In Vitro and in Vivo Osteogenesis and Vasculogenesis in Synthetic Bone Grafts

Luukudos on heti veren jälkeen maailman käytetyin kudossiirre ja väestön ikääntyessä luusiirteiden tarpeen odotetaan nousevan nykyisestä. Mittavista panostuksista huolimatta biomateriaalikehityksessä ja -tutkimuksessa, potilaiden hoidossa synteettisiä luusiirteitä käytetään huomattavasti vähemmän kuin autologisia luusiirteitä. Uusien synteettisten luusiirteiden kehityksessä tarvitaan tehokkaita ja luotettavia soluviljelymenetelmiä arvioimaan materiaalien kykyä tukea luun ja verisuonien muodostumista. Aikuisen kantasolut, kuten rasvakudoksen ja luuytimen kantasolut, jotka pystyvät erilaistumaan sekä luusoluiksi, että verisuonten endoteelisoluiksi, ovat erinomainen työkalu tähän tarkoitukseen. Toimivia ja kustannustehokkaita menetelmiä luu- ja endoteelierilaistukseen täytyy kuitenkin vielä kehittää. Tämä väitöskirjassa tutkitaan strategioita aikuisen kantasolujen erilaistukseen 3-ulotteisessa ympäristössä, jotta uusien synteettisten luusiirteiden soveltuvuutta voidaan arvioida luotettavasti. Kahta kliinisessä käytössä olevaa synteettistä luusiirremateriaalia (BoneCeramic kalsiumfosfaatti ja BioRestore bioaktiivinen lasi) verrattiin rasvakudoksen kantasoluviljelmissä. Samalla tutkittiin yleisesti käytettyjen kasvutekijöiden luun morfogeneettisten proteiinien (BMP)-2, BMP-7 ja verisuonen endoteelin kasvutekijän (VEGF) tehokkuutta rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistuksessa. Koska kovien ja hauraiden keraamien istuttaminen siirrekohtaan leikkauksen aikana on vaikeaa ja ne sopivat huonosti kuormaakantaviin kohtiin, tutkimuksessa kehitettiin elastinen β-trikalsiumfosfaatti/poly(L-laktidi-ko-ε-kaprolaktoni) (βTCP/PLCL) komposiitti hyödyntäen ylikriittistä hiilidioksidi prosessointia. Näiden komposiittien kykyä tukea luun ja verisuonten muodostumista tutkittiin sekä rasvakudoksen kantasoluviljelmissä, että kanin reisiluun puutoksessa. Seuraavaksi kehitettiin 3D tulostuksen avulla polykaprolaktoni (PCL)/bioaktiivinen lasi-kupari – komposiitti, jonka soluyhteensopivuutta sekä kykyä tukea luun ja verisuonten muodostumista tutkittiin luuytimen kantasolujen viljelyssä sekä luuytimen kantasolujen ja napanuoran endoteelisolujen yhteisviljelyssä. BoneCeramic kalsiumfosfaatti ja BioRestore bioaktiivinen lasi vaikuttivat eri tavalla rasvakudoksen kantasoluihin: kalsiumfosfaattirakeet lisäsivät luuerilaistumista, kun taas bioaktiivinen lasi stimuloi solujen jakautumista. Luuerilaistusliuos oli merkittävästi tehokkaampi luuerilaistaja verrattuna kasvutekijöihin rasvakudoksen kantasolujen erilaistuksessa. Rasvakudoksen kantasolut eivät herkistyneet kasvutekijöille myöskään silloin, kun kasvutekijät yhdistettiin luuerilaistuliuokseen. Kehitetyt β-TCP/PLCL komposiitit tukivat rasvakudoksen kantasolujen elinkykyä, jakautumista ja luuerilaistumista. Rasvakudoksen kantasolut kykenivät erilaistumaan sekä luu- että endoteelisolujen suuntaan komposiiteilla, kun niitä viljeltiin endoteelierilaistusliuoksessa, mutta erilaistuminen jäi vaillinaiseksi. Luu- ja endoteelierilaistusliuosten sekoituksen näytettiin tukevan solujen luu- mutta ei endoteelierilaistumista. Kun komposiitti istutettiin kanin reisiluun puutokseen, luukudoksen todettiin kasvavan komposiitin pinnalla ja sen sisällä jo 4 viikkoa istutuksen jälkeen. Lisäksi se ei aiheuttanut tulehdusta tai saanut aikaan sidekudoksen tai kystien muodostusta. Kasvavalla kuparipitoisuudella huomattiin olevan sytotoksinen vaikutus luuytimen kantasoluihin, kun soluja viljeltiin PCL/bioaktiivinen lasi-kupari komposiiteilla. PCL/bioaktiivinen lasi komposiitti tuki hyvin luuerilaistumista, kun taas kuparin lisääminen heikensi komposiitin luun muodostuskykyä. Molemmat komposiitit tukivat verisuonirakenteiden muodostumista luuytimen kantasolujen ja napanuoran endoteelisolujen yhteisviljelyssä; kuparilla ei huomattu olevan merkittävää vaikutusta verisuonittumiseen. Yhteenvetona luuerilaistusliuos on tehokkaampi luuerilaistaja 3-ulotteisessa ympäristössä kuin yleisesti käytetyt kasvutekijät rasvakudoksen kantasoluille. Huokoinen β-TCP/PLCL komposiitti on lupaava synteettinen luusiirre, sillä se on kudosyhteensopiva, luunkasvua johtava ja sitä on helppo käyttää ja muokata leikkauksen aikana. Lisäksi komposiitti tukee rasvakudoksen kantasolujen endoteelierilaistumista, kun niitä viljellään endoteelierilaistusliuoksessa, mutta solujen erilaistus ei kehity kypsien endoteelisolujen tasolle 3 viikon erilaistuksen aikana. Tulostettu PCL/bioaktiivinen lasi komposiitti tukee luuerilaistumista sekä verisuonittumista, mutta kuparin lisääminen komposiittiin heikentää luuerilaistumista eikä paranna verisuonittumista. Tämä tutkimus osoittaa, että yhdistämällä luunkasvua johtavia