Molecular Background of Common Dyslipidemias

The leading cause of death in the Western world continues to be coronary heart disease (CHD). At the root of the disease process is dyslipidemia an aberration in the relevant amounts of circulating blood lipids. Cholesterol builds up in the arterial wall and following rupture of these plaques, myocardial infarction or stroke can occur. Heart disease runs in families and a number of hereditary forms are known. The leading cause of adult dyslipidemia presently however is overweight and obesity. This thesis work presents an investigation of the molecular genetics of common, hereditary dyslipidemia and the tightly related condition of obesity. Familial combined hyperlipidemia (FCHL) is the most common hereditary dyslipidemia in man with an estimated population prevalence of 1-6%. This complex disease is characterized by elevated levels of serum total cholesterol, triglycerides or both and is observed in about 20% of individuals with premature CHD. Our group identified the disease to be associated with genetic variation in the USF1 transcription factor gene. USF1 has a key role in regulating other genes that control lipid and glucose metabolism as well as the inflammatory response all central processes in the progression of atherosclerosis and CHD. The first two works of this thesis aimed at understanding how these USF1 variants result in increased disease risk. Among the many, non-coding single-nucleotide polymorphisms (SNPs) that associated with the disease, one was found to have a functional effect. The risk-enhancing allele of this SNP seems to eradicate the ability of the important hormone insulin to induce the expression of USF1 in peripheral tissues. The resultant changes in the expression of numerous USF1 target genes over time probably enhance and accelerate the atherogenic processes. Dyslipidemias often represent an outcome of obesity and in the final work of this thesis we wanted to address the metabolic pathways related to acquired obesity. It is recognized that active processes in adipose tissue play an important role in the development of dyslipidemia, insulin resistance and other pathological conditions associated with obesity. To minimize the confounding effects of genetic differences present in most human studies, we investigated a rare collection of identical twins that differed significantly in the amount of body fat. In the obese, but otherwise healthy young adults, several notable changes were observed. In addition to chronic inflammation, the adipose tissue of the obese co-twins was characterized by a marked (47%) decrease in amount of mitochondrial DNA (mtDNA) a change associated with mitochondrial dysfunction. The catabolism of branched chain amino acids (BCAAs) was identified as the most down-regulated process in the obese co-twins. A concordant increase in the serum level of these insulin secretagogues was identified. This hyperaminoacidemia may provide the feed-back signal from insulin resistant adipose tissue to the pancreas to ensure an appropriately augmented secretory response. The down regulation of BCAA catabolism correlated closely with liver fat accumulation and insulin. The single most up-regulated gene (5.9 fold) in the obese co-twins was osteopontin (SPP1) a cytokine involved in macrophage recruitment to adipose tissue. SPP1 is here implicated as an important player in the development of insulin resistance. These studies of exceptional study samples provide better understanding of the underlying pathology in common dyslipidemias and other obesity associated diseases important for future improvement of intervention strategies and treatments to combat atherosclerosis and coronary heart disease.

The epidemiology of severe Streptococcus pyogenes disease in Europe

Diseases caused by the Lancefield group A streptococcus, Streptococcus pyogenes, are amongst the most challenging to clinicians and public health specialists alike. Although severe infections caused by S. pyogenes are relatively uncommon, affecting around 3 per 100,000 of the population per annum in developed countries, the case fatality is high relative to many other infections. Despite a long scientific tradition of studying their occurrence and characteristics, many aspects of their epidemiology remain poorly understood, and potential control measures undefined. Epidemiological studies can play an important role in identifying host, pathogen and environmental factors associated with risk of disease, manifestation of particular syndromes or poor survival. This can be of value in targeting prevention activities, as well directing further basic research, potentially paving the way for the identification of novel therapeutic targets. The formation of a European network, Strep-EURO, provided an opportunity to explore epidemiological patterns across Europe. Funded by the Fifth Framework Programme of the European Commission s Directorate-General for Research (QLK2.CT.2002.01398), the Strep-EURO network was launched in September 2002. Twelve participants across eleven countries took part, led by the University of Lund in Sweden. Cases were defined as patients with S. pyogenes isolated from a normally sterile site, or non-sterile site in combination with clinical signs of streptococcal toxic shock syndrome (STSS). All participating countries undertook prospective enhanced surveillance between 1st January 2003 and 31st December 2004 to identify cases diagnosed during this period. A standardised surveillance dataset was defined, comprising demographic, clinical and risk factor information collected through a questionnaire. Isolates were collected by the national reference laboratories and characterised according to their M protein using conventional serological and emm gene typing. Descriptive statistics and multivariable analyses were undertaken to compare characteristics of cases between countries and identify factors associated with increased risk of death or development of STSS. Crude and age-adjusted rates of infection were calculated for each country where a catchment population could be defined. The project succeeded in establishing the first European surveillance network for severe S. pyogenes infections, with 5522 cases identified over the two years. Analysis of data gathered in the eleven countries yielded important new information on the epidemiology of severe S. pyogenes infections in Europe during the 2000s. Comprehensive epidemiological data on these infections were obtained for the first time from France, Greece and Romania. Incidence estimates identified a general north-south gradient, from high to low. Remarkably similar age-standardised rates were observed among the three Nordic participants, between 2.2 and 2.3 per 100,000 population. Rates in the UK were higher still, 2.9/100,000, elevated by an upsurge in drug injectors. Rates from these northern countries were reasonably close to those observed in the USA and Australia during this period. In contrast, rates of reports in the more central and southern countries (Czech Republic, Romania, Cyprus and Italy) were substantially lower, 0.3 to 1.5 per 100,000 population, a likely reflection of poorer uptake of microbiological diagnostic methods within these countries. Analysis of project data brought some new insights into risk factors for severe S. pyogenes infection, especially the importance of injecting drug users in the UK, with infections in this group fundamentally reshaping the epidemiology of these infections during this period. Several novel findings arose through this work, including the high degree of congruence in seasonal patterns between countries and the seasonal changes in case fatality rates. Elderly patients, those with compromised immune systems, those who developed STSS and those infected with an emm/M78, emm/M5, emm/M3 or emm/M1 were found to be most likely to die as a result of their infection, whereas those diagnosed with cellulitis, septic arthritis, puerperal sepsis or with non-focal infection were associated with low risk of death, as were infections occurring during October. Analysis of augmented data from the UK found use of NSAIDs to be significantly associated with development of STSS, adding further fuel to the debate surrounding the role of NSAIDs in the development of severe disease. As a largely community-acquired infection, occurring sporadically and diffusely throughout the population, opportunities for control of severe infections caused by S. pyogenes remain limited, primarily involving contact chemoprophylaxis where clusters arise. Analysis of UK Strep-EURO data were used to quantify the risk to household contacts of cases, forming the basis of national guidance on the management of infection. Vaccines currently under development could offer a more effective control programme in future. Surveillance of invasive infections caused by S. pyogenes is of considerable public health importance as a means of identifying long and short-term trends in incidence, allowing the need for, or impact of, public health measures to be evaluated. As a dynamic pathogen co-existing among a dynamic population, new opportunities for exploitation of its human host are likely to arise periodically, and as such continued monitoring remains essential.

