Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

HPV In situ -hybridisaation käyttöönotto

Ihmisen papilloomavirus (Human papillomavirus HPV) aiheuttaa yleisen sukupuoliteitse leviävän tartuntataudin. Virusinfektiolla on todettu olevan yhteys kohdunkaulan syöpään ja on siksi tärkeä tutkimuskohde. Kätilöopiston sairaalan patologian laboratoriossa tutkitaan HPV:ta Hybrid Capture 2 -menetelmällä, joka antaa tuloksen kvantitatiivisena. Tulos on joko positiivinen tai negatiivinen korkean riskin HPV-genotyypeille. Tutkimuskohteena oli ihmisen papilloomavirusta määrittävä in situ -hybridisaatiomenetelmä, joka on tarkoitus ottaa käyttöön Kätilöopiston sairaalan patologian laboratorioon. Näytemateriaali kerättiin HUSLAB:n Qpati-tietokannasta. 40 potilastapausta valittiin, joista kymmenen potilastapausta kuuluu kondyloma planum-, kymmenen dysplasia levis-, kymmenen dysplasia moderata- ja viimeiset kymmenen dysplasia gravis -luokitukseen. Näytteet oli valettu parafiiniin, joista leikkattiin uudet näytelasit. Näistä tehtiin HPV in situ -hybridisaatio-, p16INK4a-, Ki67- ja hematoksyliini-eosiinivärjäykset. HPV ISH:n tuloksia verrattiin negatiivisten ja positiivisten kontrollien antamiin tuloksiin. Lisäksi tutkittiin proteiinien p16INK4a ja Ki67 vastaavuutta HPV ISH:n antamiin tuloksiin. Ki67 ja p16INK4a ovat merkkiaineita, joita havaitaan HPV:n aiheuttamissa dysplastisissa muutoksissa. HE-värjäyksen avulla tarkistettiin diagnoosiluokat. HPV in situ -hybridisaationäytteissä esiintyi HPV DNA-viruskopioita 82,5 %:ssa (33/40). Näytteistä negatiivisen tuloksen antoi 12,5 % (5/40) ja 5 % (2/40) niistä ei voitu tulkita. Immunohistokemialliset värjäykset antoivat keskenään yhteneväisiä tuloksia. Tulokset olivat yhteneviä myös HPV in situ -hybridisaation antamiin tuloksiin. Tulokset olivat luotettavia, koska negatiivinen kontrolli antoi negatiivisen ja positiivinen kontrolli positiivisen tuloksen. Hematoksyliini-eosiinivärjäyksellä tarkistetuista diagnoosiluokista 20 prosenttia (8/40) oli muuttunut. Tulokset olivat luotettavia, joten voidaan todeta, että in situ -hybridisaatiomenetelmä voidaan ottaa käyttöön Kätilöopiston sairaalan patologian laboratoriolle.

Fluorescence in situ hybridization of potato somatohaploids and their somatic hybrid donors using two Solanum brevidens specific sequences

Selostus: Perunan somaattisten hybridien ja niiden somatohaploidien fluoresenssi in situ -hybridisaatio Solanum brevidens -lajin spesifisten sekvenssien avulla

Naudan freemartinismin osoittaminen veren valkosoluista Y-kromosomispesifisellä in situ -hybridisaatiolla

Summary: Diagnosis of freemartinism in cattle by Y chromosome specific in situ hybridisation of blood leukocytes

Suuren riskin HPV:n osoittaminen nestemäisistä gynekologisista irtosolunäytteistä (ThinPrep®) in situ hybridisaatio -menetelmällä

