Immunopathogenesis of Asthma and Atopic Diseases – The specific Role of a selected Panel of Genes in human T helper Cell Differentiation

T helper cell (Th) functions are crucial for proper immune defence against various intra- and extracellular pathogens. According to the specific immune responses, Th cells can be classified into subtypes, Th1 and Th2 cells being the most frequently characterized classes. Th1 and Th2 cells interact with other immune cells by regulating their functions with specific cytokine production. IFN, IL-2 and TNF- are the cytokines predominantly produced by Th1 cells whereas Th2 cells produce Th2-type cytokines, such as IL-4, IL-5 and IL-13. Upon TCR activation and in the presence of polarizing cytokines, Th cells differentiate into effector subtypes from a common precursor cell. IFN and IL-12 are the predominant Th1 polarizing cytokines whereas IL-4 directs Th2 polarization. The cytokines mediate their effects through specific receptor signalling. The differentiation process is complex, involving various signalling molecules and routes, as well as functions of the specific transcription factors. The functions of the Th1/Th2 cells are tightly regulated; however, knowledge on human Th cell differentiation is, as yet, fairly poor. The susceptibility for many immune-mediated disorders often originates from disturbed Th cell responses. Thus, research is needed for defining the molecular mechanisms involved in the differentiation and balanced functions of the Th cells. Importantly, the new information obtained will be crucial for a better understanding of the pathogenesis of immune-mediated disorders, such as asthma or autoimmune diseases. In the first subproject of this thesis, the role of genetic polymorphisms in the human STAT6, GATA3 and STAT4 genes were investigated for asthma or atopy susceptibility in Finnish asthma families by association analysis. These genes code for key transcription factors regulating Th cell differentiation. The study resulted in the identification of a GATA3 haplotype that associated with asthma and related traits (high serum IgE level). In the second subproject, an optimized method for human primary T cell transfection and enrichment was established. The method can be utilized for functional studies for the selected genes of interest. The method was also utilized in the third subproject, which aimed at the identification of novel genes involved in early human Th cell polarization (0-48h) using genome-wide oligonucleotide arrays. As a result, numerous genes and ESTs with known or unknown functions were identified in the study. Using an shRNA knockdown approach, a panel of novel IL-4/STAT6 regulated genes were identified in the functional studies of the genes. Moreover, one of the genes, NDFIP2, with a previously uncharacterized role in the human Th differentiation, was observed to promote IFN production of the differentiated Th1 cells. Taken together, the results obtained have revealed potential new relevant candidate genes serving as a basis for further studies characterizing the detailed networks involved in the human Th cell differentiation as well as in the genetic susceptibility of Th-mediated immune disorders.

Vaiheohjatut antenniryhmät GSM-tukiasemissa

Diplomityön aiheena oli selvittää onko Suomessa GSM-tukiasemissa käytössä vaiheohjattuja antenniryhmiäja olisiko tällaisten antennien käyttöön kiinnostusta tai mitään es-teitä. Lähtökohtana tälle työlle oli ajatus GSM-tukiasema-antennista, jota voitaisiin kääntää tarpeen mukaan haluttuun suuntaan. Vaiheohjatut antenniryhmät mahdollistavat juuri tällaisen antennin keilan kääntämisen ja muokkaamisen elektronisesti, ilman kuluvia osia. Keilan muitakin ominaisuuksia voidaan säätää, kuten muotoa ja keilojen määrää. Nämä ominaisuudet mahdollistaisivat esimerkiksi ruuhkaisilla alueilla keilojen lisäämisen, jolloin alueen puhelujen välityskapasiteetti kasvaisi.Tarvittaessa voitaisiin myös keilan muotoa muuttaa. Esimerkiksi hätätilanteessasaadaan haluttu keila suunnattua tarkasti tietylle alueelle tai toiselle tukiasemalle ja näin varmistettua kuuluvuus. Myös huoltotoimenpiteet joissakin tapauksissa helpottuisivat. Etenkin vaikeakulkuisissa paikoissa sijaitsevien tukiasemien ensiapu, esimerkiksi antennin fyysisesti kääntyessä, voitaisiin hoitaa etänä kääntämällä pelkkää keilaa ja tässä tapauksessa kääntää antenni tukiaseman normaalin huollon yhteydessä. Suurimpia ongelmakohtia kyseisen tekniikan käyttöönotossa on ollut hinta, mutta muun muassa uusien valmistustekniikoiden avulla vaiheohjattujen antenniryhmien hintoja ollaan saatu pudotettua.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Matkapuhelimen puhelinmuistiopalvelimen tietorakenteiden ja lajittelualgoritmien analysointi ja suunnittelu

