Atomikerroskasvatuksen soveltaminen kemiantekniikassa

Tässä kirjallisuustyössä tutkittiin atomikerroskasvatuksen (ALD) soveltamista kemiantekniikassa. Työn alussa kerrottiin atomikerroskasvatuksesta, sen toimintaperiaatteista ja prosessitekniikasta. Tämän jälkeen tutkittiin viittä eri kemiantekniikan sovellusta, jotka olivat polymeerien pinnoittaminen, heterogeenisten katalyyttien syntetisointi, membraanien modifiointi, korroosionesto ja kaasunilmaisimet. ALD on ohutkalvotekniikka, jolla voidaan valmistaa nanometrin tai jopa Ångströmin (1 Å = 0.1 nm) tarkkuudella epäorgaanisia materiaalikerroksia, jotka yleensä ovat metallioksideja, kuten alumiinioksidi. ALD perustuu kaasu-kiintoainereaktioihin, joissa kaasumaiset kemialliset prekursorit reagoivat vuorotellen kasvualustan kanssa. Tyypilliset prekursorit ovat metalliligandi ja vesi, joka on yleisin hapen lähde ALD-reaktioissa. ALD−reaktiot suoritetaan yleensä matalassa paineessa (100−200 Pa) ja korkeassa lämpötilassa (200–400 °C) suljetussa reaktorikammiossa. ALD-prosesseissa voidaan hyödyntää myös plasmaa alentamaan reaktiolämpötiloja. Plasman avulla prekursoreista luodaan hyvin reaktiivisia radikaaleja, jotka voivat reagoida jopa huoneenlämmössä. Lämpöherkkiä polymeerejä voidaan pinnoittaa ohutkalvoilla, joilla voidaan lisätä esimerkiksi pakkausmateriaalien suojaa happea ja vesihöyryä vastaan. ALD:llä voidaan syntetisoida tarkasti nanomittakaavan heterogeenisiä katalyyttejä, joilla on korkea dispersio tukimateriaalin pinnalla. ALD:n avulla voidaan säästää katalyyttimateriaalia menettämättä katalyytin aktiivisuutta, mikä on tärkeää monien katalyyttisovellusten taloudellisuuden kannalta, esimerkiksi polttokennot. ALD soveltuu hyvin membraanien modifiointiin, koska kaasumaiset prekursorit leviävät tasaisesti membraanin huokosiin. Membraanien pinnoittamisella pyritään vaikuttamaan, selektiivisyyteen, hydrofiilisyyteen, liuotinkestävyyteen, huokoskokoon ja sen jakaumaan. Lisäksi membraaneja voidaan pinnoittaa katalyyttisillä ohutkalvoilla, mikä on tärkeää nanoreaktoreiden kehityksen kannalta. ALD:llä voidaan pinnoittaa esimerkiksi terästä, ja vähentää täten teräksen korroosiota. Puolijohtavia metallioksideja voidaan käyttää kaasunilmaisimina, joiden valmistuksessa ALD:n tarkkuudesta on suurta hyötyä.

Uudet DCHP-prosessit

Diplomityön tavoitteena on selvittää viiden uuden yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotantoprosessin taloudellisuus Suomessa ja Keski-Euroopassa. Polttoaineena käytetään maakaasua. Tehoalue on 1 kW – 1 MW. Työn alkuosassa on kerrottu kyseisten prosessien tekniset ominaisuudet ja käyttö tällä hetkellä. Työn loppuosassa on laskettu jokaisen prosessin taloudellisuus viidessä eri maassa (Suomessa, Alankomaassa, Belgiassa, Iso-Britanniassa ja Saksassa) viidessä eri skenaariossa (omakotitalot, rivitalot, kerrostalot, pienteollisuus ja keskisuuri teollisuus). Toisena aihepiirinä diplomityössä on verrattu kompressori- ja absorptiojäähdyttimiä keskenään ja kerrottu kaukokylmän tekemisestä. Työn tuloksena saatiin arvio siitä, miten taloudellisesti kannattavia kyseiset prosessit ovat tällä hetkellä verrattuna perinteisiin sähkön- ja lämmöntuotantotapoihin.

