Diet, microbes and gut immune responses in the pathogenesis of experimental type 1 diabetes

Type 1diabetes (T1D) is an autoimmune disease, which is influenced by a variety of environmental factors including diet and microbes. These factors affect the homeostasis and the immune system of the gut. This thesis explored the altered regulation of the immune system and the development of diabetes in non-obese diabetic (NOD) mice. Inflammation in the entire intestine of diabetes-prone NOD mice was studied using a novel ex-vivo imaging system of reactive oxygen and nitrogen species (RONS), in relation to two feeding regimens. In parallel, gut barrier integrity and intestinal T-cell activation were assessed. Extra-intestinal manifestations of inflammation and decreased barrier integrity were sought for by studying peritoneal leukocytes. In addition, the role of pectin and xylan as dietary factors involved in diabetes development in NOD mice was explored. NOD mice showed expression of RONS especially in the distal small intestine, which coincided with T-cell activation and increased permeability to macromolecules. The introduction of a casein hydrolysate (hydrolysed milk protein) diet reduced these phenomena, altered the gut microbiota and reduced the incidence of T1D. Extra-intestinally, macrophages appeared in large numbers in the peritoneum of NOD mice after weaning. Peritoneal macrophages (PM) expressed high levels of interleukin-1 receptor associated kinase M (IRAK-M), which was indicative of exposure to ligands of toll-like receptor 4 (TLR-4) such as bacterial lipopolysaccharide (LPS). Intraperitoneal LPS injections activated T cells in the pancreatic lymph nodes (PaLN) and thus, therefore potentially could activate islet-specific T cells. Addition of pectin and xylan to an otherwise diabetes-retarding semisynthetic diet affected microbial colonization of newly-weaned NOD mice, disturbed gut homeostasis and promoted diabetes development. These results help us to understand how diet and microbiota impact the regulation of the gut immune system in a way that might promote T1D in NOD mice.

Panossyöttökasvatusprosessin automatisointi

Tutkimuskäyttöön tarkoitettujen rekombinanttiproteiinien tuottaminen fermentoimalla on yleinen menetelmä bioteollisuudessa. Mikrobit kasvatetaan fermentorissa, joka tarjoaa kontrolloidun kasvuympäristön ja sopivat tuotto-olosuhteet halutulle tuotteelle. Eräs fermentointimuodoista on korkeatuottoinen ja pitkäkestoinen panossyöttökasvatus, jossa saavutetaan panoskavatusta merkittävästi korkeampi solutiheys jatkamalla panosvaiheen jälkeen kasvua rajoittavan substraatin syöttöä. Laboratoriomittakaavassa fermentorikasvatusten tilavuudet vaihtelevat litrasta kymmeniin ja niissä kasvatusta seurataan sekä ohjataan joko fermentorista tai tietokoneesta. Tyypillisessä fermentointiprosessissa operaattori tarkkailee muun muassa vaahdonkorkeutta sekä käynnistää pumppuja olosuhteiden muuttuessa. Tällaiset tehtävät ovat teollisen mittakaavan laitteistoissa usein automatisoituja. Diplomityön tarkoituksena oli päivittää kahden Turun yliopiston biotekniikan laboratoriossa sijaitsevan BioFlo® -sarjan pöytäfermentorin MS-DOS -pohjainen tietokoneohjausohjelma nykyaikaiseksi ja lisätä siihen etäseuranta ja -ohjaus. Ohjelmaan oli tarkoitus liittää erillinen optinen solutiheysanturi, jonka lukemien häiriötä haluttiin myös vähentää signaalinkäsittelyllä. Lisäksi vaahdonestoaineen ja indusorin lisäykset haluttiin automatisoida panossyöttökasvatuksessa. Vaahdonkorkeuden havaitsemisen mahdollisuutta konenäön menetelmin haluttiin selvittää, jotta vaahdonestoaineen automaattiset lisäykset voitaisiin toteuttaa nettikameran syötteen perusteella. Koekasvatuksilla osoitettiin päivitetyn ohjausohjelman toimivan panos- ja panossyöttömuodoilla. Uuden käyttöliittymän avulla pystyttiin automatisoimaan panoskasvatuksen lisäykset ja syöttönopeuden muutokset sekä tunnistamaan kasvatusliuosten vaahdonkorkeutta vaahdonestoaineen lisäykseen riittävällä kahden senttimetrin tarkkuudella. Lisäksi käyttöliittymä mahdollisti kasvatuksen ohjauksen ja seurauksen myös etänä. Työssä kehitetty ohjausohjelma julkaistiin avoimena ohjelmana ilman etä- ja nettikameratoimintoja. Ohjelma toimii hyvin BioFlo® -sarjan fermentorien käyttöliittymänä, mutta avoimen lähdekoodin ansiosta kuka tahansa voi hyödyntää ohjelmaa pohjana myös uusissa projekteissa tai muissa fermentorimalleissa.