Puhelinmuistio on yksi matkapuhelimen käytetyimmistä ominaisuuksista. Puhelinmuistion tulee siksi olla kaikissa tilanteissa mahdollisimman nopeasti käytettävissä. Tämä edellyttää puhelinmuistiopalvelimelta tehokkaita tietorakenteita ja lajittelualgoritmeja. Nokian matkapuhelimissa puhelinmuistiopalvelin käyttää hakurakenteena järjestettyjä taulukoita. Työn tavoitteena oli kehittää puhelinmuistiopalvelimen hakutaulukoiden lajittelu mahdollisimman nopeaksi. Useita eri lajittelualgoritmeja vertailtiin ja niiden suoritusaikoja analysoitiin eri tilanteissa. Insertionsort-lajittelualgoritmin todettiin olevan nopein algoritmi lähes järjestyksessä olevien taulukoiden lajitteluun. Analyysin perusteella Quicksort-algoritmi lajittelee nopeimmin satunnaisessa järjestyksessä olevat taulukot. Quicksort-insertionsort –hybridialgoritmin havaittiin olevan paras lajittelualgoritmi puhelinmuistion lajitteluun. Sopivalla parametroinnilla tämä algoritmi on nopea satunnaisessa järjestyksessä olevalle aineistolle. Se kykenee hyödyntämään lajiteltavassa aineistossa valmiina olevaa järjestystä. Algoritmi ei kasvata merkittävästi muistinkulutusta. Uuden algoritmin ansiosta hakutaulukoiden lajittelu nopeutuu parhaimmillaan useita kymmeniä prosentteja.

A cell spot microarray method for high-throughput biology

High-throughput screening of cellular effects of RNA interference (RNAi) libraries is now being increasingly applied to explore the role of genes in specific cell biological processes and disease states. However, the technology is still limited to specialty laboratories, due to the requirements for robotic infrastructure, access to expensive reagent libraries, expertise in high-throughput screening assay development, standardization, data analysis and applications. In the future, alternative screening platforms will be required to expand functional large-scale experiments to include more RNAi constructs, allow combinatorial loss-of-function analyses (e.g. genegene or gene-drug interaction), gain-of-function screens, multi-parametric phenotypic readouts or comparative analysis of many different cell types. Such comprehensive perturbation of gene networks in cells will require a major increase in the flexibility of the screening platforms, throughput and reduction of costs. As an alternative for the conventional multi-well based high-throughput screening -platforms, here the development of a novel cell spot microarray method for production of high density siRNA reverse transfection arrays is described. The cell spot microarray platform is distinguished from the majority of other transfection cell microarray techniques by the spatially confined array layout that allow highly parallel screening of large-scale RNAi reagent libraries with assays otherwise difficult or not applicable to high-throughput screening. This study depicts the development of the cell spot microarray method along with biological application examples of high-content immunofluorescence and phenotype based cancer cell biological analyses focusing on the regulation of prostate cancer cell growth, maintenance of genomic integrity in breast cancer cells, and functional analysis of integrin protein-protein interactions in situ.

Operointialueen huomioiminen risteilylaivan sähkötaseessa

Kiristyvät päästörajoitukset ja muuttuvat säädökset ovat muokanneet laivanrakennusalaa energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään suuntaan. Energiatehokkuutta tutkitaan yksittäisistä laiteratkaisuista laivan operointitasolle asti. Tämä työ on tehty osana STX Finland Oy:n laivojen energiatehokkuuden tutkimusta. Työn tarkoituksena oli uudistaa laivojen sähkötaseen laskennassa käytettyjä kuormitustaulukoita ja kehittää operointialueen vaikutuksia huomioiva laskentamenetelmä. Uudistuksen taustalla oli tieto operointialueiden ympäristöolosuhteiden vaikutuksista sähkönkulutukseen ja työn tarkoituksena oli mahdollistaa suunnittelun myöhäisemmässä vaiheessa tehtävä operointialuekohtainen sähkönkulutustarkastelu. Sähkötaseen laskenta haluttiin vastaamaan enemmän todellista sähkönkulutusta. Aikaisemmin käytetystä mitoitusperusteisesta laskennasta haluttiin siirtyä todellisempien kuormien arviointiin laitteiden ja muuntajien turhan ylimitoituksen poistamiseksi. Kuormitustaulukoiden toimintaa yksinkertaistettiin ja taulukoista tehtiin helpommin mukautuvia, jotta erilaisten operointitilanteiden vertailu olisi mahdollista. Perinteisen taselaskennan rinnalle kehitettiin operointialueiden vaikutuksia huomioivat laskentataulukot. Uudet taulukot huomioivat komponenttien sähkönkulutuksen prosentuaalisen muutoksen operointialueittain sekä yksilöllisesti että kulutusryhmittäin. Laskentataulukoiden yhteyteen tehtiin kuvaajat havainnollistamaan alueittaisia kulutuseroja.