Tasasähköjakelu ja kiinteistöjen tasasähköverkot

Perinteisesti sähkönjakelu on toteutettu vaihtosähköjärjestelmänä, mutta varsinkin tehoelektroniikan kehittymisen ja halpenemisen myötä on paljon keskusteltu tasasähköisistä jakelujärjestelmistä. Tässä työssä on tutkittu ja koetettu tuoda esille tasasähkön hyödyntämismahdollisuuksia sähkönjakelussa, sekä erityisesti kiinteistöjen kuten kotien ja toimistojen sähköverkoissa. DC-verkko parantaa mm. järjestelmän luotettavuutta ja jännitteenlaatua. Myös hajautetun energiantuotannon ja energiavarastojen lisääminen sähkövoimajärjestelmään olisi yksinkertaisempaa tasasähköiseen verkkoon. Monet nykyajan kotien ja toimistojen sähkölaitteista olisi nykyiselläänkin ilman modifikaatioita liitettävissä DC-verkkoon. Monien laitteiden sisäinen käyttöjännite on nykyään tasajännitettä kuten esimerkiksi tietokoneiden ja viihde-elektroniikan. Näiden laitteiden tarvitsemissa lukuisissa tasasuuntaajissa hukataan paljon energiaa. Yhdistämällä laitteet DC-verkkoon voitaisiin suuntauksista luopua, jolloin järjestelmän kokonaishyötysuhde paranisi. Lisäksi kiinteistöissä tasajännitteellä voitaisiin hyödyntää entistä paremmin muun muassa aurinkoenergiaa, polttokennoja ja energiavarastoja eli uusiutuvia ja ympäristöystävällisiä energialähteitä.

Pienen mittakaavan CHP-laitokset osana hiilineutraalia maaseutuyhteiskuntaa

Maapallon ilmasto lämpenee koko ajan kasvihuonekaasujen määrän lisääntyessä ilmakehässä. Merkittävin ihmisten aiheuttama päästöjen lähde on fossiilisten polttoaineiden käyttö energiantuotannossa ja liikenteessä, jonka vuoksi on tärkeää lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää esimerkkialueena olevan maaseutuyhteiskunnan mahdollisuutta olla energiaomavarainen ja materiaalikierroiltaan suljettu, jos alueen tarvitsema sähkö ja lämpö tuotettaisiin paikallisilla biomassavaroilla kahdella rinnakkaisella pienen mittakaavan CHP-laitoksella. Tarkastellut laitokset olivat anaerobisen mädätyksen ja polttokennojen yhdistelmä sekä termisen käsittelyn ja ORC-prosessin yhdistelmä. Työssä tehdyt laskelmat osoittivat, että esimerkkialue saisi tuotettua omilla biomassavaroillaan tarvitsemastaan sähköstä 75 % ja lämmöstä 90 % esimerkkilaitosten avulla. Laskelmissa ei kuitenkaan huomioitu kesä- ja talvikuukausien välistä eroa lämmön kulutuksessa, jonka vuoksi molemmat laitokset eivät voisi toimia koko ajan täydellä teholla. Lisäksi tuotetun lämmön hyötykäyttöä rajoittaa riittävän laajan kaukolämpöverkon puuttuminen esimerkkialueelta. Nykyisen kaukolämpöverkon avulla saataisiin hyödynnettyä vain kolmasosa ORC-prosessilla tuotetusta lämpöenergiasta. Laskelmat osoittivat myös, että alueen kasvihuonekaasupäästöt pienenisivät 21 % eli noin 6 000 hiilidioksidiekvivalenttitonnia vuodessa, jos suurin osa energiasta tuotettaisiin omista biomassavaroista CHP-laitosten avulla ja mädätyksen seurauksena syntyvä reaktorijäännös korvaisi kemiallisten lannoitteiden käytön.

