Lohjanjärven tilan kehittyminen ja siihen vaikuttaneet tekijät

English summary: The development of lake Lohjanjärvi and the factors affecting it

Assessment of In-House Natural Product and Synthetic Compound Libraries Based on In vitro Inhibition of Cholinesterases

The first line medication for mild to moderate Alzheimer s disease (AD) is based on cholinesterase inhibitors which prolong the effect of the neurotransmitter acetylcholine in cholinergic nerve synapses which relieves the symptoms of the disease. Implications of cholinesterases involvement in disease modifying processes has increased interest in this research area. The drug discovery and development process is a long and expensive process that takes on average 13.5 years and costs approximately 0.9 billion US dollars. Drug attritions in the clinical phases are common due to several reasons, e.g., poor bioavailability of compounds leading to low efficacy or toxic effects. Thus, improvements in the early drug discovery process are needed to create highly potent non-toxic compounds with predicted drug-like properties. Nature has been a good source for the discovery of new medicines accounting for around half of the new drugs approved to market during the last three decades. These compounds are direct isolates from the nature, their synthetic derivatives or natural mimics. Synthetic chemistry is an alternative way to produce compounds for drug discovery purposes. Both sources have pros and cons. The screening of new bioactive compounds in vitro is based on assaying compound libraries against targets. Assay set-up has to be adapted and validated for each screen to produce high quality data. Depending on the size of the library, miniaturization and automation are often requirements to reduce solvent and compound amounts and fasten the process. In this contribution, natural extract, natural pure compound and synthetic compound libraries were assessed as sources for new bioactive compounds. The libraries were screened primarily for acetylcholinesterase inhibitory effect and secondarily for butyrylcholinesterase inhibitory effect. To be able to screen the libraries, two assays were evaluated as screening tools and adapted to be compatible with special features of each library. The assays were validated to create high quality data. Cholinesterase inhibitors with various potencies and selectivity were found in natural product and synthetic compound libraries which indicates that the two sources complement each other. It is acknowledged that natural compounds differ structurally from compounds in synthetic compound libraries which further support the view of complementation especially if a high diversity of structures is the criterion for selection of compounds in a library.

The effects of organic environmental toxicants on hard tissue formation in developing tooth : An in vitro study in mice

Dioxins are organic toxicants that are known to impair tooth development, especially dental hard tissue formation. The most toxic dioxin congener is 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). Further, clinical studies suggest that maternal smoking during pregnancy can affect child s tooth development. One of the main components of tobacco smoke is the group of non-halogenated polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), a representative of which is 7,12-dimethylbenz[a]anthracene (DMBA). Tributyltin (TBT), an organic tin compound, has been shown to impair bone mineralization in experimental animals. In addition to exposure to organic toxicants, a well-established cause for enamel hypomineralization is excess fluoride intake. The principal aim of this thesis project was to examine in vitro if, in addition to dioxins, other organic environmental toxicants, like PAHs and organic tin compounds, have adverse effects on tooth development, specifically on formation and mineralization of the major dental hard tissues, the dentin and the enamel. The second aim was to investigate in vitro if fluoride could intensify the manifestation of the detrimental developmental dental effects elicited by TCDD. The study was conducted by culturing mandibular first and second molar tooth germs of E18 NMRI mouse embryos in a Trowell-type organ culture and exposing them to DMBA, TBT, and sodium fluoride (NaF) and/or TCDD at various concentrations during the secretory and mineralization stages of development. Specific methods used were HE-staining for studying cell and tissue morphology, BrdU-staining for cell proliferation, TUNEL-staining for apoptosis, and QPCR, in situ hybridization and immunohistochemistry for the expressions of selected genes associated with mineralization. This thesis work showed that DMBA, TBT, TCDD and NaF interfere with dentin and enamel formation of embryonic mouse tooth in vitro, and that fluoride can potentiate the harmful effect of TCDD. The results suggested that adverse effects of TBT involve altered expression of genes associated with mineralization, and that DMBA and TBT as well as NaF and TCDD together primarily affect dentin mineralization. Since amelogenesis does not start until mineralization of dentin begins, impaired enamel matrix secretion could be a secondary effect. Dioxins, PAHs and organotins are all liposoluble and can be transferred to the infant by breast-feeding. Since doses are usually very low, developmental toxicity on most of the organs is difficult to indentify clinically. However, tooth may act as an indicator of exposure, since the major dental hard tissues, the dentin and the enamel, are not replaced once they have been formed. Thus, disturbed dental hard tissue formation raises the question of more extensive developmental toxicity.