Upconverting diagnostics: Multiplex assays utilizing upconversion luminescence technology

Conventional diagnostics tests and technologies typically allow only a single analysis and result per test. The aim of this study was to propose robust and multiplex array-inwell test platforms based on oligonucleotide and protein arrays combining the advantages of simple instrumentation and upconverting phosphor (UCP) reporter technology. The UCPs are luminescent lanthanide-doped crystals that have a unique capability to convert infrared radiation into visible light. No autofluorescence is produced from the sample under infrared excitation enabling the development of highly sensitive assays. In this study, an oligonucleotide array-in-well hybridization assay was developed for the detection and genotyping of human adenoviruses. The study provided a verification of the advantages and potential of the UCP-based reporter technology in multiplex assays as well as anti-Stokes photoluminescence detection with a new anti- Stokes photoluminescence imager. The developed assay was technically improved and used to detect and genotype adenovirus types from clinical specimens. Based on the results of the epidemiological study, an outbreak of adenovirus type B03 was observed in the autumn of 2010. A quantitative array-in-well immunoassay was developed for three target analytes (prostate specific antigen, thyroid stimulating hormone, and luteinizing hormone). In this study, quantitative results were obtained for each analyte and the analytical sensitivities in buffer were in clinically relevant range. Another protein-based array-inwell assay was developed for multiplex serodiagnostics. The developed assay was able to detect parvovirus B19 IgG and adenovirus IgG antibodies simultaneously from serum samples according to reference assays. The study demonstrated that the UCPtechnology is a robust detection method for diverse multiplex imaging-based array-inwell assays.

Printed platforms for paper-based analytical applications

Paper-based analytical technologies enable quantitative and rapid analysis of analytes from various application areas including healthcare, environmental monitoring and food safety. Because paper is a planar, flexible and light weight substrate, the devices can be transported and disposed easily. Diagnostic devices are especially valuable in resourcelimited environments where diagnosis as well as monitoring of therapy can be made even without electricity by using e.g. colorimetric assays. On the other hand, platforms including printed electrodes can be coupled with hand-held readers. They enable electrochemical detection with improved reliability, sensitivity and selectivity compared with colorimetric assays. In this thesis, different roll-to-roll compatible printing technologies were utilized for the fabrication of low-cost paper-based sensor platforms. The platforms intended for colorimetric assays and microfluidics were fabricated by patterning the paper substrates with hydrophobic vinyl substituted polydimethylsiloxane (PDMS) -based ink. Depending on the barrier properties of the substrate, the ink either penetrates into the paper structure creating e.g. microfluidic channel structures or remains on the surface creating a 2D analog of a microplate. The printed PDMS can be cured by a roll-ro-roll compatible infrared (IR) sintering method. The performance of these platforms was studied by printing glucose oxidase-based ink on the PDMS-free reaction areas. The subsequent application of the glucose analyte changed the colour of the white reaction area to purple with the colour density and intensity depending on the concentration of the glucose solution. Printed electrochemical cell platforms were fabricated on paper substrates with appropriate barrier properties by inkjet-printing metal nanoparticle based inks and by IR sintering them into conducting electrodes. Printed PDMS arrays were used for directing the liquid analyte onto the predetermined spots on the electrodes. Various electrochemical measurements were carried out both with the bare electrodes and electrodes functionalized with e.g. self assembled monolayers. Electrochemical glucose sensor was selected as a proof-of-concept device to demonstrate the potential of the printed electronic platforms.

Minimizing Circulating Current in Parallel-Connected Photovoltaic Inverters

Parallel-connected photovoltaic inverters are required in large solar plants where it is not economically or technically reasonable to use a single inverter. Currently, parallel inverters require individual isolating transformers to cut the path for the circulating current. In this doctoral dissertation, the problem is approached by attempting to minimize the generated circulating current. The circulating current is a function of the generated common-mode voltages of the parallel inverters and can be minimized by synchronizing the inverters. The synchronization has previously been achieved by a communication link. However, in photovoltaic systems the inverters may be located far apart from each other. Thus, a control free of communication is desired. It is shown in this doctoral dissertation that the circulating current can also be obtained by a common-mode voltage measurement. A control method based on a short-time switching frequency transition is developed and tested with an actual photovoltaic environment of two parallel inverters connected to two 5 kW solar arrays. Controls based on the measurement of the circulating current and the common-mode voltage are generated and tested. A communication-free method of controlling the circulating current between parallelconnected inverters is developed and verified.