keraameja synteettisiin polymeereihin voidaan luoda hyvin lupaavia, elastisia synteettisiä luusiirremateriaaleja verrattuna koviin keraameihin.Bone tissue is the second most common tissue transplant after blood transfusion and as people age, the need for bone transplants is expected to rise even more. Despite the great efforts in biomaterial research and development, autologous bone remains the benchmark among bone grafts whereas synthetic bone grafts are still less-used. Effective and reliable development of synthetic bone grafts require efficient cellular assessments in vitro including the evaluation of osteogenic as well as vasculogenic potential of the scaffolds. Adult stem cells, including human adipose stem cells (hASCs) and human bone marrow stem cells (hBMSCs), provide an excellent tool for this as they have been shown to differentiate to bone-forming cells and endothelial cells. However, efficient and cost-effective approaches to induce osteogenic and endothelial differentiation are still needed. This thesis focuses on the study and development of in vitro differentiation strategies for hASCs and hBMSCs in 3-dimensional (3D) culture in order to study and verify the feasibility of novel bone substitute materials. Firstly, two clinically used synthetic bone graft scaffolds, BoneCeramic composed of biphasic calcium phosphate and BioRestore composed of bioactive glass (BaG), were compared in hASC culture and, the effectiveness of commonly used growth factors bone morphogenetic protein (BMP)-2, BMP-7 and vascular endothelial growth factor (VEGF) on hASC osteogenesis were compared to OM. As ceramics are hard and brittle making them difficult to implant and undesirable to load-bearing sites, an elastic β-tricalciumphosphate/poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) (βTCP/PLCL) composite was developed using supercritical CO2 (scCO2) foaming. The capacity of the composites to support hASC osteogenesis and vasculogenesis were studied in vitro in hASC culture and in vivo in rabbit femur defect. Finally, 3D printed polycaprolactone (PCL)/copper-doped BaG composites were developed and their osteogenic and vasculogenic potential was studied in vitro in hBMSC culture and in a co-culture of hBMSCs and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). The two biomaterial scaffolds BoneCeramic and BioRestore demonstrated differential effects on hASCs: BoneCeramic induced ALP activity and collagen production of hASCs, while BioRestore stimulated hASC proliferation. In comparison to the growth factors, OM was more effective in the osteogenic differentiation of hASCs in vitro in BoneCeramic and BioRestore. On the other hand, combining the growth factors with OM did not sensitize hASCs to the growth factors. The β-TCP/PLCL composites supported the viability, proliferation and osteogenic differentiation of hASCs reliably in vitro. When studying the osteogenic and endothelial differentiation of hASCs in β-TCP/PLCL composites, hASCs differentiated towards both lineages when cultured in endothelial medium (EM) although the differentiation was left in a premature state. Culture in a cocktail medium of OM and EM supported osteogenic but not endothelial differentiation of hASCs. The in vivo study confirmed biocompatibility as well as osteoconductivity of the composite as no inflammation, fibrous tissue or cyst formation was detected and, native bone tissue was able to grow on and in the β-TCP/PLCL composite already at 4 weeks. In the evaluation of 3D printed PCL/BaG-Cu composites, copper was observed to have a dose-dependent cytotoxic effect on hBMSCs in vitro. The PCL/BaG composite induced hBMSC osteogenesis while the addition of copper in BaG had an inhibiting effect on the osteogenic differentiation of hBMSCs. In co-culture of hBMSCs and HUVECs, both PCL/BaG and PCL/BaG-Cu scaffolds supported tubule formation, but the added copper did not boost the vasculogenic effect of the composite. In conclusion, OM was shown to be a cost-effective osteogenic stimulant in 3D culture as compared to exogenously added growth factors. The feasibility of the scCO2 foamed β-TCP/PLCL composite as potential a bone graft for clinical use was evidenced in vitro and in vivo. The 3D printed PCL/BaG composite showed promise in supporting osteogenesis in vitro whereas the addition of copper hindered the osteogenic effect of the composite. Both PCL/BaG and PCL/BaG-Cu composites supported tubule formation in hBMSC+HUVEC co-culture but the copper did not induce the vasculogenic effect of the composite. To conclude, the elastic and bioactive synthetic polymer -based composites consisting osteoconductive ceramics are highly promising alternatives for synthetic bone grafts when compared to hard ceramics

