Development of the theory of vibratory injection of gas into liquid

The article covers the development of the theory of vibratory injection of gases into liquids. On the basis of experimental data the phenomena observed during bubble formation have been explained and a theory that reliably predicts the parameters of vibratory injection of a gas into a liquid at the acceleration parameter not exceeding 4g has been suggested. Vibroinjection modeling using the boundary integral method allows predicting the final bubble sizes and the actual gas flow for vibratory injection. The results of numerical simulations are in good agreement with the experiment

Human Embryonic Stem Cell-Derived Retinal Pigment Epithelium-Role in Dead Cell Clearance and Inflammation

L

Ultrathin compound semiconductor on insulator layers for high performance nanoscale transistors

Over the past several years, the inherent scaling limitations of electron devices have fueled the exploration of high carrier mobility semiconductors as a Si replacement to further enhance the device performance. In particular, compound semiconductors heterogeneously integrated on Si substrates have been actively studied, combining the high mobility of III-V semiconductors and the well-established, low cost processing of Si technology. This integration, however, presents significant challenges. Conventionally, heteroepitaxial growth of complex multilayers on Si has been explored. Besides complexity, high defect densities and junction leakage currents present limitations in the approach. Motivated by this challenge, here we utilize an epitaxial transfer method for the integration of ultrathin layers of single-crystalline InAs on Si/SiO2 substrates. As a parallel to silicon-on-insulator (SOI) technology14,we use the abbreviation "XOI" to represent our compound semiconductor-on-insulator platform. Through experiments and simulation, the electrical properties of InAs XOI transistors are explored, elucidating the critical role of quantum confinement in the transport properties of ultrathin XOI layers. Importantly, a high quality InAs/dielectric interface is obtained by the use of a novel thermally grown interfacial InAsOx layer (~1 nm thick). The fabricated FETs exhibit an impressive peak transconductance of ~1.6 mS/{\mu}m at VDS=0.5V with ON/OFF current ratio of greater than 10,000 and a subthreshold swing of 107-150 mV/decade for a channel length of ~0.5 {\mu}m

Influence of soluble factors secreted by different types of fibroblasts on differentiation of human embryonic stem cells into retinal pigment epithelial cells.

Tutkielman tausta ja tavoitteet: Ihmisen alkion kantasolujen ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta niitä voidaan hyödyntää monien sairauksien hoidossa. Esimerkiksi verkkokalvon pigmenttiepiteelisolujen rappeutumiseen liittyviä sairauksia voitaisiin hoitaa käyttämällä kantasoluihin perustuvia soluhoitoja. Kliinisiä sovelluksia varten tarvitaan vielä tehokkaampi erilaistusmenetelmä, jonka avulla voitaisiin tuottaa puhtaita pigmenttiepiteelisolupopulaatioita. Erilaistumistehokkuutta voidaan parantaa esimerkiksi tunnistamalla erilaisia kasvutekijöitä, jotka edistävät verkkokalvon pigmenttiepiteelisolujen erilaistumista kantasoluista. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli vertailla eri fibroblastityyppien erittämien liukoisten tekijöiden vaikutuksia verkkokalvon pigmenttiepiteelisolujen erilaistumiseen. Tutkimuksessa mukana olivat hiiren alkion fibroblastit, ihmisen ihosta eristetyt fibroblastit, sekä ihmisen esinahasta eristetyt fibroblastit. Materiaalit ja menetelmät: Erilaistumattomia kantasoluja kasvatettiin eri fibroblasteilla kyllästetyissä erilaistusliuoksissa sekä tavallisessa erilaistusliuoksessa. Koe koostui kahdesta vaiheesta: esierilaistuminen toteutettiin suspensiossa, ja sen jälkeen pigmentoituneet solut valikoitiin jatkokasvatukseen, jossa erilaistus jatkui alustaan kiinnittyneinä yksisolukerrosviljelminä. Ensimmäisen vaiheen aikana erilaistumista seurattiin vertaamalla solujen pigmentaatiota, sekä analysoimalla tiettyjen geenien ilmentymistasoja. Kypsymisvaiheen päätyttyä pigmenttiepiteelisolukerrokset karakterisoitiin todentamalla pigmenttiepiteelisoluille tyypillisten geenien ilmentymistä ja paikantamalla tiettyjä proteiineja. Kypsien solujen fagosytoosikyky analysoitiin käyttämällä in vitro fagosytoosimääritystä. Tämän lisäksi verrattiin neljän kasvutekijän (activin A, bFGF, TGF-beta ja PEDF) eritystä käytetyissä fibroblastityypeissä. Tulokset ja johtopäätökset: Tässä tutkimuksessa saadun tiedon perusteella ei voida yksiselitteisesti sanoa mikä tutkituista olosuhteista oli paras pigmenttiepiteelisolujen erilaistumiseen, sillä kaikissa olosuhteissa saatiin aikaan kypsiä ja toiminnallisia soluja. On kuitenkin selvää, että tavallinen erilaistusliuos oli fibroblasteilla kyllästettyjä erilaistusliuoksia heikompi. Kasvutekijäanalyysi osoitti, että ihmisen ihofibroblastit ja hiiren alkion fibroblastit tuottavat paljon enemmän activin A kasvutekijää kuin ihmisen esinahan fibroblastit, jotka sen sijaan tuottavat eniten TGF-beta kasvutekijää. Nämä ja muut fibroblastien tuottamat liukoiset tekijät vaikuttavat pigmenttiepiteelisolujen erilaistumiseen ihmisen alkion kantasoluista monimutkaisella tavalla, ja sen ymmärtämiseen tarvitaan vielä lisää tutkimusta