Kohdunkaulan syöpä on maailmanlaajuisesti naisten toiseksi yleisin syöpätauti. Tutkimuksilla on osoitettu, että 99,7 %:ssa tapauksista taustalla on suuren riskin HPV-infektio (HR-HPV). HPV-infektio voidaan todeta naisilta otettavasta gynekologisesta irtosolunäytteestä sen tunnusomaisten solujen, koilosyyttien, ansiosta. Syövän esiasteissa alkaa koilosyyttien määrä kuitenkin vähentyä. Pahimmissa muutoksissa koilosyyttejä ei enää ole nähtävissä, jolloin HPV-infektio saadaan varmistettua kudosnäytteestä in situ hybridisaatio -menetelmällä (ISH). ISH on virus-DNA -värjäys. Tavallisen gynekologisen irtosolunäytteen rinnalle on kehitetty nestemäinen gynekologinen irtosolunäyte. Suomessa menetelmä on vielä tutkimusasteella, mutta muualla maailmassa sen käyttö on yleistynyt. Tutkimuskäytössä on myös polymeraasiketjureaktio -menetelmä (PCR), jolla voidaan luotettavasti tutkia suuren riskin HPV-infektion läsnäolo nestemäisestä gynekologisesta irtosolunäytteestä. Nestemäinen gynekologinen irtosolunäyte lienee tulevaisuutta myös Suomessa. Uuden menetelmän yleistyessä on mielekästä tutkia sen käyttömahdollisuuksia lisää. Opinnäytetyössäni tutkin, voidaanko potilaiden nestemäisistä gynekologisista irtosolunäytteistä todeta ISH-menetelmällä suuren riskin HPV-DNA:ta. Tutkimukseni käsitti 29 potilastapausta, joista kymmenellä (10) oli sytologisena luokituksena ASC-US, kymmenellä (10) LSIL ja yhdeksällä (9) ASC-H/HSIL. Näiltä potilailta oli määritetty HR-HPV-infektio netemäisistä gynekologisista irtosolunäytteistä myös PCR-menetelmällä. Luotettavuuden lisäämiseksi tein myös potilaiden histologisista näytteistä ISH:n, jonka jo tiedetään olevan toimiva menetelmä. Lisäksi tein proteiinivärjäykset p16INK4a:n ja Ki-67:n. Näiden proteiinien tiedetään lisääntyvän silloin, kun kyseessä on suuren riskin HPV-infektio. Kaikki sytologisista näytteistä tehdyt in situ hybridisaatio -värjäykset antoivat negatiivisen tuloksen. Toisin sanoen HPV-DNA:ta ei voitu havaita. PCR-menetelmällä saatujen tulosten sekä myös kudosnäytteistä tehtyjen ISH-, p16INK4a- ja Ki-67 -värjäysten perusteella tulosten olisi pitänyt olla positiivisia. Kaikkien saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että in situ hybridisaatio -värjäys ei toiminut odotetulla tavalla nestemäisistä gynekologisista irtosolunäytteistä. In situ hybridisaatio on siis nykykäytännöllä toimimaton menetelmä ja se vaatii lisäselvittelyjä.

Imaging techniques applied for detection of secretion, transgene delivery and G proteincoupled receptors in reproductive and endocrine cells in vivo and in vitro

