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.

Application of morphometry, static DNA ploidy analysis, and steroid receptor expression in diagnosis and prognosis of Libyan breast cancer

The aim of this study was to describe the demographic, clinicopathological, biological and morphometric features of Libyan breast cancer patients. The supporting value of nuclear morphometry and static image cytometry in the sensitivity for detecting breast cancer in conventional fine-needle aspiration biopsies were estimated. The findings were compared with findings in breast cancer in Finland and Nigeria. In addation, the value of ER and PR were evaluated. There were 131 histological samples, 41 cytological samples, and demographic and clinicopathological data from 234 Libyan patients. The Libyan breast cancer is dominantly premenopausal and in this feature it is similar to breast cancer in sub-Saharan Africans, but clearly different from breast cancer in Europeans, whose cancers are dominantly postmenopausal in character. At presention most Libyan patients have locally advanced disease, which is associated with poor survival rates. Nuclear morphometry and image DNA cytometry agree with earlier published data in the Finnish population and indicate that nuclear size and DNA analysis of nuclear content can be used to increase the cytological sensitivity and specificity in doubtful breast lesions, particularly when free cell sampling method is used. Combination of the morphometric data with earlier free cell data gave the following diagnostic guidelines: Range of overlap in free cell samples: 55 μm2 -71 μm2. Cut-off values for diagnostic purposes: Mean nuclear area (MNA) >54 μm2 for 100% detection of malignant cases (specificity 84 %), MNA < 72 μm2 for 100% detection of benign cases (sensitivity 91%). Histomorphometry showed a significant correlation between the MNA and most clinicopathological features, with the strongest association observed for histological grade (p <0.0001). MNA seems to be a prognosticator in Libyan breast cancer (Pearson’s test r = - 0.29, p = 0.019), but at lower level of significance than in the European material. A corresponding relationship was not found in shape-related morphometric features. ER and PR staining scores were in correlation with the clinical stage (p= 0.017, and 0.015, respectively), and also associated with lymph node negative patients (p=0.03, p=0.05, respectively). Receptor-positive (HR+) patients had a better survival. The fraction of HR+ cases among Libyan breast cancers is about the same as the fraction of positive cases in European breast cancer. The study suggests that also weak staining (corresponding to as few as 1% positive cells) has prognostic value. The prognostic significance may be associated with the practice to use antihormonal therapy in HR+ cases. The low survival and advanced presentation is associated with active cell proliferation, atypical nuclear morphology and aneuploid nuclear DNA content in Libyan breast cancer patients. The findings support the idea that breast cancer is not one type of disease, but should probably be classified into premenopausal and post menopausal types.

Nuclear morphometry, apoptotic and mitotic indices, and tubular differentiation in Libyan breast cancer

Aims of this study were to evaluate the relations of nuclear morphometry, mitotic and apoptotic indices, and tubular differentiation with clinicopathological features and survival rate in Libyan women. The data were compared with corresponding results on Finnish, and Nigerian female breast cancer patients. Histological samples of breast cancer (BC) from 131 patients were retrospectively studied. Mitotic activity indices (MAI and SMI), apoptotic index (AI), and fraction of fields with tubular differentiation (FTD) were estimated. Samples were also studied by computerized nuclear morphometry, such as mean nuclear area (MNA). Demographic and clinicopathological features were analyzed from 234 patients. The Libyan BC was dominantly premenopausal, and aggressive in behavior. There were statistically significant correlations between the mean nuclear area, fraction of fields with tubular differentiation, apoptotic index and proliferative indices, and most clinicopathological features. The highest significances were shown between lymph node status and the proliferative and apoptotic indices (p=0.003 with SMI, and p=0.005 with AI). There were significant associations between clinical stage and SMI and AI (p=0.002 and 0.009, respectively). The most significant associations with grade were observed with MNA and FTD (p<0.0001 and 0.001, respectively). The proliferative differences between Libyan, Nigerian and Finnish populations were prominent. These indices in Libyan were lower than in Nigerian, but higher than in Finnish patients. The Libyan patients’ AI is slightly higher than in Nigeria, but much higher than in Finland. The differences between countries may be associated with the known variation in the distribution of genetic markers in these populations. The results also indicated that morphometric factors can be reliable prognostic indicators in Libyan BC patients.