Pienten sokeriyhdisteiden eristäminen ja tunnistus kuusen solususpensioliuoksesta

Biologisesti aktiivisilla oligosakkarideilla on vaikutuksia kasvin kasvuun ja kehittymiseen. Tietyn tyyppiset oligosakkaridit voivat myös indusoida puolustusreaktion valikoivasti oligosakkaridista riippuen. Useat biologisesti aktiiviset oligosakkaridit on löydetty kasvien soluseinää keinotekoisesti hajottamalla. Pro gradu -tutkielman tarkoituksena oli karakterisoida kuusen (Picea abies) solukkolinjan A3/85 solususpensiokasvatukseen erittämiä oligosakkarideja. Kuusisolukko A3/85 on otollinen kandidaatti tutkimukseen, sillä sen on todettu erittävän solunulkoista ligniiniä suspensioliuokseen. Oligosakkarideja karakterisoitiin yhden ja neljän vuorokauden kasvatuksista. Alustan sokeripitoisuutta alennettiin neljän vuorokauden kasvatuksissa karakterisoinnin helpottamiseksi. Oligosakkaridien pitoisuudet voivat olla hyvin alhaisia, joten solujen tuottamia yhdisteitä seurattiin myös radioaktiivisen D-[U-14C]-glukoosin avulla. Kasvien soluseinässä yleiset glukuronihappo, galakturonihappo, ksyloosi, arabinoosi ja apioosi valmistetaan glukoosi-6-fosfaatista, joko myo-inositolihapetusreitin tai sokerihapetusreitin kautta. Lisäksi tutkittiin, muuttuuko radioaktiivisen leiman jakautuminen näytteissä, kun kasvatusliuoksessa on tai ei ole myo-inositolia. Kasvatusliuos fraktioitiin geelisuodatuskromatografialla. Fraktioiden sisältämät yhdisteet eroteltiin paperikromatografialla ja värjättiin hopeanitraatilla, aniliinivetyftalaatilla tai ninhydriinillä. Hopeanitraatti on hyödyllinen monosakkaridien, oligosakkaridien ja alditolien värjäyksessä. Radioaktiivisuuden kertymistä yhdisteisiin seurattiin nestetuikelaskimella ja autoradiografialla. Paperikromatografialla erotelluista yhdisteistä valittiin mielenkiintoiseksi koetut yhdisteet, jotka eristettiin preparatiivisella paperikromatografialla. Eristetyille yhdisteille tehtiin happohydrolysointi, borohydridikäsittely tai entsymaattinen Driselaasi -käsittely. Happohydrolysointi avaa sokeriyksiköiden väliset glykosidiset sidokset. Natriumborohydridipelkistys muuttaa oligosakkaridiketjun pelkistävän sokerin sokerialkoholiksi ja Driselaasi -käsittely avaa isoprimeveroosin Xyl-Į-(1ĺ6)-Glc -sidosta lukuun ottamatta muut glykosidiset sidokset. 14C-leima on jakautunut myo-inositolin kanssa kasvatetun näytteen fraktioinnissa vahvemmin suurimolekyylisiin yhdisteisiin, kun taas ilman myo-inositolia kasvatetussa näytteessä suurin aktiivisuus D-[U-14C]-glukoosin jälkeen on trisakkaridien alueella. Suspensioliuoksista analysoitiin useita oligosakkarideja polymerisaatioasteella 1-4. Analysoiduista yhdisteistä kolme sisälsivät ksyloosia, jota solut voivat syntetoida joko myo-inositolin hapetusreitin tai glukoosin hapetusreitin kautta. Myo-inositolin puuttuminen alustasta lisäsi näiden leimattujen yhdisteiden pitoisuutta. Alustan myo-inositoli ei ole radioaktiivista, joten myo-inositolihapetusreitin kautta valmistetut monosakkaridit eivät näy autoradiografiassa. Vaikuttaisi siis siltä, että myo-inositolihapetusreitti on aktiivinen ainakin, jos solukolle tarjotaan myo-inositolia. Lisätty myo-inositoli vähentää sokerihapetusreitin aktiivisuutta. Työn aikana onnistuttiin eristämään ja osittain tunnistamaan useita kuusen suspensioliuoksen yhdisteitä. Myo-inositolihapetusreitti todettiin aktiiviseksi solukkokasvatuksessa, kun ravintoalustassa on myo-inositolia.

