Invertebrates are declining in boreal aquatic habitat : The effect of brownification?

Surface water browning affects boreal lakes in the Northern Hemisphere. This process is expected to increase with global warming. Boreal lakes are the most numerous lakes on Earth. These ecosystems are particularly sensitive to disturbances due to their low biodiversity compared to other aquatic environments. The recent darkening of surface water is expected to hinder key ecosystem processes, particularly through lower primary productivity and loss of biodiversity. However, studies based on long-term data collections have rarely been conducted on the ecological consequences of water browning on aquatic food webs, especially concerning its impacts on invertebrate communities. For the first time, our analysis based on two decades of data collection in Finnish lakes highlighted a relation between water browning and a decline in aquatic macroinvertebrate abundances. Aquatic invertebrates are the main food resource for many secondary predators such as fish and waterbirds, hence such effect on their populations may have major consequences for boreal ecosystem functioning.Peer reviewe

Invertebrates are declining in boreal aquatic habitat: the effect of brownification?

Surface water browning affects boreal lakes in the Northern Hemisphere. This process is expected to increase with global warming. Boreal lakes are the most numerous lakes on Earth. These ecosystems are particularly sensitive to disturbances due to their low biodiversity compared to other aquatic environments. The recent darkening of surface water is expected to hinder key ecosystem processes, particularly through lower primary productivity and loss of biodiversity. However, studies based on long-term data collections have rarely been conducted on the ecological consequences of water browning on aquatic food webs, especially concerning its impacts on invertebrate communities.For the first time, our analysis based on two decades of data collection in Finnish lakes highlighted a relation between water browning and a decline in aquatic macroinvertebrate abundances. Aquatic invertebrates are the main food resource for many secondary predators such as fish and waterbirds, hence such effect on their populations may have major consequences for boreal ecosystem functioning.</p

Fluorescence-suppressed time-resolved Raman spectroscopy of pharmaceuticals using complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) single-photon avalanche diode (SPAD) detector

In this work, we utilize a short-wavelength, 532-nm picosecond pulsed laser coupled with a time-gated complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) single-photon avalanche diode (SPAD) detector to acquire Raman spectra of several drugs of interest. With this approach, we are able to reveal previously unseen Raman features and suppress the fluorescence background of these drugs. Compared to traditional Raman setups, the present time-resolved technique has two major improvements. First, it is possible to overcome the strong fluorescence background that usually interferes with the much weaker Raman spectra. Second, using the high photon energy excitation light source, we are able to generate a stronger Raman signal compared to traditional instruments. In addition, observations in the time domain can be performed, thus enabling new capabilities in the field of Raman and fluorescence spectroscopy. With this system, we demonstrate for the first time the possibility of recording fluorescence-suppressed Raman spectra of solid, amorphous and crystalline, and non-photoluminescent and photoluminescent drugs such as caffeine, ranitidine hydrochloride, and indomethacin (amorphous and crystalline forms). The raw data acquired by utilizing only the picosecond pulsed laser and a CMOS SPAD detector could be used for identifying the compounds directly without any data processing. Moreover, to validate the accuracy of this time-resolved technique, we present density functional theory (DFT) calculations for a widely used gastric acid inhibitor, ranitidine hydrochloride. The obtained time-resolved Raman peaks were identified based on the calculations and existing literature. Raman spectra using non-time-resolved setups with continuous-wave 785- and 532-nm excitation lasers were used as reference data. Overall, this demonstration of time-resolved Raman and fluorescence measurements with a CMOS SPAD detector shows promise in diverse areas, including fundamental chemical research, the pharmaceutical setting, process analytical technology (PAT), and the life sciences.Peer reviewe