Akku ja vetypolttokenno sähköauton voimanlähteenä

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty akkuja ja vetypolttokennoja sähköauton voimanlähteenä. Työssä on esitelty sähköautojen ja niiden voimanlähteiden teknologioiden periaatteita, energiankantajia, hyötysuhteita ja päästöjä. Lisäksi on tarkasteltu polttomoottorikäyttöisiä autotekniikoita vertailukohdan saamiseksi. Työn lopuksi on analysoitu sähköautojen markkinoita ja niiden yleistymiseen vaikuttavia tekijöitä. Sähköautot mahdollistavat vaihtoehtoisten energialähteiden käytön, joka antaa tilaisuuden saasteiden ja päästöjen keskitettyyn vähentämiseen ja talteenottoon. Niiden avulla päästään myös pois öljyriippuvuudesta ja paikallisesti aiheutuneista päästöistä. Nykyisten polttoaineiden helpon käsiteltävyyden, kohtuullisien energiatiheyksien ja laajojen infrastruktuurien vuoksi käytössä olevien tekniikoiden syrjäyttäminen on vaikeaa. Uusien tekniikoiden etuja ja haittoja voidaan tarkastella yksinkertaisilla metodeilla, kuten kustannusten, hyötysuhteiden, päästöjen ja polttoaineiden elinkaarien vertailulla. Vertailua vaikeuttaa tosin hintatasojen ja verotuksen eroavaisuudet eri maissa, ja se on siksi suoritettava osin maakohtaisesti. Suurimpia esteitä uusille tekniikoille ovat tällä hetkellä niiden tuomat lisäkustannukset, infrastruktuurien puuttuminen ja nykyisten polttoaineiden korvaaminen toisella.

Tasajännitetason nosto polttokennosovelluksessa

Polttokennojen, erityisesti SOFC-kennojen, tutkimuksessa on viime vuosina saavutettu merkittäviä edistysaskelia ja mahdollisuudet kennojen laajamittaiseen hyödyntämiseen paranevat koko ajan. Polttokennojen yleistyessä tarvitaan tehoelektroniikkaa muokkaamaan kennojen tasajännite verkkoon sopivaksi vaihtojännitteeksi. Verkkovaihtosuuntaaja vaatii korkeamman jännitetason, kuin polttokennosta on saatavissa, joten tasajännitetasoa on ensin nostettava. Tässä diplomityössä esitellään kolme eri hakkuritopologiaa ja perehdytään kokosiltahakkurin optimointiin. Hakkurin pääasialliset häviölähteet olivat toision diodisilta ja transistorit. Diodien vaihtaminen piidiodeista piikarbididiodeihin ei parantanut hyötysuhdetta, koska toision jännite tarkastellussa sovelluksessa oli matala. Muuntajan käämiminen litz-johtimella paransi hyötysuhdetta merkittävästi.

Vertailu kahden erityyppisen virtasyötetyn hakkurin soveltuvuudesta polttokennokäyttöihin

Concerns about condition of the environment and rising fossil fuel prices have accelerated the research of finding new cheap and environmental friendly energy source. Fuel cells are one of the most promising green technologies, especially in the field of distributed energy generation, backup power systems, transportation and mobile power generation. In this bachelor’s thesis use of fuel cells is studied, especially from the DC-DC converter point of view. This bachelor’s thesis concentrates on study of two different DC-DC converters. The aim of this thesis is to study design and steering methods for proposed converters. The ultimate aim of this thesis is to determine which one of proposed converters is most suitable for fuel cell applications.

Diskreettiaikainen liukuvan moodin säätö kiinteäoksidipolttokennon DC-tasonnostossa

Huoli ympäristön tilasta ja fossiilisten polttoaineiden hinnan nousu ovat vauhdittaneet tutkimusta uusien energialähteiden löytämiseksi. Polttokennot ovat yksi lupaavimmista tekniikoista etenkin hajautetun energiantuotannon, varavoimalaitosten sekä liikennevälineiden alueella. Polttokenno on tehonlähteenä kuitenkin hyvin epäideaalinen, ja se asettaa tehoelektroniikalle lukuisia erityisvaatimuksia. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon on tavallisesti toteutettu käyttämällä galvaanisesti erottavaa DC/DC hakkuria sekä vaihtosuuntaajaa sarjassa. Polttokennon kulumisen estämiseksi tehoelektroniikalta vaaditaan tarkkaa polttokennon lähtövirran hallintaa. Perinteisesti virran hallinta on toteutettu säätämällä hakkurin tulovirtaa PI (Proportional and Integral) tai PID (Proportional, Integral and Derivative) -säätimellä. Hakkurin epälineaarisuudesta johtuen tällainen ratkaisu ei välttämättä toimi kaukana linearisointipisteestä. Lisäksi perinteiset säätimet ovat herkkiä mallinnusvirheille. Tässä diplomityössä on esitetty polttokennon jännitettä nostavan hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli, sekä malliin perustuva diskreettiaikainen integroiva liukuvan moodin säätö. Esitetty säätö on luonteeltaan epälineaarinen ja se soveltuu epälineaaristen ja heikosti tunnettujen järjestelmien säätämiseen.