Post-testicular sperm maturation occurs in the epididymis. The ion concentration and proteins secreted into the epididymal lumen, together with testicular factors, are believed to be responsible for the maturation of spermatozoa. Disruption of the maturation of spermatozoa in the epididymis provides a promising strategy for generating a male contraceptive. However, little is known about the proteins involved. For drug development, it is also essential to have tools to study the function of these proteins in vitro. One approach for screening novel targets is to study the secretory products of the epididymis or the G protein-coupled receptors (GPCRs) that are involved in the maturation process of the spermatozoa. The modified Ca2+ imaging technique to monitor release from PC12 pheochromocytoma cells can also be applied to monitor secretory products involved in the maturational processes of spermatozoa. PC12 pheochromocytoma cells were chosen for evaluation of this technique as they release catecholamines from their cell body, thus behaving like endocrine secretory cells. The results of the study demonstrate that depolarisation of nerve growth factor -differentiated PC12 cells releases factors which activate nearby randomly distributed HEL erythroleukemia cells. Thus, during the release process, the ligands reach concentrations high enough to activate receptors even in cells some distance from the release site. This suggests that communication between randomly dispersed cells is possible even if the actual quantities of transmitter released are extremely small. The development of a novel method to analyse GPCR-dependent Ca2+ signalling in living slices of mouse caput epididymis is an additional tool for screening for drug targets. By this technique it was possible to analyse functional GPCRs in the epithelial cells of the ductus epididymis. The results revealed that, both P2X- and P2Y-type purinergic receptors are responsible for the rapid and transient Ca2+ signal detected in the epithelial cells of caput epididymides. Immunohistochemical and reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RTPCR) analyses showed the expression of at least P2X1, P2X2, P2X4 and P2X7, and P2Y1 and P2Y2 receptors in the epididymis. Searching for epididymis-specific promoters for transgene delivery into the epididymis is of key importance for the development of specific models for drug development. We used EGFP as the reporter gene to identify proper promoters to deliver transgenes into the epithelial cells of the mouse epididymis in vivo. Our results revealed that the 5.0 kb murine Glutathione peroxidase 5 (GPX5) promoter can be used to target transgene expression into the epididymis while the 3.8 kb Cysteine-rich secretory protein-1 (CRISP-1) promoter can be used to target transgene expression into the testis. Although the visualisation of EGFP in living cells in culture usually poses few problems, the detection of EGFP in tissue sections can be more difficult because soluble EGFP molecules can be lost if the cell membrane is damaged by freezing, sectioning, or permeabilisation. Furthermore, the fluorescence of EGFP is dependent on its conformation. Therefore, fixation protocols that immobilise EGFP may also destroy its usefulness as a fluorescent reporter. We therefore developed a novel tissue preparation and preservation techniques for EGFP. In addition, fluorescence spectrophotometry with epididymal epithelial cells in suspension revealed the expression of functional purinergic, adrenergic, cholinergic and bradykinin receptors in these cell lines (mE-Cap27 and mE-Cap28). In conclusion, we developed new tools for studying the role of the epididymis in sperm maturation. We developed a new technique to analyse GPCR dependent Ca2+ signalling in living slices of mouse caput epididymis. In addition, we improved the method of detecting reporter gene expression. Furthermore, we characterised two epididymis-specific gene promoters, analysed the expression of GPCRs in epididymal epithelial cells and developed a novel technique for measurement of secretion from cells.

Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi

Hemiselluloosat kuuluvat selluloosan ja ligniinin ohella puun ja muiden kasvimateriaalien päärakenneaineksiin. Hemiselluloosan kemiallisessa koostumuksessa on eroja kasvilajien välillä, mikä tekee ryhmästä hyvin monimuotoisen. Lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on glukuroniksylaani. Ksylaaneja esiintyy laajasti myös muissa kasveissa erilaisina rakenteina. Havupuiden yleisin hemiselluloosa on puolestaan galaktoglukomannaani. Arabinogalaktaani on erityisesti lehtikuusesta runsaana löytyvä hemiselluloosa, jota muissa puulajeissa on vain vähän. Luonnon polymeerejä tutkitaan jatkuvasti muun muassa vaihtoehtojen löytämiseksi raakaöljypohjaisille tuotteille. Aiemmin hemiselluloosia on pääosin hyödynnetty sellaisenaan tai jalostettu esimerkiksi sokereiksi. Selluloosan ja tärkkelyksen tavoin ne voivat kuitenkin toimia myös kemiallisen, fysikaalisen tai entsymaattisen muokkauksen lähtöaineena. Hemiselluloosien käyttöä rajoittaa usein se, että niiden eristäminen kasvimateriaalista hyvällä saannolla on vaikeaa. Useimmiten hemiselluloosa erotetaan biomassasta ligniinin poiston jälkeen uuttamalla erilaisilla reagensseilla, kuten emäksillä. Arabinogalaktaanin erottamiseen ei kuitenkaan vaadita ankaria olosuhteita, vaan yleisimmin siihen riittää uutto vedellä. Kalvosuodatus puolestaan on hyvä keino hemiselluloosan talteenottoon uuttoliuoksista. Tässä työssä tarkasteltiin arabinogalaktaanin erotusta siperianlehtikuusesta uuttokokein. Saadut uuttoliuokset konsentrointiin ja puhdistettiin kalvosuodatusmenetelmillä. Lisäksi tutkittiin eristetyn arabinogalaktaanin käyttöä kemiallisen muokkauksen lähtöaineena, missä pyrkimyksenä oli etenkin in situ -modifiointi suoraan uuttoliuoksessa oleville yhdisteille. Uuttokokeilla saatiin kuitenkin vain pieni osa lehtikuusen arabinogalaktaanista erotetuksi. Myös kalvosuodatusvaiheen aikana menetettiin osa uuttoliuosten arabinogalaktaanista. Koska arabinogalaktaanipitoisuus uuttoliuoksissa jäi hyvin alhaiseksi, in situ -modifiointeja oli vaikea saada onnistumaan. Uutto-olosuhteiden lisätutkimuksella sekä kiinnittämällä erityistä huomiota suodatuskalvojen valintaan voitaneen pitoisuutta nostaa ja saada lisämateriaalia kemiallista muokkausta varten.