Uusi kennorakenne transdermaaliseen iontoforeettiseen itselääkintään

Methods for drug administration affect considerably the function of a drug molecule. Drugs administered through the oral pathway are most common. However, the medicinal effects of these drugs are reduced by the first-pass metabolism. The first-pass metabolism may also produce harmful drug-metabolites. Therefore, it is important to study alternative routes for drug delivery. These delivery routes include injection therapies and transdermal drug delivery techniques. Some drugs are rapidly metabolized in physiological conditions. In addition, the therapeutic window (i.e. plasma concentration range that results the best medicinal effect) of these drugs may be narrow. In these cases, treatment with injections may extend the time spent in hospital, possibly, leading to hospitalization of a risk-group-patient. By transdermal drug administration, a constant drug flux can be obtained. This helps to keep the drug levels at the therapeutic window. Transdermal patches based on diffusion only are usually unable to deliver big drug molecules or hydrophilic drug molecules through the skin. Transdermal iontophoresis enhances drug delivery through the skin by electric current. It enhances especially the delivery of hydrophilic drugs that are, also, quite often chemically instable. These kinds of drugs can be stabilized by using ion-exchange fibres. This work examines a novel ion-exchange-containing cell structure for transdermal iontophoresis. In addition, mathematical models related to transport phenomena in ion-exchange fibres and iontophoresis are examined. Experiments were performed with ion-exchange fibres Smopexr -101 and Smopexr -102 in to which a test drug Tacrine was loaded. Tacrine was delivered by iontophoresis through a synthetic membrane or through a porcine skin in vitro. HPLC-method was used to analyse the quantity of the drug that penetrated the test membrane. The results indicated that iontophoresis with Smopexr -102 fibre release the drug in a controlled way, whereas, the resulting drug flux with Smopexr -101 remained small. The drug loading capacity in both fibres exceeded the ion-exchange capacity of the ion-exchange fibres. The passive flux of Tacrine was relatively large, making the iontophoretic enhancement factor small. The results are in line with the fact that Tacrine is a lipophilic molecule. Changes in pH due to the iontophoresis and the optimization of the overall cell structure are challenges that need to be further examined.Lääkeannostelutekniikat vaikuttavat paljon lääkeaineen toimintaan elimistössä. Suun kautta annosteltavat lääkeaineet ovat yleisimpiä, mutta niiden tehoa vähentää niin kutsuttu ensikierron metabolia. Ensikierron metabolia voi tuottaa myös haitallisia lääkeaine-metaboliitteja. Tämän vuoksi on tärkeää tutkia vaihtoehtoisia lääkeannostelureittejä. Näitä ovat esimerkiksi erilaiset injektiohoidot ja transdermaalinen laakeannostelu. Jotkut lääkkeet puoliintuvat elimistössä hyvin nopeasti Ja niiden lääkinnällinen optimialue, terapeuttinen ikkuna, voi olla kapea. Tällaisessa tapauksessa injektiohoito voi aiheuttaa sen, että potilas joutuu viettämään pitkiä aikajaksoja sairaalassa, jolloin seurauksena voi olla laitostuminen. Transdermaalisen annostelun avulla saadaan vakio-lääkevuo, jolloin terapeuttisessa ikkunassa pysyminen helpottuu. Passiivisen diffuusion avulla toimivien lääkelaastarien ongelmana on kuitenkin se, ettei niiden avulla voida annostella suurikokoisia tai hydrofiilisia lääkeaineita. Transdermaalinen iontoforeesi on tapa tehostaa lääkeaineen kulkeutumista ihon läpi sähkövirran avulla. Se tehostaa erityisesti hydrofiilisten lääkkeiden pääsyä elimistöön. Näistä kiinnostavimmat ovat usein kemiallisesti epästabiileja, mutta niiden säilyvyyttä voidaan parantaa esimerkiksi ioninvaihtokuitujen avulla. Tässä työssä on tutkittu ioninvaihtokuitua sisältävän iontoforeesipuolikennon soveltuvuutta transdermaaliseen laakeannosteluun. Työssä kehiteltiin uudenlainen anodi-puolikennorakenne. Lisaksi tarkasteltiin ioninvaihtoon ja iontoforeesiin liittyviä matemaattisia malleja ja tehtiin katsaus alan patentteihin ja kaupallisiin 1aitteisiin. Työssä käytettiin ioninvaihtokuituja Smopexr -101 ja -102, joihin ladattu mallilääkeaine takriini kuljetettiin iontoforeesilla sian ihon ja synteettisen membraanin läpi in vitro. Läpi kulkenut lääkeaineen määrä mitattiin HPLC-menetelmällä. Iontoforeesikokeiden tulokset osoittivat, että Smopexr -102-kuitu vapautti lääkeainetta hallitusti. Sen sijaan Smopexr -101:n yhteydessä saatiin heikko vuo. Takriinia saatiin ladattua kuituihin ilmoitettua ioninvaihtokapasiteettia enemmän. Takriinin passiivinen vuo sian ihon läpi oli suurehko, minkä takia iontoforeettinen tehostamisvakio ei ollut suuri. Mainitut tulokset johtuvat osittain takriinin lipofiilisyydestä. Elektrodireaktioiden aiheuttamat pH-muutokset ja iontoforeesikennon kokonaisrakenteen optimointi toivat haasteita, joiden selvitykseen tarvitaan jatkotutkimuksia