Investigating the Role of Neuronal MHCI in Regulating Synapse Formation

Healthy brain development requires the proper establishment of synaptic connections between neurons. Many synaptogenic molecules have been identified in the mammalian brain, but few synapse-limiting molecules have been discovered. Of the latter, many have canonical functions in the immune system. One such family of molecules, called major histocompatibility class I (MHCI), plays a key role in the innate and adaptive immune systems, where it serves as a ligand for cytotoxic effector cells. MHCI is also found on multiple cell types in the central nervous system. Neuronal MHCI has been found to regulate synapse density, visual system plasticity and synapse removal. Despite the many functions mediated by MHCI, it remains unclear whether MHCI has different functions in regulating the synapses formed onto dendrite or formed by axons of individual neurons, or what binding partners MHCI signals through to enact these functions. In this thesis, I consider the role of MHCI in regulating the number of synapses that a neuron makes onto its targets, and develop a methodological pipeline for identifying binding patterns of MHCI in young cortical neurons.In Chapter 1, I review the current literature of synapse formation and the roles of MHCI in the CNS. In Chapter 2, I describe experiments aimed at testing the sufficiency of H2-Kb and H2-Db to regulate the number of synapses that an axon forms onto dendrites of neighboring neurons. I find that neither MHCI molecule affects the number of synapses that axons form, but both decrease the synapse density on dendrites of overexpressing neurons. I also report the novel finding that synapse density is increased on dendrites of young cortical neurons in the absence of H2-Kb and H2-Db. In Chapter 3, I describe a proximity biotinylation based approach coupled with tandem mass spectrometry for finding binding partners of MHCI in young cortical neurons, including novel TurboID fusion constructs, functional validation and a protocol for scaled up protein collection from cultured neurons. Chapter 4 describes the implications of my findings from Chapter 2 and alternative ways to study MHCI in the intact brain. I also propose follow-up experiments for the proteomics results in Chapter 3 and their connection to presynaptic roles of MHCI. Finally, I discuss the challenges and exciting advances in the future of MHCI biology in brain development

Influence of soluble factors secreted by different types of fibroblasts on differentiation of human embryonic stem cells into retinal pigment epithelial cells.

