Study of ligand-based virtual screening tools in computer-aided drug design

Virtual screening is a central technique in drug discovery today. Millions of molecules can be tested in silico with the aim to only select the most promising and test them experimentally. The topic of this thesis is ligand-based virtual screening tools which take existing active molecules as starting point for finding new drug candidates. One goal of this thesis was to build a model that gives the probability that two molecules are biologically similar as function of one or more chemical similarity scores. Another important goal was to evaluate how well different ligand-based virtual screening tools are able to distinguish active molecules from inactives. One more criterion set for the virtual screening tools was their applicability in scaffold-hopping, i.e. finding new active chemotypes. In the first part of the work, a link was defined between the abstract chemical similarity score given by a screening tool and the probability that the two molecules are biologically similar. These results help to decide objectively which virtual screening hits to test experimentally. The work also resulted in a new type of data fusion method when using two or more tools. In the second part, five ligand-based virtual screening tools were evaluated and their performance was found to be generally poor. Three reasons for this were proposed: false negatives in the benchmark sets, active molecules that do not share the binding mode, and activity cliffs. In the third part of the study, a novel visualization and quantification method is presented for evaluation of the scaffold-hopping ability of virtual screening tools.

A Farewell to Flat Biology. Three-dimensional Cell Culture Models in Cancer Drug Target Identification and Validation

Cells of epithelial origin, e.g. from breast and prostate cancers, effectively differentiate into complex multicellular structures when cultured in three-dimensions (3D) instead of conventional two-dimensional (2D) adherent surfaces. The spectrum of different organotypic morphologies is highly dependent on the culture environment that can be either non-adherent or scaffold-based. When embedded in physiological extracellular matrices (ECMs), such as laminin-rich basement membrane extracts, normal epithelial cells differentiate into acinar spheroids reminiscent of glandular ductal structures. Transformed cancer cells, in contrast, typically fail to undergo acinar morphogenic patterns, forming poorly differentiated or invasive multicellular structures. The 3D cancer spheroids are widely accepted to better recapitulate various tumorigenic processes and drug responses. So far, however, 3D models have been employed predominantly in the Academia, whereas the pharmaceutical industry has yet to adopt a more widely and routine use. This is mainly due to poor characterisation of cell models, lack of standardised workflows and high throughput cell culture platforms, and the availability of proper readout and quantification tools. In this thesis, a complete workflow has been established entailing well-characterised 3D cell culture models for prostate cancer, a standardised 3D cell culture routine based on high-throughput-ready platform, automated image acquisition with concomitant morphometric image analysis, and data visualisation, in order to enable large-scale high-content screens. Our integrated suite of software and statistical analysis tools were optimised and validated using a comprehensive panel of prostate cancer cell lines and 3D models. The tools quantify multiple key cancer-relevant morphological features, ranging from cancer cell invasion through multicellular differentiation to growth, and detect dynamic changes both in morphology and function, such as cell death and apoptosis, in response to experimental perturbations including RNA interference and small molecule inhibitors. Our panel of cell lines included many non-transformed and most currently available classic prostate cancer cell lines, which were characterised for their morphogenetic properties in 3D laminin-rich ECM. The phenotypes and gene expression profiles were evaluated concerning their relevance for pre-clinical drug discovery, disease modelling and basic research. In addition, a spontaneous model for invasive transformation was discovered, displaying a highdegree of epithelial plasticity. This plasticity is mediated by an abundant bioactive serum lipid, lysophosphatidic acid (LPA), and its receptor LPAR1. The invasive transformation was caused by abrupt cytoskeletal rearrangement through impaired G protein alpha 12/13 and RhoA/ROCK, and mediated by upregulated adenylyl cyclase/cyclic AMP (cAMP)/protein kinase A, and Rac/ PAK pathways. The spontaneous invasion model tangibly exemplifies the biological relevance of organotypic cell culture models. Overall, this thesis work underlines the power of novel morphometric screening tools in drug discovery.