Performance and scalability of isolated DC-DC converter topologies in low voltage, high current applications

Fuel cells are a promising alternative for clean and efficient energy production. A fuel cell is probably the most demanding of all distributed generation power sources. It resembles a solar cell in many ways, but sets strict limits to current ripple, common mode voltages and load variations. The typically low output voltage from the fuel cell stack needs to be boosted to a higher voltage level for grid interfacing. Due to the high electrical efficiency of the fuel cell, there is a need for high efficiency power converters, and in the case of low voltage, high current and galvanic isolation, the implementation of such converters is not a trivial task. This thesis presents galvanically isolated DC-DC converter topologies that have favorable characteristics for fuel cell usage and reviews the topologies from the viewpoint of electrical efficiency and cost efficiency. The focus is on evaluating the design issues when considering a single converter module having large current stresses. The dominating loss mechanism in low voltage, high current applications is conduction losses. In the case of MOSFETs, the conduction losses can be efficiently reduced by paralleling, but in the case of diodes, the effectiveness of paralleling depends strongly on the semiconductor material, diode parameters and output configuration. The transformer winding losses can be a major source of losses if the windings are not optimized according to the topology and the operating conditions. Transformer prototyping can be expensive and time consuming, and thus it is preferable to utilize various calculation methods during the design process in order to evaluate the performance of the transformer. This thesis reviews calculation methods for solid wire, litz wire and copper foil winding losses, and in order to evaluate the applicability of the methods, the calculations are compared against measurements and FEM simulations. By selecting a proper calculation method for each winding type, the winding losses can be predicted quite accurately before actually constructing the transformer. The transformer leakage inductance, the amount of which can also be calculated with reasonable accuracy, has a significant impact on the semiconductor switching losses. Therefore, the leakage inductance effects should also be taken into account when considering the overall efficiency of the converter. It is demonstrated in this thesis that although there are some distinctive differences in the loss distributions between the converter topologies, the differences in the overall efficiency can remain within a range of a few percentage points. However, the optimization effort required in order to achieve the high efficiencies is quite different in each topology. In the presence of practical constraints such as manufacturing complexity or cost, the question of topology selection can become crucial.

Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa

Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin. Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö. Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.

Hydrogen Sensor Application of Anodic Titanium Oxide Nanostructures

Hydrogen (H2) fuel cells have been considered a promising renewable energy source. The recent growth of H2 economy has required highly sensitive, micro-sized and cost-effective H2 sensor for monitoring concentrations and alerting to leakages due to the flammability and explosiveness of H2 Titanium dioxide (TiO2) made by electrochemical anodic oxidation has shown great potential as a H2 sensing material. The aim of this thesis is to develop highly sensitive H2 sensor using anodized TiO2. The sensor enables mass production and integration with microelectronics by preparing the oxide layer on suitable substrate. Morphology, elemental composition, crystal phase, electrical properties and H2 sensing properties of TiO2 nanostructures prepared on Ti foil, Si and SiO2/Si substrates were characterized. Initially, vertically oriented TiO2 nanotubes as the sensing material were obtained by anodizing Ti foil. The morphological properties of tubes could be tailored by varying the applied voltages of the anodization. The transparent oxide layer creates an interference color phenomena with white light illumination on the oxide surface. This coloration effect can be used to predict the morphological properties of the TiO2 nanostructures. The crystal phase transition from amorphous to anatase or rutile, or the mixture of anatase and rutile was observed with varying heat treatment temperatures. However, the H2 sensing properties of TiO2 nanotubes at room temperature were insufficient. H2 sensors using TiO2 nanostructures formed on Si and SiO2/Si substrates were demonstrated. In both cases, a Ti layer deposited on the substrates by a DC magnetron sputtering method was successfully anodized. A mesoporous TiO2 layer obtained on Si by anodization in an aqueous electrolyte at 5°C showed diode behavior, which was influenced by the work function difference of Pt metal electrodes and the oxide layer. The sensor enabled the detection of H2 (20-1000 ppm) at low operating temperatures (50–140°C) in ambient air. A Pd decorated tubular TiO2 layer was prepared on metal electrodes patterned SiO2/Si wafer by anodization in an organic electrolyte at 5°C. The sensor showed significantly enhanced H2 sensing properties, and detected hydrogen in the range of a few ppm with fast response/recovery time. The metal electrodes placed under the oxide layer also enhanced the mechanical tolerance of the sensor. The concept of TiO2 nanostructures on alternative substrates could be a prospect for microelectronic applications and mass production of gas sensors. The gas sensor properties can be further improved by modifying material morphologies and decorating it with catalytic materials.