Tutkielman tausta ja tavoitteet: Ihmisen alkion kantasolujen ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta niitä voidaan hyödyntää monien sairauksien hoidossa. Esimerkiksi verkkokalvon pigmenttiepiteelisolujen rappeutumiseen liittyviä sairauksia voitaisiin hoitaa käyttämällä kantasoluihin perustuvia soluhoitoja. Kliinisiä sovelluksia varten tarvitaan vielä tehokkaampi erilaistusmenetelmä, jonka avulla voitaisiin tuottaa puhtaita pigmenttiepiteelisolupopulaatioita. Erilaistumistehokkuutta voidaan parantaa esimerkiksi tunnistamalla erilaisia kasvutekijöitä, jotka edistävät verkkokalvon pigmenttiepiteelisolujen erilaistumista kantasoluista. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli vertailla eri fibroblastityyppien erittämien liukoisten tekijöiden vaikutuksia verkkokalvon pigmenttiepiteelisolujen erilaistumiseen. Tutkimuksessa mukana olivat hiiren alkion fibroblastit, ihmisen ihosta eristetyt fibroblastit, sekä ihmisen esinahasta eristetyt fibroblastit. Materiaalit ja menetelmät: Erilaistumattomia kantasoluja kasvatettiin eri fibroblasteilla kyllästetyissä erilaistusliuoksissa sekä tavallisessa erilaistusliuoksessa. Koe koostui kahdesta vaiheesta: esierilaistuminen toteutettiin suspensiossa, ja sen jälkeen pigmentoituneet solut valikoitiin jatkokasvatukseen, jossa erilaistus jatkui alustaan kiinnittyneinä yksisolukerrosviljelminä. Ensimmäisen vaiheen aikana erilaistumista seurattiin vertaamalla solujen pigmentaatiota, sekä analysoimalla tiettyjen geenien ilmentymistasoja. Kypsymisvaiheen päätyttyä pigmenttiepiteelisolukerrokset karakterisoitiin todentamalla pigmenttiepiteelisoluille tyypillisten geenien ilmentymistä ja paikantamalla tiettyjä proteiineja. Kypsien solujen fagosytoosikyky analysoitiin käyttämällä in vitro fagosytoosimääritystä. Tämän lisäksi verrattiin neljän kasvutekijän (activin A, bFGF, TGF-beta ja PEDF) eritystä käytetyissä fibroblastityypeissä. Tulokset ja johtopäätökset: Tässä tutkimuksessa saadun tiedon perusteella ei voida yksiselitteisesti sanoa mikä tutkituista olosuhteista oli paras pigmenttiepiteelisolujen erilaistumiseen, sillä kaikissa olosuhteissa saatiin aikaan kypsiä ja toiminnallisia soluja. On kuitenkin selvää, että tavallinen erilaistusliuos oli fibroblasteilla kyllästettyjä erilaistusliuoksia heikompi. Kasvutekijäanalyysi osoitti, että ihmisen ihofibroblastit ja hiiren alkion fibroblastit tuottavat paljon enemmän activin A kasvutekijää kuin ihmisen esinahan fibroblastit, jotka sen sijaan tuottavat eniten TGF-beta kasvutekijää. Nämä ja muut fibroblastien tuottamat liukoiset tekijät vaikuttavat pigmenttiepiteelisolujen erilaistumiseen ihmisen alkion kantasoluista monimutkaisella tavalla, ja sen ymmärtämiseen tarvitaan vielä lisää tutkimusta

Kudosteknologia sarveiskalvovaurioiden hoitoon: Ihmisen erittäin monikykyisten kantasolujen erilaistaminen sarveiskalvon epiteeliksi