Biomolecular screening for inhibitors of butyrylcholinesterase : identification and characterization using in vitro and in silico tools

Drug discovery is a continuous process where researchers are constantly trying to find new and better drugs for the treatment of various conditions. Alzheimer’s disease, a neurodegenerative disease mostly affecting the elderly, has a complex etiology with several possible drug targets. Some of these targets have been known for years while other new targets and theories have emerged more recently. Cholinesterase inhibitors are the major class of drugs currently used for the symptomatic treatment of Alzheimer’s disease. In the Alzheimer’s disease brain there is a deficit of acetylcholine and an impairment in signal transmission. Acetylcholinesterase has therefore been the main target as this is the main enzyme hydrolysing acetylcholine and ending neurotransmission. It is believed that by inhibiting acetylcholinesterase the cholinergic signalling can be enhanced and the cognitive symptoms that arise in Alzheimer’s disease can be improved. Butyrylcholinesterase, the second enzyme of the cholinesterase family, has more recently attracted interest among researchers. Its function is still not fully known, but it is believed to play a role in several diseases, one of them being Alzheimer’s disease. In this contribution the aim has primarily been to identify butyrylcholinesterase inhibitors to be used as drug molecules or molecular probes in the future. Both synthetic and natural compounds in diverse and targeted screening libraries have been used for this purpose. The active compounds have been further characterized regarding their potencies, cytotoxicity, and furthermore, in two of the publications, the inhibitors ability to also inhibit Aβ aggregation in an attempt to discover bifunctional compounds. Further, in silico methods were used to evaluate the binding position of the active compounds with the enzyme targets. Mostly to differentiate between the selectivity towards acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase, but also to assess the structural features required for enzyme inhibition. We also evaluated the compounds, active and non-active, in chemical space using the web-based tool ChemGPS-NP to try and determine the relevant chemical space occupied by cholinesterase inhibitors. In this study, we have succeeded in finding potent butyrylcholinesterase inhibitors with a diverse set of structures, nine chemical classes in total. In addition, some of the compounds are bifunctional as they also inhibit Aβ aggregation. The data gathered from all publications regarding the chemical space occupied by butyrylcholinesterase inhibitors we believe will give an insight into the chemically active space occupied by this type of inhibitors and will hopefully facilitate future screening and result in an even deeper knowledge of butyrylcholinesterase inhibitors.

Free Prostate-specific Antigen Forms and Kallikrein-related Peptidase 2: Tools for Prostate Cancer Diagnostics

Prostate-specific antigen (PSA) is a marker that is commonly used in estimating prostate cancer risk. Prostate cancer is usually a slowly progressing disease, which might not cause any symptoms whatsoever. Nevertheless, some cases of cancer are aggressive and need to be treated before they become life-threatening. However, the blood PSA concentration may rise also in benign prostate diseases and using a single total PSA (tPSA) measurement to guide the decision on further examinations leads to many unnecessary biopsies, over-detection, and overtreatment of indolent cancers which would not require treatment. Therefore, there is a need for markers that would better separate cancer from benign disorders, and would also predict cancer aggressiveness. The aim of this study was to evaluate whether intact and nicked forms of free PSA (fPSA-I and fPSA-N) or human kallikrein-related peptidase 2 (hK2) could serve as new tools in estimating prostate cancer risk. First, the immunoassays for fPSA-I and free and total hK2 were optimized so that they would be less prone to assay interference caused by interfering factors present in some blood samples. The optimized assays were shown to work well and were used to study the marker concentrations in the clinical sample panels. The marker levels were measured from preoperative blood samples of prostate cancer patients scheduled for radical prostatectomy. The association of the markers with the cancer stage and grade was studied. It was found that among all tested markers and their combinations especially the ratio of fPSA-N to tPSA and ratio of free PSA (fPSA) to tPSA were associated with both cancer stage and grade. They might be useful in predicting the cancer aggressiveness, but further follow-up studies are necessary to fully evaluate the significance of the markers in this clinical setting. The markers tPSA, fPSA, fPSA-I and hK2 were combined in a statistical model which was previously shown to be able to reduce unnecessary biopsies when applied to large screening cohorts of men with elevated tPSA. The discriminative accuracy of this model was compared to models based on established clinical predictors in reference to biopsy outcome. The kallikrein model and the calculated fPSA-N concentrations (fPSA minus fPSA-I) correlated with the prostate volume and the model, when compared to the clinical models, predicted prostate cancer in biopsy equally well. Hence, the measurement of kallikreins in a blood sample could be used to replace the volume measurement which is time-consuming, needs instrumentation and skilled personnel and is an uncomfortable procedure. Overall, the model could simplify the estimation of prostate cancer risk. Finally, as the fPSA-N seems to be an interesting new marker, a direct immunoassay for measuring fPSA-N concentrations was developed. The analytical performance was acceptable, but the rather complicated assay protocol needs to be improved until it can be used for measuring large sample panels.