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.

Role of Membrane Transporters, P-Glycoprotein and Mrp1, in The Placental Transfer of Drugs With Special Reference to Saquinavir and Quetiapine

Drug transporting membrane proteins are expressed in various human tissues and blood-tissue barriers, regulating the transfer of drugs, toxins and endogenous compounds into or out of the cells. Various in vitro and animal experiments suggest that P-glycoprotein (P-gp) forms a functional barrier between maternal and fetal blood circulation in the placenta thereby protecting the fetus from exposure to xenobiotics during pregnancy. The multidrug resistance-associated protein 1 (MRP1) is a relatively less studied transporter protein in the human placenta. The aim of this study series was to study the role of placental transporters, apical P-gp and basal MRP1, using saquinavir as a probe drug, and to study transfer of quetiapine and the role of P-gp in its transfer in the dually perfused human placenta/cotyledon. Furthermore, two ABCB1 (encoding P-gp) polymorphisms (c.3435C>T, p.Ile1145Ile and c.2677G>T/A, p.Ala893Ser/Thr) were studied to determine their impact on P-gp protein expression level and on the transfer of the study drugs. Also, the influence of the P-gp protein expression level on the transfer of the study drugs was addressed. Because P-gp and MRP1 are ATP-dependent drug-efflux pumps, it was studied whether exogenous ATP is needed for the function of ATP-dependent transporter in the present experimental model. The present results indicated that the addition of exogenous ATP was not necessary for transporter function in the perfused human placental cotyledon. Saquinavir and quetiapine were both found to cross the human placenta; transplacental transfer (TPTAUC %) for saquinavir was <0.5% and for quetiapine 3.7%. Pharmacologic blocking of P-gp led to disruption of the blood-placental barrier (BPB) and increased the placental transfer of P-gp substrate, saquinavir, into the fetal circulation by 6- to 8-fold. In reversed perfusions P-gp, MRP1 and possibly OATP2B1 had a negligible role in the fetal-to-maternal transfer of saquinavir. The TPTAUC % of saquinavir was about 100-fold greater from the fetal side to the maternal side compared with the maternal-to-fetal transfer. P-gp activity is not likely to modify the placental transfer of quetiapine. Higher P-gp protein expression levels were associated with the variant allele 3435T, but no correlation was found between the TPTAUC % of saquinavir and placental P-gp protein expression. The present results indicate that P-gp activity drastically affects the fetal exposure to saquinavir, and suggest that pharmacological blockade of the P-gp activity during pregnancy may pose an increased risk for adverse fetal outcome. The blockade of P-gp activity could be used in purpose to obtain higher drug concentration to the fetal side, for example, in prevention (to decrease virus transfer to fetal side) or in treating sick fetus.