Sarveiskalvon epiteeli on läpinäkyvän ja verisuonettoman sarveiskalvon uloin kerros, jonka uusiutumisesta huolehtivat kudosspesifiset limbaaliset kantasolut. Nämä kantasolut sijaitsevat limbuksessa, sarveiskalvon ja sidekalvon rajapinnassa. Limbus toimii myös fyysisenä esteenä verisuonettoman sarveiskalvon ja verisuonitetun sidekalvon välillä. Laajat vauriot limbaalisella alueella tai limbaalisten kantasolujen vajaatoiminta kroonisen taudin seurauksena saattavat johtaa kantasolupuutokseen, missä sidekalvo verisuonineen leviää ja korvaa sarveiskalvon epiteelin. Tämän sairauden oireet ja laajuus vaihtelevat hyvinkin paljon, mutta siihen yleensä liittyy voimakkaita oireita ja sen hoito on hankala toteuttaa. Perinteinen sarveiskalvon siirto ei ole käyttökelpoinen hoitomenetelmä näissä sairauksissa, sillä siirre korvaa vain sarveiskalvon keskiosaa, eikä vaurioitunutta limbusta. Näin ollen, viime vuosikymmenien aikana on tutkittu useita erilaisia lähestymistapoja tuhoutuneiden limbaalisten kantasolujen korvaamiseen. Limbussiirto on osoittautunut lupaavaksi hoitomenetelmäksi: vauriopaikalle siirretään joko tervettä limbuskudosta tai laboratorio-olosuhteissa viljeltyjä limbaalisia kantasoluja. Limbaalisten kantasolujen vajaatoiminta esiintyy usein potilaan molemmassa silmässä, ja näiden potilaiden hoitoa rajoittaa luovuttajakudosten riittämättömyys. Täten uusia hoitomenetelmiä tarvitaan sarveiskalvovaurioiden hoitoon. Ihmisen erittäin monikykyisillä kantasoluilla on lähes rajaton uusiutumiskyky, ja ne kykenevät erilaistumaan kehon kaikiksi solutyypeiksi, mukaan lukien limbaaliset kantasolut ja sarveiskalvon epiteelisolut. Tähän mennessä, vain muutamissa tutkimuksissa on onnistuttu erilaistamaan sarveiskalvon epiteelisoluja ihmisen erittäin monikykyisistä kantasoluista, ja nämä menetelmät hyödyntävät eläinperäisiä ja määrittelemättömiä komponentteja erilaistuksen aikaansaamiseksi. Tämäntyyppisten tekijöiden käyttö altistaa erilaistusta biologiseen vaihteluun ja taudinaiheuttajien siirtoon, joten tarkka laadunvalvonta on hyvin tärkeä turvallisuuden takaamiseksi. Menetelmiä on tärkeä edelleen kehittää, sillä kantasoluista erilaistetut limbaaliset kantasolut voivat tulevaisuudessa tarjota vaihtoehtoisia hoitomenetelmiä vakaville sarveiskalvovaurioille. Tämän lisäksi näitä soluja voidaan hyödyntää ihmisen sarveiskalvon kehityksen tutkimukseen ja tautimallintamiseen, sekä lääkekehitykseen laboratorio-olosuhteissa. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli kehittää sarveiskalvon epiteelisolujen erilaistamista olosuhteissa, jotka helpottaisivat menetelmän tuomista kliinisiin sovelluksiin. Tutkimuksen aikana kehitettiin suunnattu ja tehokas kaksivaiheinen erilaistusmenetelmä. Tällä menetelmällä erilaistetut limbaaliset kantasolut osoittautuivat uusiutumiskykyisiksi, ja kykenivät kypsymään sarveiskalvon epiteelisoluiksi. Menetelmä on lähes täysin vapaa eläinperäisistä tai määrittelemättömistä aineista, ja sitä on mahdollista edelleen kehittää. Vaikka eri solulinjojen erilaistustehokkuuksissa esiintyi vaihtelua, menetelmä kokonaisuudessaan osoittautui erittäin toistettavaksi. Erilaistettujen solujen kattava karakterisointi on erittäin tärkeä niiden laadun takaamiseen. Tässä väitöskirjatutkimuksessa tarkasteltiin useita solujen ominaisuuksia. Erilaistetuilla soluilla oli oikeanlainen morfologia, ja ne ilmensivät limbaalisille kantasoluille tyypillisiä geenejä ja proteiineja. Niillä oli kyky uusiutua ja jakaantua viljelyssä, sekä kypsyä sarveiskalvon epiteelisoluiksi. Lisäksi, massaspektrometriaan perustuva proteomiikkatutkimus osoitti, että erilaistetut limbaaliset kantasolut ovat samanlaisia kuin ihmisen silmän pinnan solut. Jotta solut olisivat siirrettävissä silmän pinnalle, tarvitaan läpinäkyvä, mekaanisesti kestävä, mutta elastinen tukimateriaali. Tällä hetkellä käytetyin biomateriaali luovutettujen limbaalisten kantasolujen siirtoon on ihmisen amnionkalvo, sen monista puutteista huolimatta. Tämän väitöskirjatutkimuksen viimeisenä tavoitteena oli tutkia kollageenista valmistetun tukimateriaalin soveltuvuutta erittäin monikykyisistä kantasoluista erilaistettujen limbaalisten kantasolujen kasvatukseen ja transplantaatioon. Kyseisen biomateriaalin valmistus on standardoitu, se soveltuu kliiniseen käyttöön, ja sen on osoitettu olevan kudosyhteensopiva. Tässä työssä biomateriaali näytti tukevan erittäin monikykyisistä kantasoluista erilaistettujen limbaalisten kantasolujen kiinnittymistä sekä kasvua, ja näin ollen voisi soveltua siirtomateriaaliksi soluterapiaa varten. Kaiken kaikkiaan tässä tutkimuksessa on kehitetty uudenlainen kudosteknologiaan perustuva menetelmä sarveiskalvovaurioiden hoitoon. Nämä tulokset ovat edistäneet tietoa erittäin monikykyisten kantasolujen erilaistuksesta sarveiskalvon epiteelisoluiksi, näiden solujen ominaisuuksista, sekä soveltuvuutta soluterapiaksi.Corneal epithelium, the outermost layer of the transparent and avascular cornea, is renewed by tissue-specific stem cells, termed limbal epithelial stem cells (LESC). These stem cells are located in specialized niches of the limbus, a narrow transition zone between the cornea and sclera, which also serves