A more intriguing volunteer computing experience through Drupal and social technology

A more intriguing volunteer computing experience through Drupal and social technology Open Rendering Environment (ORE) is a project launched by Laurea University of Applied Sciences in 2008 with the intention of providing artists and companies a source of computing power required for rendering 3D animations. These resources that have traditionally not been available to individuals are provided by the means of volunteer computing provided by Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) and Big and Ugly Rendering Project (BURP) technologies. The purpose of this thesis is studying the possible benefits of using a web content management system alongside the BOINC provided website template. The most important end product of the ORE project is the Renderfarm.fi website, which has been built using the Drupal web content management system, extending the functionality of the BOINC website template. The theoretical section of this thesis describes new technologies used on the web for creating dynamic sites that encourage user collaboration, content creation and interaction. In addition it describes how web 2.0 technologies are currently implemented on various web sites focusing on art. It also provides an insight to the Durpal web content management system, the functionality of different layers within it, and how it displays content. The empirical section of the thesis first examines the current implementation of Renderfarm.fi, and focuses on how the Drupal component of the web site was built, what features it has and how it was integrated with BOINC and BURP. Furthermore, it examines the possibilities of further implementation of groundswell technologies for creating a community site. Also an interview was conducted with Janne Juopperi from 3D-verstas, a company focusing on creating 3D animations and modelling. The purpose of this interview was to provide a perspective for the possible commercial use of Renderfarm.fi. It was found that the current implementation of Renderfarm.fi does not take the full advantage of what a content management system such as Drupal can offer. However using Drupal’s modularity adding and removing features becomes relatively simple. Further integration of Drupal with BOINC and BURP would provide further possibilities of displaying content more dynamically. Volunteer computing and publicly distributed rendering are both technologies that can serve as a platform for connecting people in new ways. This potential can be increased by using a web content management system such as Drupal to help enable relationships between users and create a successful community website benefiting from social media applications.Open Rendering Environment on Laurea-ammattikorkeakoulun vuonna 2008 aloittama projekti jonka tarkoituksena on luoda julkisen jaetun renderöinnin palvelu käyttämällä Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) ja Big and Ugly Rendering Project (BURP) teknologioita. Perinteisesti yksityishenkilöillä ja pienyrityksillä ei ole ollut saatavilla tarvittavia resursseja korkealaatuisen 3D-animaation tuottamiseen, mutta hajautetun laskennan järjestelmä BOINC tekee tämän mahdolliseksi. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on tutkia sisällönhallintajärjestelmän tarjoamia mahdollisia hyötyjä BOINC-projektille. Open Rendering Environment-projektin tärkein lopputuotos, Renderfarm.fi-verkkosivut, on toteutettu käyttäen Drupal-sisällönhallintajärjestelmää BOINC:n tarjoaman Web-järjestelmän rinnalla. Tutkimuksen teoriaosa käsittelee teknologioita, joita käytetään yhteisöllisten verkkopalveluiden rakentamiseen. Nämä teknologiat tarjoavat mahdollisuuksia sisällön luomiseen, vuorovaikutukseen ja käyttäjien väliseen yhteistyöhön. Tutkimuksessa tarkastellaan myös tapoja, joilla näitä web 2.0-teknologioita on hyödynnetty olemassa olevissa internetin taideyhteisöissä. Myös Drupal-sisällönhallintajärjestelmän toimintaa käsitellään. Opinnäytetyön empiirisessä osassa on dokumentoitu Renderfarm.fi-sivuston nykyinen toteutus, painottuen Drupal-osuuteen ja siihen, kuinka se on saatu toimimaan yhdessä BOINC-ja BURP-järjestelmien kanssa. Tarkastelussa on Drupalin käytön myötä avautuneet mahdollisuudet käyttäjien välisiä vuorovaikutuksia tukevien teknologioiden hyödyntämiseen yhteisöllisen verkkopalvelun rakentamisessa. Tämän lisäksi haastateltiin Janne Juopperia, jotta saataisiin yrityksen näkökulma Renderfarm.fi-palvelun hyödyntämisestä. Juopperin yritys, 3D-verstas Oy, on erikoistunut tietokoneanimaatioihin, kuvaefekteihin, ja mallintamiseen. Tutkimuksessa havaittiin, että Renderfarm.fi-sivujen nykyinen toteutus ei hyödynnä täysimääräisesti Drupalia. Sisällönhallintajärjestelmän modulaarisuutta hyödyntäen voitaisiin ottaa käyttöön enemmän teknologioita, jotka kannustavat ja luovat uusia mahdollisuuksia käyttäjien keskinäiseen vuorovaikutukseen. Hajautettu laskenta ja julkinen jaettu renderöinti toimivat lupaavana pohjana verkkoyhteisön rakentamiseen, mutta Drupalin tarjoamat lisätoiminnallisuudet antavat Renderfarm.fi-palvelulle mahdollisuudet suuremman yleisön saavuttamiseen hyödyntämällä web 2.0 -teknologioita