Resistance Mechanisms of Non-Hodgkin Lymphomas against Rituximab Treatment

Rituximab, a monoclonal antibody against B-cell specific CD20 antigen, is used for the treatment of non-Hodgkin lymphomas (NHL) and chronic lymphatic leukemia. In combination with chemotherapeutics rituximab has remarkably improved the outcome of NHL patients, but a vast variation in the lengths of remissions remains and the outcome of individual patients is difficult to predict. This thesis has searched for an explanation for this by studying the effector mechanisms of rituximab and by comparing gene expression in lymphoma tissue samples of patients with long- and short-term survival. This work demonstrated that activation of complement (C) system is in vitro more efficient effector mechanism of rituximab than cellular mechanisms or apoptosis. Activation of the C system was also shown in vivo during rituximab treatment. However, intravenously administered rituximab could not enter the cerebrospinal fluid, and neither C activation nor removal of lymphoma cells was observed in central nervous system. In vitro cytotoxicity assays showed that rituximab-induced cell killing could be markedly improved with simultaneous neutralization of the C regulatory proteins CD46 (Membrane cofactor protein), CD55 (Decay-accelerating factor), and CD59 (protectin). In a retrospective study of follicular lymphoma (FL) patients, low lymphoma tissue mRNA expressions of CD59 and CD55 were associated with a good prognosis and in a progressive flow cytometry study high expression of CD20 relative to CD55 was correlated to a longer progression free survival. Gene expression profile analysis revealed that expression of certain often cell cycle, signal transduction or immune response related genes correlate with clinical outcome of FL patients. Emphasizing the role of tumor microenvironment the best differentiating genes Smad1 and EphA1 were demonstrated to be mainly expressed in the non-malignant cells of tumors. In conclusion, this thesis shows that activation of the C system is a clinically important effector mechanism of rituximab and that microenvironment factor in tumors and expression of C regulatory proteins affect markedly the efficacy of immunochemotherapy. This data can be used to identify more accurately the patients for whom immunochemotherapy is given. It may also be beneficial in development of rituximab-containing and other monoclonal antibody therapies against cancer.

Microarrays in Molecular Profiling of Ewing Sarcoma Family of Tumors and CDKN2A Aberrations

Background: The Ewing sarcoma family of tumors (ESFT) are rare but highly malignant neoplasms that occur mainly in bone or but also in soft tissue. ESFT affects patients typically in their second decade of life, whereby children and adolescents bear the heaviest incidence burden. Despite recent advances in the clinical management of ESFT patients, their prognosis and survival are still disappointingly poor, especially in cases with metastasis. No targeted therapy for ESFT patients is currently available. Moreover, based merely on current clinical and biological characteristics, accurate classification of ESFT patients often fails at the time of diagnosis. Therefore, there is a constant need for novel molecular biomarkers to be applied in tandem with conventional parameters to further intensify ESFT risk-stratification and treatment selection, and ultimately to develop novel targeted therapies. In this context, a greater understanding of the genetics and immune characteristics of ESFT is needed. Aims: This study sought to open novel insights into gene copy number changes and gene expression in ESFT and, further, to enlighten the role of inflammation in ESFT. For this purpose, microarrays were used to provide gene-level information on a genomewide scale. In addition, this study focused on screening of 9p21.3 deletion sizes and frequencies in ESFT and, in another pediatric cancer, acute lymphocytic leukemia (ALL), in order to define more exact criteria for highrisk patient selection and to provide data for developing a more reliable diagnostic method to detect CDKN2A deletions. Results: In study I, 20 novel ESFT-associated suppressor genes and oncogenes were pinpointed using combined array CGH and expression analysis. In addition, interesting chromosomal rearrangements were identified: (1) Duplication of derivative chromosome der(22)(11;22) was detected in three ESFT patients. This duplication included the EWSR1-FLI1 fusion gene leading to increase in its copy number; (2) Cryptic amplifications on chromosomes 20 and 22 were detected, suggesting a novel translocation between chromosomes 20 and 22, which most probably produces a fusion between EWSR1 and NFATC2. In study II, bioinformatic analysis of ESFT expression profiles showed that inflammatory gene activation is detectable in ESFT patient samples and that the activation is characterized by macrophage gene expression. Most interestingly, ESFT patient samples were shown to express certain inflammatory genes that were prognostically significant. High local expression of C5 and JAK1 at the tumor site was shown to associate with favorable clinical outcome, whereas high local expression of IL8 was shown to be detrimental. Studies III and IV showed that the smallest overlapping region of deletion in 9p21.3 includes CDKN2A in all cases and that the length of this region is 12.2 kb in both Ewing sarcoma and ALL. Furthermore, our results showed that the most widely used commercial CDKN2A FISH probe creates false negative results in the narrowest microdeletion cases (<190 kb). Therefore, more accurate methods should be developed for the detection of deletions in the CDKN2A locus. Conclusions: This study provides novel insights into the genetic changes involved in the biology of ESFT, in the interaction between ESFT cells and immune system, and in the inactivation of CDKN2A. Novel ESFT biomarker genes identified in this study serve as a useful resource for future studies and in developing novel therapeutic strategies to improve the survival of patients with ESFT.