Calculation of wood volume and stem taper using terrestrial single-image close-range photogrammetry and contemporary software tools

Abstract

Using tools to help cost estimating and pricing: examination of costing model's and cost breakdown's workability and their capability to cooperative work

Tämä diplomityö käsittelee työkaluja, jotka on suunniteltu kustannusten ennakointiin ja hinnan asetantaan. Aluksi on käyty läpi perinteisen ja toimintoperusteisen kustannuslaskennan perusteita. Näiden menetelmien välisiä eroja on tarkasteltu ja toimintoperusteisen kustannuslaskennan paremmin sopivuus nykypäivän yrityksille on perusteltu. Toisena käsitellään hinnoittelu. Hinnan merkitys, hinnoittelumenetelmät ja päätös lopullisesta hinnasta on käyty läpi. Hinnoittelun jälkeen esitellään kustannusjärjestelmät ja kustannusten arviointi. Nämä asiat todistavat, että tarkat kustannusarviot ovat elintärkeitä yritykselle. Tuotteen kustannusarviointi, hinnan asetanta ja tarjoaminen ovat erittäin merkityksellisiä asioita ottaen huomioon koko projektin elinkaaren ja tulevat tuotot. Nykyään on yleistä käyttää työkaluja kustannusarvioinnissa ja joskus myös hinnoittelussa. Työkalujen luotettavuus on tiedettävä, ennenkuin työkalut otetaan käyttöön. Myös työkalujen käyttäjät täytyy perehdyttää hyvin. Muuten yritys todennäköisesti kohtaa odottamattomia ja epämiellyttäviä yllätyksiä.

Production scheduling tools' evaluation in a global telecommunications and electronics company

Tutkimuksen päätavoite on arvioida, ovatko neljä ohjelmistovaihtoehtoa riittäviä tuotannon aikataulutuksen työkaluja ja mikä työkaluista sopii toimeksiantajayritykselle. Alatavoitteena on kuvata tuotannon aikataulutuksen nyky- ja tahtotila prosessimallinnuksen avulla, selvittää työkalun käyttäjätarpeet ja määritellä priorisoidut valintakriteerit työkalulle.Tutkimuksen teoriaosuudessa tutkitaan tuotannon aikataulutuksen logiikkaa ja haasteita. Työssä tarkastellaan aikataulutusohjelmiston valintaa rinnakkain prosessinmallinnuksen kanssa. Aikataulutusohjelmistovaihtoehdot ja metodit käyttäjätarpeiden selvittämiseksi käydään läpi. Empiriaosuudessa selvitetään tutkimuksen suhde toimeksiantajayrityksen strategiaan. Käyttäjätarpeet selvitetään haastattelujen avulla jaanalysoidaan QFD matriisin avulla. Toimeksiantajayrityksen tuotannon aikataulutuksen nyky- ja tahtotilaprosessit mallinnetaan, jotta ohjelmistojen sopivuutta, aikataulutusprosessia tukevana työkaluna voidaan arvioida.Tutkimustuloksena ovatpriorisoidut valintakriteerit aikataulutustyökalulle eli käyttäjätarpeista johdetut tärkeimmät toiminnalliset ominaisuudet, järjestelmätoimittaja-arvio sekä suositukset jatkotoimenpiteistä ja lisätutkimuksesta.