as a physical barrier between the clear avascular cornea and the vascularized conjunctiva. Extensive trauma to the limbus, or LESC dysfunction as a result of certain chronic inflammatory diseases may lead to limbal stem cell deficiency (LSCD), characterized by the spread of the vascularized conjunctival tissue over the damaged ocular surface. This vision-threatening condition varies in its severity, but commonly causes severe symptoms and is difficult to treat. Conventional corneal transplantation is not a feasible treatment option, as it only replaces the central corneal epithelium, and not the damaged limbus. Therefore, various strategies aimed at replacing damaged LESCs have been explored. Limbal transplantation, with or without ex vivo expansion of LESCs, has shown great promise. However, patients suffering from LSCD in both eyes are common and donor corneal tissue is scarce. Alternative approaches for ocular surface reconstruction are therefore needed. Human pluripotent stem cells (hPSC) are capable of virtually unlimited self-renewal and can differentiate into any cell type, including LESCs and corneal epithelial cells. To date, only a few studies have demonstrated successful differentiation of corneal epithelial cells from hPSCs, and these methods rely on the use of chemically undefined and xenogeneic culture components. Such factors are subject to biologic variation and pathogen transmission, and thereby require a thorough quality control to ensure the safety of transplantable cell populations. Nevertheless, hPSC-derived LESCs could provide an alternative cell source for cell-based therapy of severe ocular surface disorders. In addition, hPSC-derived LESCs could be applied to studying corneal development and modelling corneal tissue as a testing platform for in vitro drug development. This dissertation aimed to investigate differentiation of LESCs and corneal epithelial cells from hPSCs under conditions that would allow for a smooth transition to clinical applications. A directed and efficient two-stage differentiation method was developed, generating LESC-like cells capable of self-renewal and terminal differentiation towards mature corneal epithelial cells. Differentiation was carried out in close to chemically-defined and xeno-free conditions, and several modifications could be explored further. Although there was a certain degree of variation in differentiation efficiency between the studied cell lines, the method was consistent and reproducible overall. Thorough characterization of hPSC-derived cells is crucial to confirm their authenticity. In this dissertation, several key characteristics of LESCs were examined. It was demonstrated that hPSC-derived LESCs possess the appropriate cell morphology, as well as gene and protein expression profiles. They were also able to self-renew and proliferate in culture, and terminally differentiate towards mature corneal epithelial cells. Moreover, hPSC-derived LESCs were similar to native ocular surface epithelial cells, as verified using relative mass spectrometry-based proteomics. Cell transplantation to the ocular surface would require a transparent, mechanically durable, yet elastic carrier biomaterial. Currently, human amniotic membrane is the gold-standard material commonly used to transplant donor LESCs, despite its limitations. The final aim of this dissertation was to evaluate the suitability of a bioengineered collagen matrix for the culture and transplantation of hPSC-derived LESCs. The fabrication of this biomaterial is standardized, it is suitable for clinical use, and has shown promise in earlier biocompatibility studies using an animal model. In this study, the bioengineered collagen matrix supported the attachment and growth of hPSC-derived LESCs in vitro, and could therefore be applied to clinical use in the future. In conclusion, this dissertation as a whole describes a novel tissue engineering approach to ocular surface reconstruction. These results have contributed to increasing the knowledge of hPSC differentiation towards LESCs, their characteristics, and potential for use in cell-based therapy

Kinetics of Iron Extraction from Coal Fly Ash by Hydrochloric Acid Leaching

Iron contained in coal fly ash of the Ekibastuz power station is distributed between magnetite and hematite. XRD data showed that ~80 wt % of iron is contained in magnetite and ~20 wt % in hematite. The leaching of iron from CFA by HCl was studied. It was determined that leaching efficiency increased with the increase in hydrochloric acid concentration and temperature. The maximum iron extraction efficiency was 52%. Aluminum is contained in the mullite and was practically not leached. The maximum aluminum extraction efficiency was 3.7%. The kinetics investigation showed that the process of iron leaching was controlled by chemical reaction and diffusion process steps, with an activation energy of 33.25 kJ·mol−1. The aluminum leaching process is controlled by a diffusion process step with an activation energy of 19.89 kJ·mol−1. The reaction order of hydrochloric acid is determined to be 0.9 and 0.23 for iron and aluminum, respectively