Novel prognostic factors in chronic myeloid leukemia

Chronic myeloid leukemia (CML) is a malignant clonal blood disease that originates from a pluripotent hematopoietic stem cell. The cytogenetic hallmark of CML, the Philadelphia chromosome (Ph), is formed as a result of reciprocal translocation between chromosomes 9 and 22, which leads to a formation of a chimeric BCR-ABL fusion gene. The BCR-ABL protein is a constitutively active tyrosine kinase that changes the adhesion properties of cells, constitutively activates mitogenic signaling, enhances cell proliferation and reduces apoptosis. This results in leukemic growth and the clinical disease, CML. With the advent of targeted therapies against the BCR-ABL fusion protein, the treatment of CML has changed considerably during the recent decade. In this thesis, the clinical significance of different diagnostic methods and new prognostic factors in CML have been assessed. First, the association between two different methods for measuring CML disease burden (the RQ-PCR and the high mitotic index metaphase FISH) was assessed in bone marrow and peripheral blood samples. The correlation between positive RQ-PCR and metaphase FISH samples was high. However, RQ-PCR was more sensitive and yielded measurable transcripts in 40% of the samples that were negative by metaphase FISH. The study established a laboratory-specific conversion factor for setting up the International Scale when standardizing RQ-PCR measurements. Secondly, the amount of minimal residual disease (MRD) after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (alloHSCT) was determined. For this, metaphase FISH was done for the bone marrow samples of 102 CML patients. Most (68%), had no residual cells during the entire follow-up time. Some (12 %) patients had minor (<1%) MRD which decreased even further with time, whereas 19% had a progressive rise in MRD that exceeded 1% or had more than 1% residual cells when first detected. Residual cells did not become eradicated spontaneously if the frequency of Ph+ cells exceeded 1% during follow-up. Next, the impact of deletions in the derivative chromosome 9, was examined. Deletions were observed in 15% of the CML patients who later received alloHSCT. After alloHSCT, there was no difference in the total relapse rate in patients with or without deletions. Nor did the estimates of overall survival, transplant-related mortality, leukemia-free survival and relapse-free time show any difference between these groups. When conventional treatment regimens are used, the der(9) status could be an important criterion, in conjunction with other prognostic factors, when allogeneic transplantation is considered. The significance of der(9) deletions for patients treated with tyrosine kinase inhibitors is not clear and requires further investigation. In addition to the der(9) status of the patient, the significance of bone marrow lymphocytosis as a prognostic factor in CML was assessed. Bone marrow lymphocytosis during imatinib therapy was a positive predictive factor and heralded optimal response. When combined with major cytogenetic response at three months of treatment, bone marrow lymphocytosis predicted a prognostically important major molecular response at 18 months of imatinib treatment. Although the validation of these findings is warranted, the determination of the bone marrow lymphocyte count could be included in the evaluation of early response to imatinib treatment already now. Finally, BCR-ABL kinase domain mutations were studied in CML patients resistant against imatinib treatment. Point mutations detected in the kinase domain were the same as previously reported, but other sequence variants, e.g. deletions or exon splicing, were also found. The clinical significance of the other variations remains to be determined.

Helicobacter pylori in Vammala, Finland: seroepidemiological studies and a population-based ‘screen-and-treat’ programme