Synthetic Modifications of Estrogens and Androgens

Estrogens the female sex hormones have numerous biological actions. Estradiol is the most abundant estrogen in women before menopause. It influences the development, maturation and function of the female reproductive tract. It also plays a role in mammary cancer. Accordingly determinations of estradiol level in body fluids assist in the evaluation of ovarian function and diagnosis for malignancies. Estriol is the primary estrogen in pregnant women and secreted from the fetoplacental unit. Measurement of estriol in maternal body fluids is the basis of fetoplacental monitoring test. Concentration of estrogens in body fluids is determined by immunoassay. Accuracy of this measurement depends on the availability of a specific antibody. As estrogens are not antigenic, their derivatives (haptens) are coupled with a carrier and this hapten-protein conjugate is used to generate antibodies. Specificity of the generated antibody largely depends on the structure of hapten. Therefore the synthesis of a hapten with a right structure is crucial for the accurate measurement of a steroid. We have synthesised new haptens for estradiol and estriol by adding an alkyl or alkoxy side chain at the C-7 of estrane skeleton. The side chains carry a terminal amino group, which can be used for conjugation with a carrier molecule. Estrogens and their biosynthetic precursor androgens both exist as fatty acid esters. They are known to act as hormone storage but their physiological role is not completely known yet. Our collaborator is studying their effect in cardiovascular diseases. We synthesised fatty acid ester derivatives of several steroids in high yield by a very rapid procedure (in 1 min) under microwave irradiation in an ionic liquid (IL). An expedient regioselective hydrolysis at C-3 of estradiol diesters is also reported. 8-Isoestrogens are compounds of pharmaceutical interests, their synthesis, structure, conformation and biological activity studies are ongoing. 7-Hydroxy-8-isoestradiol and 7-alkyl ether of it were synthesised as well. During this study we have developed a selective O-debenzylation method. A mild route for selective removal of benzylic protection on phenol in presence of benzyl protected alcohol was explored.

2,1,3-Bentsoksadiatsolirakenteiset molekyylit antibakteerisina ja antiparasiittisina yhdisteinä