Fototermiset liposomi-lääkkeenkuljetusjärjestelmät: partikkelien karakterisoinnin ja lääkkeenvapautuksen fysikaalinen kemia

Liposome is a phospholipid structure that surrounds its aqueous cavity with a lipid bilayer. Hydrophilic drug molecules can be encapsulated in liposomes and delivered to a given target. Ideally, liposomes are internalized by the target cell via endocytosis and the hydrophilic drug is released therein. In many cases, liposomes reach their target cell but the rate of passive release remains insufficient. Luckily, this challenge can be tackled with a suitable triggering mechanism. One option is to use light. Light triggered drug release can be obtained with several strategies. One of the most interesting methods is to employ materials that convert light into heat. In this case, a photothermal agent absorbs light and releases the absorbed energy as heat. Such materials include a wide selection of gold nanoparticles that can be tuned to any relevant wavelengths by adjusting their size and shape. Another example is the fluorescent dye indocyanine green (ICG). It absorbs in the near infrared region that is safe for tissue irradiation (i.e. at the physiological window). A photothermal liposomal drug delivery system is composed of drug-encapsulated liposomes with photothermal agents. In essence, a lipid bilayer prevents drug from releasing below its phase transition temperature. However, when the photothermal agents heat up locally, the drug molecules are released as the bilayer undergoes a phase transition. This thesis addresses photothermal liposomal drug delivery systems from the physicochemical point of view and provides some new methods to characterize such systems. This work can be divided in three sections. In the first section, liposomes were coupled with photothermal agents and light-inflicted changes in the lipid bilayer were monitored with the quartz crystal microbalance and fluorescence spectroscopy. The main effect was the thermal phase transition in the lipid bilayer followed by the contents release. In the second section, methods of liposome detection were examined. Surface plasmon resonance imaging microscopy (SPRIM) was used to determine the number of encapsulated gold nanoparticles residing inside the liposomes with a new analysis method. In the third section, the prospects of surface engineering of liposomes was investigated with the addition of lipid-bound poly(ethylene glycol) (PEG). A new method, based on laurdanC, was developed to monitor the shape of the particulates. In addition, PEGylation caused changes in the phase transition behavior and shape of the lipid particulates. These features can provide new opportunities for drug delivery. These could be e.g. drug release systems with multiple release