Helicobacter pylorin (helikobakteeri) tartunta saadaan yleensä lapsena ja tauti jää tavallisesti pysyväksi ilman täsmähoitoa. Onnistunut hoito parantaa pysyvästi helikobakteerista aiheutuvan mahan haavataudin ja näyttää ehkäisevän mahalaukun pahanlaatuisten muutosten kehittymistä. Aloitimme Vammalassa terveyskeskuksessa toteutetun kansainvälisesti ainutlaatuisen väestöpohjaisen helikobakteeritulehduksen seulonta- ja hoito-ohjelman pilottitutkimuksella 1994. 1996 kaikki 15-40-vuotiaat ja 1997-2000 15- ja 45-vuotiaat vammalalaiset kutsuttiin verinäyteseulontaan. Yhteensä 4626 henkilöä (75% kutsutuista) osallistui seulontaan. Vasta-ainepositiivisille tarjottiin helikobakteeritulehduksen lopettava lääkekuuri. Toiminnan seurauksena helikobakteeritulehduksen esiintyvyyden laskettiin vähentyneen 12%:sta 4%:iin 15-40-vuotiaiden ikäryhmässä. Tutkimme myös helikobakteerivasta-ainepositiivisten ja -negatiivisten eroja sekä helikobakteeritulehduksen riskitekijöitä kyselytutkimuksella. Lapsuudenkodin asumisahtauden, äidin matalan koulutusasteen, tupakoinnin, alkoholinkäytön, huonojen asunto-olojen ja ylävatsavaivoista johtuvien sairauslomien todettiin liittyvän helikobakteeritulehdukseen monimuuttuja-analyysissa. Tutkimme seulontaohjelmassa käyttämiemme IgG- ja IgA-luokan helikobakteeri-vasta-ainetestien luotettavuutta eri ikäryhmissä ottaen huomioon atrofisen gastriitin esiintyvyyden. 561 kliinisin perustein gastroskopoidun potilaan aineistossa IgG-testi osoittautui erittäin herkäksi kaikissa ikäryhmissä (99%). Tarkkuus oli myös vanhemmissa ikäryhmissä hyvä (97-93%), kun atrofista gastriittia sairastavat suljettiin pois. IgA- ja CagA-helikobakteerivasta-aineiden on todettu liittyvän lisääntyneeseen mahahaava- ja mahasyöpäriskiin. Analysoimme 560 henkilön pariseeruminäytteet, jotka oli otettu kahden vuosikymmenen välein, ja totesimme, että IgA-vasta-aineiden esiintyvyyden lisääntyyminen iän myötä johtuu paitsi syntymäajankohdasta ja uusista infektioista myös IgA-vasta-ainetasojen kohoamisesta helikobakteeritulehduksen aikana. Selvitimme myös CagA-vasta-ainetasojen muuttumista analysoimalla seeruminäytteet, jotka oli otettu kahden vuosikymmenen välein. Totesimme, että samanaikaisesti kun helikobakteerin esiintyvyys väestössä on alentunut, erityisesti CagA-positiiviset infektiot ovat vähentyneet. Tutkimuksemme osoittaa, että Suomessa terveyskeskuksen yhteydessä voidaan toteuttaa näin laajamittainen seulonta- ja hoito-ohjelma, johon suomalaiset osallistuvat aktiivisesti. Nähtäväksi jää, kuinka paljon ohjelma kykeni vähentämään helikobakteeritulehdukseen liittyviä myöhäisseuraamuksia.

Silvicultural decisions based on simulation-optimization systems

Forest management is facing new challenges under climate change. By adjusting thinning regimes, conventional forest management can be adapted to various objectives of utilization of forest resources, such as wood quality, forest bioenergy, and carbon sequestration. This thesis aims to develop and apply a simulation-optimization system as a tool for an interdisciplinary understanding of the interactions between wood science, forest ecology, and forest economics. In this thesis, the OptiFor software was developed for forest resources management. The OptiFor simulation-optimization system integrated the process-based growth model PipeQual, wood quality models, biomass production and carbon emission models, as well as energy wood and commercial logging models into a single optimization model. Osyczka s direct and random search algorithm was employed to identify optimal values for a set of decision variables. The numerical studies in this thesis broadened our current knowledge and understanding of the relationships between wood science, forest ecology, and forest economics. The results for timber production show that optimal thinning regimes depend on site quality and initial stand characteristics. Taking wood properties into account, our results show that increasing the intensity of thinning resulted in lower wood density and shorter fibers. The addition of nutrients accelerated volume growth, but lowered wood quality for Norway spruce. Integrating energy wood harvesting into conventional forest management showed that conventional forest management without energy wood harvesting was still superior in sparse stands of Scots pine. Energy wood from pre-commercial thinning turned out to be optimal for dense stands. When carbon balance is taken into account, our results show that changing carbon assessment methods leads to very different optimal thinning regimes and average carbon stocks. Raising the carbon price resulted in longer rotations and a higher mean annual increment, as well as a significantly higher average carbon stock over the rotation.

Bat habitat requirements : implications for land use planning

Knowledge of the habitat requirements of bat species is needed in decision making in land use planning. Bats' hibernation requirements were studied both in Estonia and in southern Finland. In both countries, the northern bat and the brown long-eared bat hibernated in colder and drier locations, whereas Daubenton's bat and Brandt's/whiskered bats hibernated in warmer and more humid locations. In Estonia, the pond bat hibernated in the warmest and most humid conditions, whereas Natterer's bat hibernated in the coldest and driest conditions. Hibernacula were at their coldest in mid-season and became warmer towards the end of the season. The results suggest that bats made an active choice of colder hibernation temperatures at the seasons end. They minimised the negative effects of hibernation early in the hibernation season by hibernating in warmer locations and energy expenditure late in the hibernation season by hibernating in colder locations. The use of foraging habitats was studied in northern and southern Finland. The northern bat used foraging sites opportunistically. Daubenton's bat foraged mainly in water habitats, whereas Brandt's/whiskered bats and the brown long-eared bat foraged mainly in forest habitats. In northern Finland, Daubenton's bats foraged almost exclusively on rivers and typically together with the northern bat. Daubenton's bats and Brandt's/whiskered bats were found only where there were lower ambient light levels. One of the most important things in the management of foraging areas for them is to keep them shady. Hibernacula in Finland typically housed few bats, suggesting that hibernation sites used by even a small number of bats are important. Bats typically used natural stone for hibernation suggesting that natural underground sites in rocks or cliffs or man-made underground sites built using natural stone are important for them. The results suggest that appropriate timing of surveys may vary according to the species and latitude.