Tilakohtainen kasvihuonekaasupäästöjen laskenta Taloustohtorissa

201

Uusi palvelu Taloustohtorissa - kasvihuonekaasupäästöjen laskenta

Maatalouden tuottamat kasvihuonekaasupäästöt raportoidaan YK:n Ilmastosopimuksen ja Kioton pöytäkirjan mukaisesti osana Suomen kokonaispäästöjä. Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) ohjeiden mukainen päästölaskenta on rakennettu niin, että maankäyttöä, maataloutta ja tilojen energiankäyttöä tarkastellaan erillään toisistaan. Yhteensä kaikki maatalousperäiset päästöt ovat noin 20% Suomen kokonaispäästöistä. Raportointisektorit ylittävä tarkastelu mahdollistaa maatilan tarkastelun kokonaisuutena.Luonnonvarakeskuksen (Luke) Taloustohtori-verkkopalvelu (www.luke.fi/taloustohtori) tarjoaa suuren määrän kannattavuuskirjanpitotilojen tietojen pohjalta laskettuja maa- ja puutarhatalousyritysten tulostietoja. Taloustohtori-järjestelmään rakennettiin verkkopalvelu, joka antaa kannattavuuskirjanpitotiloille mahdollisuuden tarkastella oman tilan kasvihuonekaasulaskelmia ja verrata tuloksia eri tilaryhmien keskiarvotuloksiin. Kuka tahansa pääsee tarkastelemaan tietojen pohjalta yleistettyjä keskiarvotietoja. Uusi verkkopalvelu sisältää maataloussektorin päästöt, turvepeltojen hiilidioksidipäästöt maankäytöstä ja tuotantoon liittyvän energiankäytön päästöt.Uudessa palvelussa kannattavuuskirjanpitotiloille lasketaan kasvihuonekaasupäästöt taannehtivasti vuodesta 2000 lähtien. Kannattavuuskirjanpidon raportointijärjestelmillä nämä tulokset painotetaan yleistettäväksi alueellisiksi keskiarvo- ja kokonaistuloksiksi, joten verkkopalvelu tarjoaa tietoa kaikille maatiloille ja myös maatalouspoliittiselle päätöksenteolle. Myös päästövähennysten taloudellisten vaikutusten tarkastelua voidaan kehittää, koska kannattavuuskirjanpitoaineisto sisältää sekä taloustiedot että tuotantotiedot.Kasvihuonekaasupäästöt lasketaan reaaliaikaisesti havainto- ja yrityskohtaisesta aineistosta. Suurin osa laskennassa tarvittavista tiedoista on Taloustohtorin tietokannassa. Kasvihuonekaasujen laskenta noudattaa IPCC:n 2006 Guidelines -ohjeistoa ja on yhdenmukainen Suomen kasvihuonekaasuinventaariossa käytettävien menetelmien kanssa. Kasvihuonekaasuinventaariossa käytettyjä menetelmiä yksinkertaistettiin hieman esimerkiksi käyttämällä keskiarvotietoja tietystä päästölähteestä perustuen raportoituihin päästöihin, jotta järjestelmän ylläpitotyömäärä pysyy kohtuullisena. Näin myöskään laskennassa tarvittava tietomäärä ei nouse kohtuuttoman suureksi.Laskennan lopputuloksena raportoidaan sekä tilakohtaisesti että alueellisesti 1. metaanipäästöt tuotantoeläimistä ja lannasta, 2. dityppioksidipäästöt lannasta ja maaperästä, 3. hiilidioksidipäästöt kalkituksesta, 4. hiilidioksidipäästöt eloperäisten peltojen maaperästä. 5. hiilidioksidipäästöt maatilan energiankäytöstä