Todennäköisyyspohjaisen paloanalyysimenetelmän kehittäminen ydinvoimalaitoksella

Diplomityössä on tutustuttu ydinvoimalaitosten paloriskejä käsittelevään todennäköisyyspohjaiseen turvallisuusanalyysiin. Tavoitteena on ollut Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden paloanalyysimenetelmän kehittäminen. Työssä esitetään paloanalyysin pääpiirteet, kaksi erilaista palotaajuuksien estimointimenetelmää sekä palojen leviämisen arviointimenetelmiä. Palotaajuuksien estimointimenetelmistä keskitytään Berryn menetelmän sekä NUREG/CR-6850-palotaajuuslaskentamenetelmän tarkasteluun. Palon leviämisen arvioinnissa on esitetty kolmen erilaisen virtausteknisen laskentatyökalun perusteet sekä palon leviämistodennäköisyyksiä arvioivan Probabilistic Fire Simulator (PFS) -ohjelman käyttöä. Työn aikana on laskettu molemmilla palotaajuuden estimointimenetelmillä palotaajuuksia eri tyyppisille huonetiloille. Berryn menetelmän palotaajuudet olivat pääosin alhaisempia kuin NUREG/CR-6850-menetelmällä lasketut palotaajuudet. Palon leviämistarkastelussa on tutkittu ydinvoimalaitoksen relehuoneen tulipaloa. PFS:n avulla laskettujen leviämistodennäköisyyksien arvoja on vertailtu TVO:n paloanalyysissa käytettyihin kvalitatiivisiin peittokertoimiin. Palon leviämistodennäköisyys eri osajärjestelmien välillä todettiin suuresti riippuvan analyysissaoletetuista vaurioitumislämpötiloista. Tutkittuja menetelmiä hyödyntäen diplomityössä kehitettiin paloanalyysimenetelmäkuvaus. Menetelmäkuvauksessa huonetilojen paloriskit kartoitetaan aluksi Berryn menetelmällä. Näin kaikille laitoksen huonetiloille saadaan arvioitua palotaajuus sekä paloalkutapahtumaluokkien sydänvauriotaajuus. Seuraavaksi suoritetaan valintamenettely, jossa valitut kriteerit täyttäville huonetiloille tehdään tarkentava palotaajuuslaskenta. Tarkentava palotaajuuslaskenta perustuu NUREG/CR-6850-menetelmän mukaisesti huonetilojen realistisiin syttymislähteisiin. Kriittisimpien huonetilojen osalta palon leviämisen arviointiin on tarkoitus hyödyntää numeerista simulointia.

Market Area Selection of aSawmill Machinery Manufacturer

Tämän diplomityön tavoitteena on kartoittaa suomalaisen sahakonevalmistaja Veisto Oy:n kannalta lähitulevaisuuden merkittävimmät markkina-alueet, joiden sahateollisuuteen tehdään lähivuosina eniten korkean teknologian investointeja. Markkina-alueiden valinnassa sovelletaan sekä numeerisiin tilastoihin että asiantuntijahaastatteluihin pohjautuvia ranking-menetelmiä. Työn ensimmäinen osa käsittelee kansainvälisten teollisten markkinoiden ominaispiirteitä ja niiden analysointia. Pääpaino on kuitenkin screening-menetelmillä, markkina-alueiden vertailumenetelmilläja päätöksenteon työkaluilla. Työn toisessa osassa keskitytään markkina-alueiden screeningiin, analysointiin ja maiden eri ominaisuuksien vertailuun. Päätöksentekomatriiseja hyödyntäen valitaan Veisto Oy:lle kolme tällä hetkellä houkuttelevinta markkina-aluetta, joita ovat Venäjä, USA:n kaakkoisosan Southern Yellow Pine -alue sekä Etelä-Amerikan suurimmat sahaajamaat (Brasilia, Argentiina ja Chile) yhtenä alueena. Valituilla alueilla on Veiston kannalta omat haasteensa: USA:ssa vahvat kotimaiset kilpailijat ja uusien referenssien saaminen, Venäjällä investointien epävarmuus ja markkina-alueen laajuuden tuoma monimuotoisuus sekä Etelä-Amerikassa vahvat ruotsalaiset kilpailijat sekä etenkin Brasilian osalta tuntuvat suojatullit.

Development of Paperboard Forming Tools with a Focus on Intelligent Manufacturing