Aikaisemman tutkimuksen perusteella tiedettiin tiettyjen 2,1,3-bentsoksadiatsolirakenteisten molekyylien olevan aktiivisia Chlamydia pneumoniae –bakteeria vastaan. Tutkimusta lähdettiin jatkamaan ja 2,1,3-bentsoksadiatsolimolekyylien rakenne-aktiivisuusuhteista haluttiin saada lisätietoa. Tarkoituksena oli kehittää 2,1,3-bentsoksadiatsolimolekyyleille ja sen avulla muodostaa molekyylikirjasto. Syntetisoidut molekyylit haluttiin testata sekä Chlamydia pneumoniae -bakteeria että Leishmania donovani –parasiittia vastaan. Chlamydia pneumoniae –bakteeri aiheuttaa akuutteja ylä- ja alahengitystieinfektiota, kuten keuhkoputkentulehdusta. Akuutissa tulehduksessa oireet vaihtelevat huomattavasti. Chlamydia pneumoniae –bakteerilla on myös taipumus aiheuttaa kroonisia tulehduksia. Nämä ovat useissa tutkimuksissa yhdistetty kansantaloudellisesti merkittäviin sairauksiin, kuten ateroskleroosiin ja astmaan. Leishmanioosi on toiseksi yleisin loissairaus ihmisellä malarian jälkeen. Leishmania donovani –parasiitti voi aiheuttaa tappavaa viskeraalista leishmanioosia. Vuodessa leishmanioosiin kuolee yli 50 000 ihmistä. Viime vuosina leishmanioosin lääkehoidossa on esiintynyt monenlaisia ongelmia. Osat lääkkeistä ovat menettäneet tehonsa ja osalla esiintyy vakavia haittavaikutuksia. 2,1,3-Bentsoksadiatsolirakenteisille yhdisteille saatiin kehitettyä toimiva synteesireitti. Lähtöaineena käytettiin 4-amino-2-nitrobentsoehappoa, josta saatiin hapettavalla renkaansulkeutumisreaktiolla 2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karboksyylihappoa. Karboksyylihaposta syntetisoitiin amidi-välituotteen kautta 2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karbonitriiliä. Hydroksyyliamiini hydrokloridin avulla 2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karbonitriilistä muodostettiin vastaavaa karboksimidamidia, joka oli synteesireitin yhteinen välituote kaikille molekyyleille. Viimeisessä vaiheessa N´-hydroksidi-2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karboksimidamidin annettiin reagoida joko fenyyli-isosyanaatin tai fenyyli-isotiosyanaatin kanssa, jolloin saatiin lopputuotetta. Synteesireitin kehittäminen osoittautui haastavaksi ja loppujen lopuksi saatiin ainoastaan kolme lopputuotetta syntetisoitua. Yksi lopputuotteista testattiin C. pneumoniae –bakteeria vastaan Åbo akademissa Turussa. Testattavaa yhdiste ei sisältänyt 2,1,3-bentsoksadiatsoliarengasta ja bioaktiivisuuskokeen tulos oli odotusten mukainen. Yhdiste ei ollut aktiivinen C. pneumoniae –bakteeria vastaan alhaisilla konsentraatioilla ja tuloksesta voitiin todeta 2,1,3-bentsoksadiatsolirengaan olevan tärkeä aktiivisuuden kannalta. Kaksi lopputuotetta saatiin testaukseen Leishamania donovani –parasiittia vastaan Israeliin. Ainoastaan toinen molekyyleistä sisälsi 2,1,3-bentsoksadiatsolirakenteen. Bioaktiivisuuskokeiden tulokset olivat erittäin rohkaisevia. Yhdisteet olivat aktiivisia parasiittia vastaan jo alhaisilla konsentraatioilla. Kuitenkin 2,1,3-bentsoksadiatsolirakenteinen molekyyli oli aktiivisempi, joten tämäkin aktiivisuuskokeen perusteella huomattiin rengasrakenteen olevan tärkeä aktiivisuuden kannalta.