Automatic Lameness Detection in a Milking Robot : Instrumentation, measurement software, algorithms for data analysis and a neural network model

The aim of this thesis is to develop a fully automatic lameness detection system that operates in a milking robot. The instrumentation, measurement software, algorithms for data analysis and a neural network model for lameness detection were developed. Automatic milking has become a common practice in dairy husbandry, and in the year 2006 about 4000 farms worldwide used over 6000 milking robots. There is a worldwide movement with the objective of fully automating every process from feeding to milking. Increase in automation is a consequence of increasing farm sizes, the demand for more efficient production and the growth of labour costs. As the level of automation increases, the time that the cattle keeper uses for monitoring animals often decreases. This has created a need for systems for automatically monitoring the health of farm animals. The popularity of milking robots also offers a new and unique possibility to monitor animals in a single confined space up to four times daily. Lameness is a crucial welfare issue in the modern dairy industry. Limb disorders cause serious welfare, health and economic problems especially in loose housing of cattle. Lameness causes losses in milk production and leads to early culling of animals. These costs could be reduced with early identification and treatment. At present, only a few methods for automatically detecting lameness have been developed, and the most common methods used for lameness detection and assessment are various visual locomotion scoring systems. The problem with locomotion scoring is that it needs experience to be conducted properly, it is labour intensive as an on-farm method and the results are subjective. A four balance system for measuring the leg load distribution of dairy cows during milking in order to detect lameness was developed and set up in the University of Helsinki Research farm Suitia. The leg weights of 73 cows were successfully recorded during almost 10,000 robotic milkings over a period of 5 months. The cows were locomotion scored weekly, and the lame cows were inspected clinically for hoof lesions. Unsuccessful measurements, caused by cows standing outside the balances, were removed from the data with a special algorithm, and the mean leg loads and the number of kicks during milking was calculated. In order to develop an expert system to automatically detect lameness cases, a model was needed. A probabilistic neural network (PNN) classifier model was chosen for the task. The data was divided in two parts and 5,074 measurements from 37 cows were used to train the model. The operation of the model was evaluated for its ability to detect lameness in the validating dataset, which had 4,868 measurements from 36 cows. The model was able to classify 96% of the measurements correctly as sound or lame cows, and 100% of the lameness cases in the validation data were identified. The number of measurements causing false alarms was 1.1%. The developed model has the potential to be used for on-farm decision support and can be used in a real-time lameness monitoring system.

Options for selecting dairy cattle for milk coagulation ability

Lypsylehmien maidon juoksettumiskyvyn jalostuskeinot Väitöskirjassa tutkittiin lypsylehmien maidon juustonvalmistuslaadun parantamista jalostusvalinnan avulla. Tutkimusaihe on tärkeä, sillä yhä suurempi osa maidosta käytetään juustonvalmistukseen. Tutkimuksen kohteena oli maidon juoksettumiskyky, sillä se on yksi keskeisistä juustomäärään vaikuttavista tekijöistä. Maidon juoksettumiskyky vaihteli huomattavasti lehmien, sonnien, karjojen, rotujen ja lypsykauden vaiheiden välillä. Vaikka tankkimaidon juoksettumiskyvyssä olikin suuria eroja karjoittain, karja selitti vain pienen osan juoksettumiskyvyn kokonaisvaihtelusta. Todennäköisesti perinnölliset erot lehmien välillä selittävät suurimman osan karjojen tankkimaitojen juoksettumiskyvyssä havaituista eroista. Hyvä hoito ja ruokinta vähensivät kuitenkin jossain määrin huonosti juoksettuvien tankkimaitojen osuutta karjoissa. Holstein-friisiläiset lehmät olivat juoksettumiskyvyltään ayrshire-rotuisia lehmiä parempia. Huono juoksettuminen ja juoksettumattomuus oli vain vähäinen ongelma holstein-friisiläisillä (10 %), kun taas kolmannes ayrshire-lehmistä tuotti huonosti juoksettuvaa tai juoksettumatonta maitoa. Maitoa sanotaan huonosti juoksettuvaksi silloin, kun juustomassa ei ole riittävän kiinteää leikattavaksi puolen tunnin kuluttua juoksetteen lisäyksestä. Juoksettumattomaksi määriteltävä maito ei saostu lainkaan puolen tunnin aikana ja on siksi erittäin huonoa raaka-ainetta juustomeijereille. Noin 40 % lehmien välisistä eroista maidon juoksettumiskyvyssä selittyi perinnöllisillä tekijöillä. Juoksettumiskykyä voikin sanoa hyvin periytyväksi ominaisuudeksi. Kolme mittauskertaa lehmää kohti riittää varsin hyvin lehmän maidon keskimääräisen juoksettumiskyvyn arvioimiseen. Tällä hetkellä juoksettumiskyvyn suoran jalostamisen ongelmana on kuitenkin automatisoidun, laajamittaiseen käyttöön soveltuvan mittalaitteen puute. Tämän takia väitöskirjassa tutkittiin mahdollisuuksia jalostaa maidon juoksettumiskykyä epäsuorasti, jonkin toisen ominaisuuden kautta. Tällaisen ominaisuuden pitää olla kyllin voimakkaasti perinnöllisesti kytkeytynyt juoksettumiskykyyn, jotta jalostus olisi mahdollista sen avulla. Tutkittavat ominaisuudet olivat sonnien kokonaisjalostusarvossa jo mukana olevat maitotuotos ja utareterveyteen liittyvät ominaisuudet sekä kokonaisjalostusarvoon kuulumattomat maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuus sekä maidon pH. Väitöskirjassa tutkittiin myös mahdollisuuksia ns. merkkiavusteiseen valintaan tutkimalla maidon juoksettumattomuuden perinnöllisyyttä ja kartoittamalla siihen liittyvät kromosomialueet. Tutkimuksen tulosten perusteella lehmien utareterveyden jalostaminen parantaa jonkin verran myös maidon juoksettumiskykyä sekä vähentää juoksettumattomuutta ayrshire-rotuisilla lehmillä. Lehmien maitotuotos ja maidon juoksettumiskyky sekä juoksettumattomuus ovat sen sijaan perinnöllisesti toisistaan riippumattomia ominaisuuksia. Myöskin maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuuden perinnöllinen yhteys juoksettumiskykyyn oli likimain nolla. Maidon pH:n ja juoksettumiskyvyn välillä oli melko voimakas perinnöllinen yhteys, joten maidon pH:n jalostaminen parantaisi myös maidon juoksettumiskykyä. Todennäköisesti sen jalostaminen ei kuitenkaan vähentäisi juoksettumatonta maitoa tuottavien lehmien määrää. Koska maidon juoksettumattomuus on niin yleinen ongelma suomalaisilla ayrshire-lehmillä, väitöksessä selvitettiin tarkemmin ilmiön taustoja. Kaikissa kolmessa tutkimusaineistoissa noin 10 % ayrshire-lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa. Kahden vuoden kuukausittaisen seurannan aikana osa lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa lähes joka mittauskerralla. Maidon juoksettumattomuus oli yhteydessä lypsykauden vaiheeseen, mutta mikään ympäristötekijöistä ei pystynyt täysin selittämään sitä. Sen sijaan viitteet sen periytyvyydestä vahvistuivat tutkimusten edetessä. Lopuksi tutkimusryhmä onnistui kartoittamaan juoksettumattomuutta aiheuttavat kromosomialueet kromosomeihin 2 ja 18, lähelle DNA-merkkejä BMS1126 ja BMS1355. Tulosten perusteella maidon juoksettumattomuus ei ole yhteydessä maidon juoksettumistapahtumassa keskeisiin kaseiinigeeneihin. Sen sijaan on mahdollista, että juoksettumattomuusongelman aiheuttavat kaseiinigeenien syntetisoinnin jälkeisessä muokkauksessa tapahtuvat virheet. Asia vaatii kuitenkin perusteellista tutkimista. Väitöksen tulosten perusteella maidon juoksettumattomuusgeeniä kantavien eläinten karsiminen jalostuseläinten joukosta olisi tehokkain tapa jalostaa maidon juoksettumiskykyä suomalaisessa lypsykarjapopulaatiossa.