A novel CT‑based automated analysis method provides comparable results with MRI in measuring brain atrophy and white matter lesions

Purpose Automated analysis of neuroimaging data is commonly based on magnetic resonance imaging (MRI), but sometimes the availability is limited or a patient might have contradictions to MRI. Therefore, automated analyses of computed tomography (CT) images would be beneficial. Methods We developed an automated method to evaluate medial temporal lobe atrophy (MTA), global cortical atrophy (GCA), and the severity of white matter lesions (WMLs) from a CT scan and compared the results to those obtained from MRI in a cohort of 214 subjects gathered from Kuopio and Helsinki University Hospital registers from 2005 - 2016. Results The correlation coefficients of computational measures between CT and MRI were 0.9 (MTA), 0.82 (GCA), and 0.86 (Fazekas). CT-based measures were identical to MRI-based measures in 60% (MTA), 62% (GCA) and 60% (Fazekas) of cases when the measures were rounded to the nearest full grade variable. However, the difference in measures was 1 or less in 97-98% of cases. Similar results were obtained for cortical atrophy ratings, especially in the frontal and temporal lobes, when assessing the brain lobes separately. Bland-Altman plots and weighted kappa values demonstrated high agreement regarding measures based on CT and MRI. Conclusions MTA, GCA, and Fazekas grades can also be assessed reliably from a CT scan with our method. Even though the measures obtained with the different imaging modalities were not identical in a relatively extensive cohort, the differences were minor. This expands the possibility of using this automated analysis method when MRI is inaccessible or contraindicated.Peer reviewe

Neurofilament light level correlates with brain atrophy, and cognitive and motor performance

Peer reviewe

Childhood Exposure to Passive Smoking and Bone Health in Adulthood : The Cardiovascular Risk in Young Finns Study

Context: Passive smoke exposure has been linked to the risk of osteoporosis in adults. Objective: We examined the independent effects of childhood passive smoke exposure on adult bone health. Design/Setting: Longitudinal, the Cardiovascular Risk in Young Finns Study. Participants: The study cohort included 1422 individuals followed for 28 years since baseline in 1980 (age 3 to 18 years). Exposure to passive smoking was determined in childhood. In adulthood, peripheral bone traits were assessed with peripheral quantitative CT (pQCT) at the tibia and radius, and calcaneal mineral density was estimated with quantitative ultrasound. Fracture data were gathered by questionnaires. Results: Parental smoking in childhood was associated with lower pQCT-derived bone sum index in adulthood (beta +/- SE, -0.064 +/- 0.023 per smoking parent; P= 0.004) in multivariate models adjusted for age, sex, active smoking, body mass index, serum 25-OH vitamin D concentration, physical activity, and parental socioeconomic position. Similarly, parental smoking was associated with lower heel ultrasound estimated bone mineral density in adulthood (beta +/- SE, -0.097 +/- 0.041 per smoking parent; P = 0.02). Parental smoking was also associated with the incidence of low-energy fractures (OR, 1.28; 95% CI, 1.01 to 1.62). Individuals with elevated cotinine levels (3 to 20 ng/mL) in childhood had lower bone sum index with pQCT (beta +/- SE, -0.206 +/- 0.057; P = 0.0003). Children whose parents smoked and had high cotinine levels (3 to 20 ng/mL) had significantly lower pQCT-derived bone sum index compared with those with smoking parents but had low cotinine levels ( Conclusions and Relevance: Children of parents who smoke have evidence of impaired bone health in adulthood.Peer reviewe