Intracellular membrane trafficking in Osteoclasts The role of direct Rab protein – Rac 1 interactions in the targeting of intracellular vesicles

Osteoclasts are cells responsible for bone resorption. These cells undergo extensive membrane re-organization during their polarization for bone resorption and form four distinct membrane domains, namely the ruffled border, the basolateral membrane, the sealing zone and the functional secretory domain. The endocytic/biosynthetic pathway and transcytotic route(s) are important for the resorption process, since the endocytic/biosynthetic pathway brings the specific vesicles to the ruffled border whereas the transcytotic flow is believed to transport the degraded bone matrix away from the resorption lacuna to the functional secretory domain. In the present study, we found a new transcytotic route from the functional secretory domain to the ruffled border, which may compensate membrane loss from the ruffled border during the resorption process. We also found that lipid rafts are essential for the ruffled border-targeted late endosomal pathways. A small GTP-binding protein, Rab7, has earlier been shown to regulate the late steps of the endocytic pathway. In bone-resorbing osteoclasts it is involved in the formation of the ruffled border, which displays several features of late endosomal membranes. Here we discovered a new Rab7-interacting protein, Rac1, which is another small GTP-binding protein and binds to the GTP-form of Rab7 in vitro. We demonstrated further that Rab7 colocalizes with Rac1 at the fusion zone of the ruffled border in bone-resorbing osteoclasts. In other cell types, such as fibroblast-like cells, this colocalization is mainly perinuclear. Because Rac1 is known to control the actin cytoskeleton through its effectors, we suggest that the Rab7-Rac1 interaction may mediate late endosomal transport between microtubules and microfilaments, thus enabling endosomal vesicles to switch tracks from microtubules to microfilaments before their fusion to the ruffled border. We then studied the role of Rab-Rac1 interaction in the slow recycling pathway. We revealed that Rac1 also binds directly to Rab11 and to some other but not all Rab-proteins, suggesting that Rab-Rac1 interaction could be a general regulatory mechanism to direct the intracellular vesicles from microtubule mediated transport to actin filament mediated transport and vice versa. On the basis of our results we thus propose a new hypothesis for these GTPases in the regulation of intracellular membrane flow.

Potential of the Osteoclast’s Proton Pump as a Drug Target in Osteoporosis

Decreasing bone mass during aging predisposes to fractures and it is estimated that every second woman and one in five men will suffer osteoporotic fractures during their lifetime. Bone is an adaptive tissue undergoing continuous remodeling in response to physical and metabolic stimuli. Bone mass decreases through a net negative balance in the bone remodeling process of bone, in which the new bone incompletely replaces the resorbed bone mass. Bone resorption is carried out by the osteoclasts; the bone mineral is solubilized by acidification and the organic matrix is subsequently degraded by proteases. Several classes of drugs are available for prevention of osteoporotic fractures. They act by different mechanisms to increase bone mass, and some of them act mainly as antiresorptives by inhibition of osteoclast formation or their function. Optimally, a drug should act selectively on a specific process, since other processes affected usually result in adverse effects. The purpose of this study was to evaluate whether the osteoclastic vacuolar adenosine trisphosphatases (V-ATPase), which drives the solubilization of bone mineral, can be selectively inhibited despite its ubiquitous cellular functions. The V-ATPase is a multimeric protein composed of 13 subunits of which six possesses two or more isoforms. Selectivity for the osteoclastic V-ATPase could be provided if it has some structural uniqueness, such as a unique isoform combination. The a3 isoform of the 116kDa subunit is inevitable for bone resorption; however, it is also present in, and mainly limited to, the lysosomes of other cells. No evidence of a structural uniqueness of the osteoclastic V-ATPase compared to the lysosomal V-ATPase was found, although this can not yet be excluded. Thus, an inhibitor selective for the a3 isoform would target the lysosomal V-ATPase as well. However, the results suggest that selectivity for bone resorption over lysosomal function can be obtained by two other mechanisms, suggesting that isoform a3 is a valid target. The first is differential compensation; bone resorption depends on the high level of a3 expression, and is not compensated for by other isoforms, while the lower level of a3 in lysosomes of other cells may be partly compensated for. The second mechanism is because the bone resorption process itself is fundamentally different from lysosomal acidification because of the chemistry of bone dissolution and the anatomy of the resorbing osteoclast. By this mechanism, full inhibition of bone resorption is obtained with more than tenfold lower inhibitor concentration than those needed to fully inhibit lysosomal acidification. The two mechanisms are additive. Based on the results, we suggest that bone resorption can be selectively inhibited if VATPase inhibitors that are sufficiently selective for the a3 isoform over the other isoforms are developed.