The role of keratin intermediate filaments in the colon epithelial cells

Keratins (K) are cytoskeletal proteins mainly expressed in the epithelium and constitute the largest subgroup of intermediate filaments (IFs). Simple epithelial keratins (SEKs) K7-K8 and K18-K20 are the major IF elements in the colon. SEK mutations are known to cause around 30 human diseases, mainly affecting liver and skin. However, so far no strong associations between K8 mutations and the development of human colitis have been found. The keratin contribution to colonic health comes from the K8 knock-out (K8-/-) mouse model, which develops an early chronic inflammation and hyperproliferation in the colon. The aim of this thesis was to investigate how keratins contribute to intestinal health and disease mainly by the experimental analysis using the K8-/- mouse colon and cell culture models. The work described here is divided into three studies. The first study revealed involvement of keratins in Notch1 signaling, which is the master regulator of cell fate in the colon. Immunoprecipitation and immunostaining, both in vitro and in vivo showed that K8 binds and co-localizes with Notch1. Interestingly, overexpression of keratins enhanced Notch1 levels and stabilized Notch intracellular domain (NICD), leading to higher activity of Notch signaling. The dramatic decrease in Notch activity in the K8-/- colon resulted in a differentiation shift towards goblet and enteroendocrine cells. The second study focused on the involvement of keratins in colitis-associated cancer (CAC). Although, the K8-/- inflamed colon did not develop colorectal cancer (CRC) spontaneously, it was dramatically more susceptible to induced CRC in two CRC models: azoxymethane (AOM) and multiple intestinal neoplasia (ApcMin/+). To understand how the loss of K8 contributes to CAC, the epithelial inflammasome signaling pathway was analyzed. The released component of active inflammasome, cleaved caspase-1 and its downstream protein, interleukin (IL)-18, were significantly increased in K8-/- and K8-/-ApcMin/+ colons. The inflammasome pathway has recently been suggested to control the levels of IL-22 binding protein (IL-22BP), which is a negative regulator of IL-22 activity. Interestingly, the activated inflammasome correlated with an upregulation of IL-22 and a complete loss of IL-22BP in the K8-null colons. The activation of IL-22 was confirmed by increased levels of downstream signaling, which is phosphorylated signal transducer and activator of transcription 3 (P-STAT3), a transcription factor promoting proliferation and tissue regeneration in the colon. The objective of the third study, was to examine the role of keratins in colon energy metabolism. A proteomic analysis identified mitochondrial 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase 2 (HMGCS2) as the major ownregulated protein in the K8-/- colonocytes. HMGCS2 is the rate-limiting enzyme in ketogenesis, where energy from bacterially produced short chain fatty acids (SCFAs), mainly butyrate, is converted into ketone bodies in colonic epithelium. Lower levels and activity of HMGCS2 in the K8-/- colon resulted in a blunted ketogenesis. The studies upstream from HMGCS2, identified decreased levels of the SCFA-transporter monocarboxylate transporter 1 (MCT1), which led to increased SCFA content in the stool suggesting impaired butyrate transport through the colonic epithelium. Taken together, the results of the herein thesis indicate that keratins are essential regulators of colon homeostasis, in particular epithelial differentiation, tumorigenesis and energy metabolism.