Rearing strategies of young dairy calves in relation to production, behaviour and welfare

Vasikoiden kasvatus yksilökarsinoissa, imemismahdollisuuden puute maitojuoton yhteydessä sekä pienet juomamäärät ovat tekijöitä, jotka mahdollisesti voivat vähentää vasikoiden hyvinvointia. Vasikoiden kasvatukseen etsitäänkin uusia tapoja, joissa eläinten käyttäytymistarpeet ja hyvinvointi otetaan entistä paremmin huomioon. Tässä väitöskirjassa vasikoiden kasvatusta on tarkasteltu sekä tuotannon että vasikoiden käyttäytymisen ja hyvinvoinnin kannalta. Väitöskirja koostuu kolmesta kokeesta, joista ensimmäisessä tutkittiin vasikoiden kasvatusta ryhmäkarsinoissa ulkona tai sisällä ja vasikoiden kasvatusta sisällä ryhmä- tai yksilökarsinoissa. Toisessa kokeessa vasikoiden annettiin imeä emiään rajoitetusti lypsyn jälkeen viiden tai kahdeksan viikon ajan ja kolmannessa selvitettiin vasikoiden veden juontia, kun vasikat saivat juomarehua vapaasti. Lisäksi kokeiden yhdistetystä aineistosta analysoitiin eri rehujen syöntimäärien suhdetta sekä rehujen vaikutusta kasvuun ennen ja jälkeen maidosta vieroituksen. Tutkimuksessa todettiin, että vasikoita voi ryhmässä kasvattaa kylmissä ja vaihtelevissa sääoloissa ulkona, kunhan ne hoidetaan ja ruokitaan erittäin huolellisesti. Kylmällä ilmalla vasikat saattavat kuitenkin syödä väkirehua vähemmän varsinkin, jos ruokailupaikka on ulkona ja makuualue sisällä. Ryhmässä kasvaneet vasikat aloittivat sekä kuivien rehujen syönnin että märehtimisen nuorempina kuin yksilökarsinassa kasvaneet. Ryhmissä esiintyvää käyttäytymisongelmaa, toisten vasikoiden imemistä, voidaan vähentää hoito- ja ruokintamenetelmillä. Annettaessa vasikoiden imeä emiään rajoitetusti lypsyn jälkeen vasikat oppivat imemään emiään hyvin nopeasti. Lypsytyö vaikeutui muutamien lehmien kohdalla, sillä ne pidättivät maitoa lypsettäessä. Saadessaan imeä rajoitetusti vasikat imivät suurehkoja maitomääriä kerrallaan. Vieroittaminen suurilta maitomääriltä viiden viikon iässä oli kuitenkin liian aikaista, koska vasikat eivät vielä syöneet riittävästi kuivia rehuja. Vieroitus emästä niin viiden kuin kahdeksankin viikon iässä aiheutti vasikoissa levottomuutta ja ääntelyn lisääntymistä. Saadessaan hapatettua juomarehua vapaasti vasikat joivat keskimäärin vain vähän vettä, olipa vesilähteenä avoin ämpäri tai vesinippa. Vasikoiden välillä oli suurta vaihtelua veden juontimäärissä. Viikkoa ennen maidosta vieroitusta vasikat joivat 0-3 l vettä päivässä. Vasikat joivat nipasta kerrallaan vähemmän vettä kuin ämpäristä, ja käyttivät enemmän aikaa päivässä veden juomiseen kuin vesiämpäristä juoneet vasikat. Suurin osa vasikoista joi vettä juomanipoista erikoisella tavalla esimerkiksi painamalla nippaa otsalla ja juomalla tippuvaa vettä. Vesinipat voivat olla siis vasikoille joko vaikeita tai epämukavia käyttää. Vasikoiden juoman maitomäärän lisääntyessä kasvu lisääntyy selvästi. Runsas maidon juominen vähentää kuitenkin kuivien rehujen syöntiä ja vieroitusvaiheessa kasvu voi hidastua. Vasikat olisikin tärkeää vieroittaa vähitellen, ettei muutoksia kasvuun tulisi. Syönti- ja kasvutulokset eivät aina anna oikeaa kuvaa kasvatusmenetelmien eroista eläinten hyvinvoinnin kannalta. Käyttäytyminen on herkkä hyvinvoinnin mittari ja se tulisikin aina huomioida eri kasvatusmenetelmiä arvioitaessa. .