Childhood Exposure to Passive Smoking and Bone Health in Adulthood: The Cardiovascular Risk in Young Finns Study

Context: Passive smoke exposure has been linked to the risk of osteoporosis in adults.Objective: We examined the independent effects of childhood passive smoke exposure on adult bone health.Design/Setting: Longitudinal, the Cardiovascular Risk in Young Finns Study.Participants: The study cohort included 1422 individuals followed for 28 years since baseline in 1980 (age 3 to 18 years). Exposure to passive smoking was determined in childhood. In adulthood, peripheral bone traits were assessed with peripheral quantitative CT (pQCT) at the tibia and radius, and calcaneal mineral density was estimated with quantitative ultrasound. Fracture data were gathered by questionnaires.Results: Parental smoking in childhood was associated with lower pQCT-derived bone sum index in adulthood (beta +/- SE, -0.064 +/- 0.023 per smoking parent; P= 0.004) in multivariate models adjusted for age, sex, active smoking, body mass index, serum 25-OH vitamin D concentration, physical activity, and parental socioeconomic position. Similarly, parental smoking was associated with lower heel ultrasound estimated bone mineral density in adulthood (beta +/- SE, -0.097 +/- 0.041 per smoking parent; P = 0.02). Parental smoking was also associated with the incidence of low-energy fractures (OR, 1.28; 95% CI, 1.01 to 1.62). Individuals with elevated cotinine levels (3 to 20 ng/mL) in childhood had lower bone sum index with pQCT (beta +/- SE, -0.206 +/- 0.057; P = 0.0003). Children whose parents smoked and had high cotinine levels (3 to 20 ng/mL) had significantly lower pQCT-derived bone sum index compared with those with smoking parents but had low cotinine levels (Conclusions and Relevance: Children of parents who smoke have evidence of impaired bone health in adulthood.</div

Meriseurannan tiekartta – SYKEn ylläpitämien ja koordinoimien meren tilaseurantojen nykytila ja kehittäminen

Raportissa kuvataan nykyiset SYKEn ylläpitämät ja koordinoimat meren kuormitus- ja tilaseurannat ja esitetään tavoitteita seurantojen kehittämiselle ja seurantatiedon käytön tehostamiselle vuoteen 2026 mennessä. Työ perustuu vuonna 2016 tehtyyn meriseurantojen toteutusta ja niiden kehittämistarvetta koskeneeseen kyselyyn, joka lähetettiin n. 30 seurantojen ja kehittämishankkeiden vastuuhenkilölle SYKEssä. Vastausten perusteella koottiin tiekartan alustava luonnos, jota on vuosina 2018-2019 päivitetty ja tarkistettu yhteistyössä seurantojen ja kehittämishankkeiden vastuuhenkilöiden kanssa. Nyt raportoitava versio antaa ajantasaisen kuvan SYKEn ylläpitämistä ja koordinoimista meren tilaseurannoista ja niiden kehittämisestä heinäkuussa 2020 alkaneen merenhoidon toisen seurantakauden kynnyksellä. Työ jakautuu aihealueisiin, joita ovat manuaaliseen näytteenottoon perustuva seuranta, automaatio, kaukokartoitus, kansalaishavainnointi, seurannan tietojärjestelmät, mallinnus ja sen tietotarpeet, seurantojen optimointi ja aineistojen yhteiskäyttö sekä merenhoidon ja HELCOM -työn tietotarpeet. Lisäksi tarkastellaan seuranta-aineistojen käyttöä. Seurantojen kehittämiselle esitetään välittömät tavoitteet (vastikään valmistunut tai valmistumassa oleva kehittämistyö) sekä tavoitteet vuoden 2020 aikana ja vuoteen 2026 mennessä