sequences and shape-shifting drug carriers with trigger polymers.Liposomi on fosfolipideistä koostuva rakenne, jonka sisällä on sen lipidikaksoiskerroksen suojaama vesifaasi. Hydrofiilista lääkeainetta voidaan ladata liposomiin, jonka sisällä ne kulkeutuvat kohdesoluunsa esimerkiksi endosytoosin avulla. Liposomit saavuttavat usein kohdesolunsa, mutta niiden passiivinen lääkkeenvapautus voi olla tehotonta. Lääkkeenkuljetussysteemit voidaan kuitenkin varustaa aktivointimekanismilla. Eräs vaihtoehto on lääkkeenvapautus valoa käyttäen. Valoherkistetty lääkkeenvapautus voidaan saavuttaa useilla strategioilla. Eräs kiinnostavimmista on valoa lämmöksi muuttavien materiaalien käyttö. Tässä tapauksessa fototerminen materiaali muuntaa absorboimansa valon lämmöksi. Fototermisiä materiaaleja ovat esimerkiksi monet kultananopartikkelit, joiden absorptio-maksimi voidaan säätää lähes mille tahansa relevantille valon aallonpituusalueelle nanopartikkelien kokoa ja muotoa muuttamalla. Toinen esimerkki on fluoresoiva merkkiaine indosyaanivihreä. Se absorboi lähi-infrapuna-alueella, joka on yleisesti turvallinen aallonpituusalue kudoksille (so. fysiologinen ikkuna). Fototerminen liposomi-lääkkeenkuljetussysteemi koostuu lääkkeellä ladatusta liposomista ja fototermisesta materiaalista. Käytännössä lääkeaine ei vapaudu lämpötiloissa, jotka ovat lipidin faasimuutoslämpötilan alapuolella. Kun fototerminen materiaalia lämpenee lokaalisti, lääkeaine vapautuu kalvon faasimuutoksen seurauksena. Tämä väitöskirja tarkastelee fototermisiä liposomi-lääkekuljettimia fysiko-kemiallisesta näkökulmasta ja tarjoaa joitakin uusia menetelmiä näiden systeemien karakterisointiin. Työ voidaan jakaa kolmeen osa-alueeseen. Ensimmäisessä osassa fototermisiin liposomi-formulaatioihin kohdistuvia valo-lämpö-ilmiöitä tutkittiin kvartsikidevaa'an ja fluoresenssispektroskopian avulla. Pääasiallinen havainto tutkimuksissa oli lipidikaksoiskerroksen faasimuutos ja sitä seurannut lääkkeenvapautus. Toisessa osassa tutkittiin menetelmiä liposomien havainnoimiseksi. Vakiokulman pintaplasmoniresonanssimikroskopian avulla voitiin määrittää kultananopartikkeleita sisältävien liposomien lukumäärä käyttämällä tässä työssä kehitettyä uutta analyysimenetelmää. Kolmannessa osassa liposomien pintarakennetta muokattiin lipidi-polyetyleeniglykolin (lipidi-PEG) hybridin lisäyksinä. Uusi laurdanC-merkkiaineen käyttöön perustuva tekniikka kehitettiin partikkelien muodon määrittämiseksi. Lisäksi havaittiin muutoksia lipidi-kalvon faasimuutoskäytöksessä PEG-pitoisuuden kasvaessa. Muodonmuutos ja faasimuutoskäyttäytyminen voivat tarjota joitakin hyötynäkökohtia lääkkeenvapautusta ajatellen. Yksi tällainen voisi olla lääkkeenvapautus useammassa jaksossa. Toisaalta myös polymeeri voisi toimia vapautuksen aktivoijana