In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Karbamatsepiinin Haihdutuskiteytys

Haihdutuskiteytyksessä haihdutusolosuhteilla on suuri vaikutus kiteiden muodostumiseen, joten toivottujen kidemuotojen saamiseksi prosessia on hallittava tarkasti. Kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia puhtaiden liuottimien ja karbamatsepiiniliuosten haihtumisvuota eri olosuhteissa. Lisäksi tutkittiin kiteytysolosuhteiden vaikutusta karbamatsepiinikiteiden muodostumiseen ja rakenteeseen. Puhtaille liuottimille kokeet suoritettiin ilman virtausnopeudella 0,2 m/s lämpötiloissa 30 ºC, 40 ºC, 50 ºC ja 60 ºC, sekä ilman virtausnopeudella 0,3 m/s lämpötiloissa 40 ºC ja 50 ºC. Karbamatsepiiniliuoksille kokeet suoritettiin ilman virtausnopeudella 0,2 m/s lämpötiloissa 30 ºC ja 60 ºC sekä ilman virtausnopeudella 0,3 m/s lämpötiloissa 40 ºC ja 50 ºC. Haihdutuskiteytys suoritettiin suorakulmaisessa haihdutuskammiossa, jonka toisessa päässä oli tuulettimet virtausnopeuden säätämiseksi. Koehuoneessa vallitsi normaali ilmanpaine, ilman suhteellinen kosteus vaihteli välillä 50–65 % ja huoneen lämpötila välillä 21,2–24,1 ºC. Kuivatut kiteet analysoitiin optisella mikroskoopilla. Kaikista karbamatsepiinin vesiliuoksista kiteytyi dihydraatti-muotoa. Muutokset haihdutusolosuhteissa vaikuttivat selvästi haihtumis-voihin ja muodostuvien kiteiden rakenteeseen.

Haihdutusnopeuksien määritys glysiinin alipainekiteytyksessä

Alipainekiteytyksessä tasalaatuisen lopputuotteen valmistamiseksi kiteytysolosuhteiden vaikutus liuottimen haihtumisvuohon ja kiteiden ominaisuuksiin on huomioitava. Kandidaatin työn tavoitteena oli selvittää, miten glysiinin alipainekiteytyksessä vesiliuoksesta kiteytysolosuhteet (lämpötila ja paine) vaikuttavat liuottimen haihtumisvuohon ja syntyvien kiteiden polymorfiaan. Haihdutuskokeet suoritettiin puhtaalle vedelle ja alipainekiteytyskokeet glysiinin 95 % kylläiselle vesiliuokselle lämpötiloissa 40 °C, 50 °C ja 60 °C ja paineissa 40 mbar, 60 mbar ja 80 mbar. Kiteyttimenä käytettiin suljettua, virtaushaitoilla, sekoittimella ja ohjausputkella varustettua reaktoria johon oli kytketty alipainepumppu ja termostaatti paineen ja lämpötilan ohjaamiseksi. Nesteen määrä haihdutuskokeissa oli 2 kg ja alipainekiteytyskokeissa 1,2 kg. Osa alipainekiteytyskokeista saaduista kiteistä analysoitiin jauheröntgendiffraktioanalysaattorin (PXRD, engl. powder x-ray diffraction) avulla. Kaikki PXRD-laitteella analysoidut alipainekiteytyskokeissa saadut kiteet osoittautuivat glysiinin γ-polymorfiksi. Kiteytysolosuhteilla oli selkeä vaikutus haihtumisvuohon, mutta vaikutusta glysiinikiteiden polymorfiaan ei havaittu koealueella.

Natural born weight gainers: The mechanisms of obesity in transgenic mice overexpressing neuropeptide Y

Neuropeptide Y (NPY) is a neurotransmitter promoting energy storage by activating Y-receptors and thus affecting food intake, thermogenesis and adipose tissue metabolism. NPY is expressed both in the central and sympathetic nervous system. Hypothalamic NPY is known to stimulate feeding, but the effects of noradrenergic neuron NPY are more ambiguous. Chronic stress stimulates fat accumulation via NPY release from noradrenergic neurons. Furthermore, polymorphism in the human Npy gene has been associated with metabolic disturbances and increased NPY secretion after sympathetic stimulation. The main objective of this study was to clarify the mechanisms of noradrenergic neuron NPY in the development of obesity. The metabolic phenotype of a homozygous mouse overexpressing NPY in the brain noradrenergic neurons and sympathetic nervous system (OE-NPYDβH mouse) was characterized. OE-NPYDβH mice had an increased fat mass and body weight, which caused impairments of glucose metabolism and hyperinsulinaemia with age. There were no differences in energy intake or expenditure, but the sympathetic tone was down-regulated and the endocannabinoid system activated. Furthermore, peripheral Y2-receptors in energy-rich conditions played an important role in mediating the fat-accumulating effect of NPY. These results indicate that noradrenergic neuron NPY promotes obesity via direct effects in the periphery and by modulating the sympatho-adrenal and endocannabinoid systems. Additionally, NPY in the central noradrenergic neurons is believed to possess many important roles. The phenotype of the OE-NPYDβH mouse resembles the situations of chronic stress and Npy gene polymorphism and thus these mice may be exploited in testing novel drug candidates for the treatment of obesity.

