimal hyperplasia is a major complication following angioplasty. The hallmark feature of this disorder is accumulation of dedifferentiated smooth muscle cells (SMCs) to the luminal side of the injured artery, cellular proliferation, migration, and synthesis of extracellular matrix. This finally results in intimal hyperplasia, which is currently considered an untreatable condition. According to current knowledge, a major part of neointimal cells derive from circulating precursor cells. This has outdated the traditional in vitro cell culture methods of studying neointimal cell migration and proliferation using cultured medial SMCs. Somatostatin and some of its analogs with different selectivity for the five somatostatin receptors (sst1 through sst5) have been shown to have vasculoprotective properties in animal studies. However, clinical trials using analogs selective for sst2/sst3/sst5 to prevent restenosis after percutaneous transluminal coronary angioplasty (PTCA) have failed to show any major benefits. Sirolimus is a cell cycle inhibitor that has been suggested to act synergistically with the protein-tyrosine kinase inhibitor imatinib to inhibit intimal hyperplasia in rat already at well-tolerated submaximal oral doses. The mechanisms behind this synergy and its long-term efficacy are not known. The aim of this study was to set up an ex vivo vascular explant culture model to measure neointimal cell activity without excluding the participation of circulating progenitor cells. Furthermore, two novel potential vasculoprotective treatment strategies were evaluated in detail in rat models of intimal hyperplasia and in the ex vivo explant model: sst1/sst4-selective somatostatin receptor analogs and combination treatment with sirolimus and imatinib. This study shows how whole vessel explants can be used to study the kinetics of neointimal cells and their progenitors, and to evaluate the anti-migratory and anti-proliferative properties of potential vasculoprotective compounds. It also shows how the influx of neointimal progenitor cells occurs already during the first days after vascular injury, how the contribution of cell migration is more important in the injury response than cell proliferation, and how the adventitia actively contribute in vascular repair. The vasculoprotective effect of somatostatin is mediated preferentially through sst4, and through inhibition of cell migration rather than of proliferation, which may explain why sst2/sst3/sst5-selective analogs have failed in clinical trials. Furthermore, a brief early oral treatment with the combination of sirolimus and imatinib at submaximal doses results in long-term synergistic suppression of intimal hyperplasia. The synergy is a result of inhibition of post-operative thrombocytosis and leukocytosis, inhibition of neointimal cell migration to the injury-site, and maintenance of cell integrity by inhibition of apoptosis and SMC dedifferentiation. In conclusion, the influx of progenitor cells already during the first days after injury and the high neointimal cell migratory activity underlines the importance of early therapeutic intervention with anti-migratory compounds to prevent neointimal hyperplasia. Sst4-selective analogs and the combination therapy with sirolimus and imatinib represent potential targets for the development of such vasculoprotective therapies.

Defining Adequate Vitamin D Intake : Cross-sectional and Intervention Studies

D-vitamiini ylläpitää normaalia luun kasvua ja uudistumista koko elämän ajan. Suomessa, kuten monissa muissakin länsimaissa, väestön D-vitamiinitilanne on riittämätön – talvisin osalla jopa puutteellinen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, lisääkö D-vitamiini luumassan kertymistä kasvuiässä, ja ylläpitäkö D-vitamiini luuston tasapainoista aineenvaihduntaa aikuisiällä. Nämä vaikutukset saattavat ehkäisi osteoporoosin kehittymistä eri ikäkausina. Väitöskirjatyössä tutkittiin erisuuruisten D-vitamiinilisäysten vaikutuksia kolmessa eri ikäryhmässä, jotka olivat 11-12 -vuotiaat tytöt (N=228), 21-49 -vuotiaat miehet (N=54) ja 65-85 -vuotiaat naiset (N=52). Tutkittavat satunnaistettiin ryhmiin, jotka nauttivat joko lumevalmistetta tai 5-20 µg D3-vitamiinia vitamiinilisänä. Tutkimukset olivat kaksoissokkoutettuja. Tutkimuksen aikana tutkittavilta otettiin paastoveri- ja virtsanäytteitä. Lisäksi he täyttivät tutkimuslomakkeen taustatietojen kartoittamiseksi sekä frekvenssikyselylomakkeen kalsiumin ja D-vitamiinin saannin selvittämiseksi. Tyttöjen luunmineraalitiheys (BMD) mitattiin DXA–laitteella ja miesten volumetrinen luuntiheys pQCT-menetelmällä. Näytteistä määritettiin mm. seerumin 25-hydroksi-D-vitamiinin (=S-25-OHD), lisäkilpirauhashormonin (=S-PTH) ja luun aineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Murrosikäisten tyttöjen poikkileikkaustutkimuksessa S-25-OHD- ja luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudet vaihtelivat kuukausien välillä; suurimmat pitoisuudet mitattiin syyskuussa ja pienimmät maaliskuussa, mikä kuvastaa vuodenaikaisvaihtelua. Vastaava vaihtelu havaittiin lannerangan ja reisiluun BMD:ssä. D-vitamiinilisäyksellä oli myönteinen vaikutus tyttöjen luumassan lisääntymiseen. Suurin D-vitamiinilisä (10 µg/vrk) lisäsi luumassaa 17.2% enemmän reisiluussa ja 12.5% enemmän lannerangassa verrattuna lumevalmistetta nauttivien tyttöjen vastaaviin tuloksiin, mutta tulos riippui hoitomyöntyvyydestä. D-vitamiinin vaikutus luustoon välittyi vähentyneen luun hajotuksen kautta. Tutkimustuloksiin perustuen riittävä D-vitamiinin saanti murrosikäisille tytöille on 15 µg/vrk. D-vitamiinilisän vaikutus 65-85 -vuotiaiden naisten S-25-OHD-pitoisuuteen vakioitui kuudessa viikossa annoksen ollessa 5-20 µg/vrk. Näillä D-vitamiiniannoksilla ei saavutettu tavoiteltavaa S-25-OHD-pitoisuutta, joka on 80 nmol/l. Arvioimme, että 60 nmol/l -pitoisuuden, jota esiintyy kesäisin tämän ikäryhmän suomalaisilla, tämän ikäryhmän naiset saavuttaisivat 24 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla. Terveillä miehillä havaittiin vuodenaikaisvaihtelu S-25-OHD- ja S-PTH-pitoisuudessa sekä luun hajotusta kuvaavassa merkkiainepitoisuudessa. Toisaalta vaihtelua ei havaittu radiuksen volumetrisessä luuntiheydessä eikä luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudessa. Vuodenaikaisvaihtelu estettiin 17 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla, mutta tämän ei havaittu vaikuttavan radiuksen luuntiheyteen kuusi kuukautta kestävän tutkimuksen aikana. Yhteenvetona todetaan, että D-vitamiinin saanti on edelleenkin riittämätöntä tutkimusten kohderyhmillä. Tämä näkyy S-25-OHD- ja PTH-pitoisuuden sekä luunaineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden vuodenaikaisvaihteluna, mikä on haitallista luuston hyvinvoinnille. D-vitamiinin saantia tulisi lisätä, jotta vähintäänkin riittävä D-vitamiinitilanne (S-25-OHD>50 nmol/l) tai mahdollisesti jopa tavoiteltava D-vitaminitilanne (S-25-OHD≥80 nmol/l) saavutettaisiin. Jotta D-vitamiinin saannin lisääminen olisi kaikissa ikäryhmissä mahdollista, on suunniteltava nykyistä enemmän D-vitamiinilla täydennettyjä elintarvikkeita.