Makrodomeeni-inhibiittorit antiviraalisina yhdisteinä

Alfavirukset ovat positiivissäkeisiä RNA-viruksia, jotka kuuluvat Togaviridea –heimoon. Alfaviruksia levittävät Aedes –suvun hyttyset ja niitä esiintyy Etelämanteretta lukuunottamatta kaikilla mantereilla. Alfaviruksia on tähän mennessä löydetty 29 lajia ja ne voidaan jakaa uuden ja vanhan maailman viruksiin niiden maantieteellisen esiintyvyyden ja taudinaiheuttamiskyvyn mukaan. Chikunkunyavirus (CHIKV) on yksi vanhan maailman alfaviruksista, jota esiintyy muun muassa Afrikassa ja Aasiassa. Ilmaston lämmettyä se on leviämässä myös eteläiseen Eurooppaan. Ihmisessä se aiheuttaa muun muassa kuumetta, päänsärkyä, ihottumaa ja niveltulehdusta, joka voi kestää useita vuosia ja ne voivat olla hyvinkin kivuliaita. Pienillä lapsilla chikungunya on todettu aiheuttavan myös neurologisia oireita kuten aivotulehdusta. Alfaviruksen genomi koodaa neljää rakenneproteiinia ja neljää replikaatioproteiinia. Replikaatioproteiineista nsP3 sisältää makrodomeeniosan. Makrodomeeniproteiinit ovat eliökunnassa konservoituneita, mutta makrodomeeniproteiinien tarkkaa merkitystä ei vielä tunneta. Makrodomeenien on osoitettu sitovan ADP-riboosia ja sen johdannaisia ja alfaviruksen nsP3-proteiinin on osoitettu olevan tärkeä osa viruksen replikaatiossa. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia makrodomeeniproteiiniin sitoutuvien yhdisteiden käyttöä antiviraalisena yhdisteinä. Tietokonemallinnuksella valittiin antiviraalitutkimuksiin 45 yhdistettä, joiden oletettiin sitoutuvan makrodomeeniproteiiniin. Kilpailevassa sitoutumiskokeessa viisi yhdistettä esti yli 50 % poly-ADP-riboosia (PAR) sitoutumasta MDO1-makrodomeeniproteiiniin, jolla tietokonemallinnus oli tehty. SFV-makrodomeeniproteiinilla tehdyssä kokeessa vain yksi yhdiste esti yli 50 % poly-ADP-riboosin sitoutumisen. SFV-antiviraalikokeessa seitsemällä yhdisteellä inhibitioprosentti oli yli 50 %. Näillä yhdisteillä ei kuitenkaan ollut merkittävää vaikutusta poly-ADP-riboosin sitoutumisen estossa. CHIKV-replikonikokeessa yli 50 % inhibitioprosentti oli viidellä yhdisteellä. Muiden mahdollisia vaikutusmekanismeja tutkittiin selvittämällä estävätkö yhdisteet virusta pääsemästä solun sisään. Tässä kokeessa tutkituista yhdisteistä lähes kaikilla oli vaikutusta viruksen soluun pääsyn estossa. Yleisesti ottaen kyky estää PAR:n sitoutuminen makrodomeeniproteiineihin ja antiviraaliset vaikutukset eivät korreloineet keskenään tutkittavilla yhdisteillä. Vaikka antiviraalista vaikutusta omaavat yhdisteet eivät osoittaneetkaan makrodomeeni-inhibiitiota, työssä löydettiin potentiaalisia antiviraalisia yhdisteitä joiden käyttö viruksen soluun pääsyn estäjinä antaa aihetta jatkotutkimuksille.

Berry phenolics: isolation, analysis, identification, and antioxidant properties

The main objectives in this thesis were to isolate and identify the phenolic compounds in wild (Sorbus aucuparia) and cultivated rowanberries, European cranberries (Vaccinium microcarpon), lingonberries (Vaccinium vitis-idaea), and cloudberries (Rubus chamaemorus), as well as to investigate the antioxidant activity of phenolics occurring in berries in food oxidation models. In addition, the storage stability of cloudberry ellagitannin isolate was studied. In wild and cultivated rowanberries, the main phenolic compounds were chlorogenic acids and neochlorogenic acids with increasing anthocyanin content depending on the crossing partners. The proanthocyanidin contents of cranberries and lingonberries were investigated, revealing that the lingonberry contained more rare A-type dimers than the European cranberry. The liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS) analysis of cloudberry ellagitannins showed that trimeric lambertianin C and sanguiin H-10 were the main ellagitannins. The berries, rich in different types of phenolic compounds including hydroxycinnamic acids, proanthocyanidins, and ellagitannins, showed antioxidant activity toward lipid oxidation in liposome and emulsion oxidation models. All the different rowanberry cultivars prevented lipid oxidation in the same way, in spite of the differences in their phenolic composition. In terms of liposomes, rowanberries were slightly more effective antioxidants than cranberry and lingonberry phenolics. Greater differences were found when comparing proanthocyanidin fractions. Proanthocyanidin dimers and trimers of both cranberries and lingonberries were most potent in inhibiting lipid oxidation. Antioxidant activities and antiradical capacities were also studied with hydroxycinnamic acid glycosides. The sinapic acid derivatives of the hydroxycinnamic acid glycosides were the most effective at preventing lipid oxidation in emulsions and liposomes and scavenging radicals in DPPH assay. In liposomes and emulsions, the formation of the secondary oxidation product, hexanal, was inhibited more than that of the primary oxidation product, conjugated diene hydroperoxides, by hydroxycinnamic acid derivatives. This indicates that they are principally chain-breaking antioxidants rather than metal chelators, although they possess chelating activity as well. The storage stability test of cloudberry ellagitannins was performed by storing ellagitannin isolate and ellagitannins encapsulated with maltodextrin at different relative vapor pressures. The storage stability was enhanced by the encapsulation when higher molecular weight maltodextrin was used. The best preservation was achieved when the capsules were stored at 0 or 33% relative vapor pressures. In addition, the antioxidant activities of encapsulated cloudberry extracts were followed during the storage period. Different storage conditions did not alter the antioxidant activity, even though changes in the ellagitannin contents were seen. The current results may be of use in improving the oxidative stability of food products by using berries as natural antioxidants.