Genetics of inherited small vessel diseases – in search of a novel small vessel disease and modifiers of the clinical course of CADASIL

The genetic and environmental risk factors of vascular cognitive impairment are still largely unknown. This thesis aimed to assess the genetic background of two clinically similar familial small vessel diseases (SVD), CADASIL (Cerebral Autosomal Dominant Arteriopathy with Subcortical Infarcts and Leukoencephalopathy) and Swedish hMID (hereditary multi-infarct dementia of Swedish type). In the first study, selected genetic modifiers of CADASIL were studied in a homogenous Finnish CADASIL population of 134 patients, all carrying the p.Arg133Cys mutation in NOTCH3. Apolipoprotein E (APOE) genotypes, angiotensinogen (AGT) p.Met268Thr polymorphism and eight NOTCH3 polymorphisms were studied, but no associations between any particular genetic variant and first-ever stroke or migraine were seen. In the second study, smoking, statin medication and physical activity were suggested to be the most profound environmental differences among the monozygotic twins with CADASIL. Swedish hMID was for long misdiagnosed as CADASIL. In the third study, the CADASIL diagnosis in the Swedish hMID family was ruled out on the basis of genetic, radiological and pathological findings, and Swedish hMID was suggested to represent a novel SVD. In the fourth study, the gene defect of Swedish hMID was then sought using whole exome sequencing paired with a linkage analysis. The strongest candidate for the pathogenic mutation was a 3’UTR variant in the COL4A1 gene, but further studies are needed to confirm its functionality. This study provided new information about the genetic background of two inherited SVDs. Profound knowledge about the pathogenic mutations causing familial SVD is also important for correct diagnosis and treatment options.

Pertussis: infection, vaccination and gene polymorphisms

Pertussis or whooping cough is a human respiratory tract infection and a vaccine-preventable disease that is caused by Bordetella pertussis bacteria. Pertussis vaccination has been part of the Finnish national vaccine program since 1952. Despite extensive vaccinations, the incidence of pertussis has increased in many countries during the last decades. Large epidemics have been observed also in countries with high vaccine coverage. Inter-individual variation in immune responses is always encountered after vaccination. Low vaccine responses may cause vulnerability to pertussis even straight after vaccination. Reasons for low responses are not fully understood. The innate immune system is responsible for the initial recognition of pathogens and vaccine antigens. The role of innate immunity on pertussis immunity has not been thoroughly investigated. Mannose-binding lectin (MBL) and toll-like receptor 4 (TLR4) are important molecules of the innate immune system and in the recognition of pathogens. Cytokines form a signaling network that have a notable role in immune responses after infections as well as after vaccinations. Single nucleotide polymorphism (SNP) is common in genes encoding these molecules and the polymorphisms have been reported to affect vaccine response after viral and bacterial vaccines. This study investigated the gene polymorphisms of MBL2, TLR4 and interleukin (IL)-10 promoter and their association with vaccine responses after acellular pertussis (aP) vaccination in Finnish adolescents and infants. Cell-mediated immune responses were investigated ten years after the previous pertussis vaccinations in young adults. In addition, the role of MBL deficiency in pertussis infection susceptibility was evaluated. The results of this study show that subjects with TLR4 polymorphism had lower antibody production and persistence after aP vaccination compared with normal allele. A specific SNP in the TLR4 gene was associated with decreased antibody responses and persistence in adolescents after aP booster vaccination. Cell-mediated immune responses were partly detected ten years after the previous vaccination; booster vaccine clearly enhanced the responses. In addition, subjects with IL-10 polymorphism had altered cell-mediated immune responses. MBL deficiency was found to be more frequent in pertussis patients than healthy controls but the polymorphism of MBL2 was not associated with antibody responses after acellular pertussis vaccination. The novel finding of this study was that genetic variation in the innate immune system seems to play a role in altered pertussis vaccine responses as well as in pertussis infection. These new findings enlighten the mechanisms behind the low responses after pertussis vaccination and help to predict risk factors related to this phenomenon.

Clinical and genetic markers in disease progression – a study among subjects with obstructive lung diseases

Asthma, COPD, and asthma and COPD overlap syndrome (ACOS) are chronic pulmonary diseases with an obstructive component. In COPD, the obstruction is irreversible and the disease is progressive. The aim of the study was to define and analyze factors that affected disease progression and patients’ well-being, prognosis and mortality in Chronic Airway Disease (CAD) cohort. The main focus was on COPD and ACOS patients. Retrospective data from medical records was combined with genetic and prospective follow-up data. Smoking is the biggest risk factor for COPD and even after the diagnosis of the disease, smoking plays an important role in disease development and patient’s prognosis. Sixty percent of the COPD patients had succeeded in smoking cessation. Patients who had managed to quit smoking had lower mortality rates and less psychiatric diseases and alcohol abuse although they were older and had more cardiovascular diseases than patients who continued smoking. Genetic polymorphism rs1051730 in the nicotinic acethylcholine receptor gene (CHRNA3/5) associated with heavy smoking, cancer prevalence and mortality in two Finnish independent cohorts consisting of COPD patients and male smokers. Challenges in smoking cessation and higher mortality rates may be partly due to individual patient’s genetic composition. Approximately 50% of COPD patients are physically inactive and the proportion was higher among current smokers. Physically active and inactive patients didn’t differ from each other in regard to age, gender or comorbidities. Bronchial obstruction explained inactivity only in severe disease. Subjective sensation of dyspnea, however, had very strong association to inactivity and was also associated to low health related quality of life (HRQoL). ACOS patients had a significantly lower HRQoL than either the patients with asthma or with COPD even though they were younger than COPD patients, had better lung functions and smaller tobacco exposure.