Nutrition and Nutritional Care of Elderly People in Finnish Nursing Homes and Hospitals

Background: Malnutrition is a common problem for residents of nursing homes and long-term care hospitals. It has a negative influence on elderly residents and patients health and quality of life. Nutritional care seems to have a positive effect on elderly individuals nutritional status and well-being. Studies of Finnish elderly people s nutrition and nutritional care in institutions are scarce. Objectives: The primary aim was to investigate the nutritional status and its associated factors of elderly nursing home residents and long-term care patients in Finland. In particular, to find out, if the nursing or nutritional care factors are associated with the nutritional status, and how do carers and nurses recognize malnutrition. A further aim was to assess the energy and nutrient intake of the residents of dementia wards. A final objective was to find out, if the nutrition training of professionals leads to changes in their knowledge and further translate into better nutrition for the aged residents of dementia wards. Subjects and methods: The residents (n=2114) and patients (n=1043) nutritional status was assessed in all studies using the Mini Nutritional Assessment test (MNA). Information was gathered in a questionnaire on residents and patients daily routines providing nutritional care. Residents energy and nutrient intake (n=23; n=21) in dementia wards were determined over three days by the precise weighing method. Constructive learning theory was the basis for educating the professionals (n=28). A half-structured questionnaire was used to assess professionals learning. Studies I-IV were cross-sectional studies whereas study V was an intervention study. Results: Malnutrition was common among elderly residents and patients living in nursing homes and hospitals in Finland. According to the MNA, 11% to 57% of the studied elderly people suffered from malnutrition, and 40-89% were at risk of malnutrition, whereas only 0-16% had a good nutritional status. Resident- and patient-related factors such as dementia, impaired ADL (Activities of Daily Living), swallowing difficulties and constipation mainly explained the malnutrition, but also some nutritional care related factors, such as eating less than half of the offered food portion and not receiving snacks were also related to malnutrition. The intake of energy and some nutrients by the residents of dementia wards were lower than those recommended, although the offered food contained enough energy and nutrients. The proportion of residents receiving vitamin D supplementation was low, although there is a recommendation and known benefits for the adequate intake of vitamin D. Nurses recognized malnutrition poorly, only one in four (26.7%) of the actual cases. Keeping and analysing food diaries and reflecting on nutritional issues in small group discussions were effective training methods for professionals. The nutrition education of professionals had a positive impact on the energy and protein intake, BMIs, and the MNA scores of some residents in dementia wards. Conclusions: Malnutrition was common among elderly residents and patients living in nursing homes and hospitals in Finland. Although residents- and patient related factors mainly explained malnutrition, nurses recognized malnutrition poorly and nutritional care possibilities were in minor use. Professionals nutrition education had a positive impact on the nutrition of elderly residents. Further studies describing successful nutritional care and nutrition education of professionals are needed.

The effects of environmental factors on biomass and microcystin production by the freshwater cyanobacterial genera Microcystis and Anabaena

Several cyanobacterial genera produce the hepatotoxins, microcystins. Microcystins are produced only in cells that have microcystin synthetase gene (mcy) clusters, which encode enzyme complexes involved in microcystin biosynthesis. Microcystin-producing and nonmicrocystin-producing genotypes of single cyanobacterial genus may occur simultaneously in situ. Previously, the effects of environmental factors on the growth and microcystin production of cyanobacteria have mainly been studied by means of isolated cyanobacteria cultures in the laboratory. Studies in the field have been difficult, owing to the lack of methods to identify and quantify the different genotypes. In this study, genus-specific microcystin synthetase E (mcyE) gene primers were designed and a method to identify and quantify the mcyE copy numbers was developed and used in situ. Microcystis and Anabaena mcyE genes were observed in two Finnish lakes. Microcystis appeared to be the most abundant microcystin producer in Lake Tuusulanjärvi and in one basin of Lake Hiidenvesi. Because the most potent microcystin-producing genus of a lake can be identified, it will be possible in the future to design genus-targeted strategies for lake restoration. Effects of P and N concentrations on the biomass of microcystin-producing and nonmicrocystin-producing Microcystis strains and an Anabaena strain were studied in cultures. P and N concentrations and their combined effect increased cyanobacterial biomass of all Microcystis strains. The biomass of microcystin-producing Microcystis was higher than that of nonmicrocystin-producing strains at high nutrient concentrations. The P concentration increased Anabaena biomass, but the effect of N concentration was statistically insignificant for growth yield, probably due to the ability of the genus to fix molecular N2. P and N concentrations and combined nutrients caused an increase in cellular microcystin concentrations of the Microcystis strain cultivated in chemostat cultures. Cyanobacteria are able to hydrolyse nutrients from organic matter through extracellular enzyme activities. Leucine aminopeptidase (LAP) activity was observed in an axenic N2-fixing Anabaena strain grown in batch cultures. The P concentration caused a statistically significant increase in LAP activity, whereas the effect of N concentration was insignificant. The highest LAP activities were observed in the most eutrophic basins of Lake Hiidenvesi. LAP activity probably originated mostly from attached heterotrophic bacteria and less from cyanobacteria.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Genetic diversity and microcystin production by Anabaena in the Gulf of Finland, Baltic Sea