Jäteveden kemiallisen puhdistuksen teoriaa. Jäteveden kemiallisia puhdistuskokeita ferrikloridilla ja kalkilla

Theory of chemical waste water treatment. Pilot plant tests on chemical precipitation with ferric chloride and lime.

Bioremediation of diesel oil contaminated soil and water

Diesel spills contaminate aquatic and terrestrial environments. To prevent the environmental and health risks, the remediation needs to be advanced. Bioremediation, i.e., degradation by microbes, is one of the suitable methods for cleaning diesel contamination. In monitored natural attenuation technique are natural processes in situ combined, including bioremediation, volatilization, sorption, dilution and dispersion. Soil bacteria are capable of adapting to degrade environmental pollutants, but in addition, some soil types may have indigenous bacteria that are naturally suitable for degradation. The objectives for this work were (1) to find a feasible and economical technique to remediate oil spilled into Baltic Sea water and (2) to bioremediate soil contaminated by diesel oil. Moreover, the aim was (3) to study the potential for natural attenuation and the indigenous bacteria in soil, and possible adaptation to degrade diesel hydrocarbons. In the aquatic environment, the study concentrated on diesel oil sorption to cotton grass fiber, a natural by-product of peat harvesting. The impact of diesel pollution was followed in bacteria, phytoplankton and mussels. In a terrestrial environment, the focus was to compare the methods of enhanced biodegradation (biostimulation and bioaugmentation), and to study natural attenuation of oil hydrocarbons in different soil types and the effect that a history of previous contamination may have on the bioremediation potential. (1) In the aquatic environment, rapid removal of diesel oil was significant for survival of tested species and thereby diversity maintained. Cotton grass not only absorbed the diesel but also benefited the bacterial growth by providing a large colonizable surface area and hence oil-microbe contact area. Therefore use of this method would enhance bioremediation of diesel spills. (2) Biostimulation enhances bioremediation, and (3) indigenous diesel-degrading bacteria are present in boreal environments, so microbial inocula are not always needed. In the terrestrial environment experiments, the combination of aeration and addition of slowly released nitrogen advanced the oil hydrocarbon degradation. Previous contamination of soil gives the bacterial community the potential for rapid adaptation and efficient degradation of the same type of contaminant. When the freshly contaminated site needs addition of diesel degraders, previously contaminated and remediated soil could be used as a bacterial inoculum. Another choice of inoculum could be conifer forest soil, which provides a plentiful population of degraders, and based on the present results, could be considered as a safe non-polluted inoculum. According to the findings in this thesis, bioremediation (microbial degradation) and monitored natural attenuation (microbial, physical and chemical degradation) are both suitable techniques for remediation of diesel-contaminated sites in Finland.