Tämä diplomityö käsittelee kartonginmuovaukseen käytettävien puristintyökalujen kehittämistä. Työntavoitteina oli kehittää työkalutekniikan suunnittelua ja valmistusta edullisemmaksi, nopeammaksi ja työkaluja toiminnoiltaan tehokkaammiksi. Työn tuli sisältää myös ohjeet työkalujen suunnittelemiseksi ja valmistamiseksi jatkoa ajatellen. Työn aikana selvitettiin mahdollisia työkalurakennevaihtoehtoja, valmistusmateriaaleja sekä niiden käsittelymenetelmiä ja lastuamista sekä sen tarjoamia mahdollisuuksia valmistusmenetelmänä. Työkalupari suunniteltiin modulaariseksi siten, että uusia työkaluja varten vain osa komponenteista täytyy valmistaa uudelleen, samalla työkalun osien lukumäärää pienennettiin merkittävästi. Valmistusmateriaaliksi valittiin hyvin lastuttava työkaluteräs ja sen koneistaminen tapahtui vaakakaraisessa koneistuskeskuksessa. Työn loppuvaiheessa työkalukokonaisuudelle tehtiin kustannuslaskelma jaoteltuna eri työvaiheille sekä komponenteittain. Työkalu asennettiin puristimeen ja sille suoritettiin käyttötestaus. Työn aikana karttuneen kokemuksen sekä koekäytön perusteella tehtiin jatkokehitysehdotuksia.

Strategisen tuotteen materiaalitoimittajan valintaprosessi

Työn tavoitteena on esittää strategisen tuotteen toimittajan valintaprosessi. Tavoitteena on esittää valintaprosessin eri vaiheet ja niissä huomioitavat asiat sekä eri vaiheisiin sovellettavia menetelmiä ja työkaluja.Valintaprosessi alkaa tarpeen määrittämisellä, joka käsittää sekä tuotteen ominaisuuksien että toimittajasuhteen kuvaamisen. Strategisten tuotteiden kohdalla tavoitteena on useimmiten pitkäaikainen yhteistyömuoto valitun toimittajan kanssa. Tarpeen määrittämisen jälkeen etsitään eri lähteistä, kuten erilaisista kaupallisista hakemistoista, internetistä, ammattijulkaisuista sekä henkilökohtaisten kontaktien avulla, potentiaalisia toimittajia, joista luodaan ehdokaslista. Seuraavana on vuorossa sovellettavien valintakriteerien määrittäminen. Tyypillisesti tarkastellaan ainakin toimittajan taloudellista tilannetta, laatua, tuotantoa, kuljetusta, palvelua ja raportointia ja tiedonvälitystä. Tämän jälkeen suoritetaan ensimmäinen seulonta, jossa karsitaan epäsopivimmat ehdokkaat pois prosessin jatkovaiheista. Tarvittavia tietoja voidaan hankkia kirjallisten kyselyiden sekä puhelin- ja henkilöhaastatteluiden avulla. Yksityiskohtaisessa arvioinnissa suoritetaan perusteellinen toimittajien vertailu aikaisemmin valittujen valintakriteerien mukaan. Toimittajan yksityiskohtaiseen arviointiin on tarjolla erilaisia menetelmiä, kuten luokiteltu arviointi, painotettu pistearviointi ja kustannussuhdearviointi. Neuvotteluihin valitaan tyypillisesti muutama sopivin toimittaja ja neuvotteluiden jälkeen on pystyttävä valitsemaan sopivin toimittaja tai vaihtoehtoisesti pari toimittajaa, joiden kesken sopimus jaetaan.

Idea Screening in Telecom Business

Diplomityö on tehty Telecom Business Research Centerissä Lappeenrannassa. Toimialalle tyypillistä on tekniikan ja globaalien markkinoiden nopea kehitys, mikä edellyttää alan tuotekehitykseltä panostamista oikeisiin ideoihin, sekä niiden nopeaa ja joustavaa kehittämistä tuotteiksi. Tuotekehityksen alkuvaihe on johtamisen kannalta erityisen suuri haaste, koska ideoita on runsaasti, mutta resurssit tehdä niihin liittyviä selvityksiä ovat rajalliset. Diplomityön tavoitteena oli tuotekehityksen alkuvaiheen ymmärtäminen ja tutkia kuinka ideoita pystytään seulomaan. Tutkimus perustuu tuotekehityskirjallisuuteen ja haastatteluihin Telecom-teollisuudessa. Työn tuloksena ideoiden seulontaa kirjallisuudessa ja Telecom-teollisuudessa kuvataan ja niiden perusteella esitetään toimivia käytäntöjä tuotekehitysideoiden seulontaan toimialalla. Ehdotettujen käytäntöjen tavoitteena on saada parempia ideoita tehokkaammin tuotekehityksen alkuvaiheesta varsinaiseksi tuotekehitysprojektiksi.