Syanobakteerit (sinilevät) ovat olleet Itämeressä koko nykymuotoisen Itämeren ajan, sillä paleolimnologiset todisteet niiden olemassaolosta Itämeren alueella ovat noin 7000 vuoden takaa. Syanobakteerien massaesiintymät eli kukinnat ovat kuitenkin sekä levinneet laajemmille alueille että tulleet voimakkaimmiksi viimeisten vuosikymmenien aikana. Tähän on osasyynä ihmisten aiheuttama kuormitus, joka rehevöittää Itämerta. Suomenlahti, jota tämä tutkimus käsittelee, on kärsinyt tästä rehevöitymiskehityksestä muita Itämeren altaita enemmän. Syanobakteerit muodostavat jokakesäisiä kukintoja Suomenlahdella - niin sen avomerialueilla kuin rannoillakin. Yleisimmät kukintoja muodostavat syanobakteerisuvut ovat Nodularia, Anabaena ja Aphanizomenon. Kukinnat aiheuttavat paitsi esteettistä haittaa myös terveydellisen riskitekijän. Niiden myrkyllisyys liitetään usein Nodularia-suvun tuottamaan nodulariini-maksamyrkkyyn. Itämeren Aphanizomenon-suvun on todettu olevan myrkytön. Vaikka Itämeren kukintoja aiheuttavista Nodularia- ja Aphanizomenon-syanobakteereista tiedetään varsin paljon, on molekyylimenetelmiin pohjautuva syanobakteeritutkimus ohittanut Itämeren Anabaena-suvun monelta osin. Tämän työn tarkoituksena oli syventää käsitystämme Itämeren Anabaena-syanobakteerista, sen mahdollisesta myrkyllisyydestä, geneettisestä monimuotoisuudesta ja fylogeneettisista sukulaisuussuhteista. Tässä työssä eristettiin 49 planktista Anabaena-kantaa, joista viisi tuottivat mikrokystiinejä. Tämä oli ensimmäinen yksiselitteinen todiste, että Itämeren Anabaena tuottaa maksamyrkyllisiä mikrokystiini-yhdisteitä. Jokainen eristetty myrkyllinen Anabaena-kanta tuotti useita mikrokystiini-variantteja. Lisäksi mikrokystiinejä löydettiin kukintanäytteistä, joissa oli myrkkyä syntetisoivia geenejä sisältäneitä Anabaena-syanobakteereita. Myrkkyjä löydettiin molempina tutkimusvuosina 2003 ja 2004. Myrkkyjen esiintyminen ei siten ollut vain yksittäinen ilmiö. Tässä työssä saimme viitteitä siitä, että maksamyrkyllinen Anabaena-syanobakteeri esiintyisi vähäsuolaisissa vesissä. Tämä riippuvuussuhde jää kuitenkin tulevien tutkimuksien selvitettäväksi. Tässä työssä havaittiin mikrokystiinisyntetaasi-geenien inaktivoituminen Itämeren Anabaena-kannassa ja kukintanäytteissä. Kuvasimme Anabaena-kannan mikrokystiinisyntetaasigeenien sisältä insertioita, jotka hyvin todennäköisesti inaktivoivat myrkyntuoton. Insertion sisältäneeltä kannalta löysimme kuitenkin kaikki mikrokystiinisyntetaasigeenit osoittaen, että geenien olemassaolo ei välttämättä varmista kannan mikrokystiinintuottoa. Mielenkiintoista oli se, että inaktivaation aiheuttavia insertioita löytyi kukintanäytteistä molemmilta tutkimusvuosilta. Vastaavia insertioita ei kuitenkaan löydetty makean veden Anabaena-kannoista tai järvinäytteistä. On yleistä, että syanobakteerikukinnoista löytyy usean syanobakteerisuvun edustajia. Myrkyllisiä sukuja tai lajeja ei voida kuitenkaan erottaa mikroskooppisesti myrkyttömistä. Käsillä olevassa tutkimuksessa kehitettiin molekyylimenetelmä, jolla on mahdollista määrittää kukinnan mahdollisesti maksamyrkylliset syanobakteerisuvut. Tätä menetelmää sovellettiin Itämeren kukintojen tutkimiseen. Itämeren pintavesistä ja ranta-alueiden pohjasta eristetyt Anabaena-kannat osoittautuivat geneettisesti monimuotoisiksi. Tämä Anabaena-syanobakteerien geneettinen monimuotoisuus vahvistettiin monistamalla geenejä suoraan kukintanäytteistä ilman kantojen eristystä. Makeiden vesien ja Itämeren Anabaena-kannat ovat geneettisesti hyvin samankaltaisia. Geneettisissä vertailuissa kävi kuitenkin ilmi, että pohjassa elävien Anabaena-kantojen geneettinen monimuotoisuus oli suurempaa kuin pintavesistä eristettyjen kantojen. Itämeren Anabaena-kantojen sekvenssit muodostivat omia ryhmiä sukupuun sisällä, jolloin on mahdollista, että nämä edustavat Itämeren omia Anabaena-ekotyyppejä. Tämä tutkimus oli ensimmäinen, jossa uusin molekyylimenetelmin systemaattisesti selvitettiin Itämeren Anabaena-syanobakteerin geneettistä populaatiorakennetta, fylogeniaa ja myrkyntuottoa. Tulevaisuudessa monitorointitutkimuksissa on otettava huomioon myös Itämeren Anabaena-syanobakteerin mahdollinen maksamyrkyntuotto – erityisesti vähäsuolaisemmilla rannikkovesillä.