In vitro and in vivo studies of retinoic acid effect on mouse T cells

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Humana e Ambiente). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010A vitamina A tem um forte impacto em vários sistemas do organismo, particularmente no sistema imune. A deficiência desta vitamina pode provocar alterações no número e função de diversos tipos celulares como neutrófilos, macrófagos e linfócitos T. Carências alimentares, falhas na absorção ou diminuição de transportadores da vitamina A têm a capacidade de modificar a resposta imune. O mesmo é aplicado aos derivados desta vitamina que, após ser ingerida sob a forma de retinol, pode ser degradada em diversos compostos, entre os quais, o ácido retinóico. De natureza hidrofóbica e através de transportadores e receptores específicos, o ácido retinóico consegue actuar sobre uma grande variedade de células. Esta capacidade leva a que o ácido retinóico possa modelar fenómenos tão distintos como o desenvolvimento, manutenção de epitélios e até a visão. Segundo estudos publicados, esta forma activa da vitamina A parece também ter impacto no desenvolvimento das células T in vivo. Dentro do timo é possível distinguir diferentes tipos de populações celulares, de acordo com diferentes marcadores de superfície expressos por cada uma delas. Os timócitos que passam pelo processo de maturação e selecção tímica são identificados pela expressão de moléculas CD4 e/ou CD8, sendo chamadas de duplamentenegativas (CD4- CD8-), duplamente-positivas (CD4+ CD8+), e finalmente de singularmente-positivas CD4 ou CD8 (celulas CD4+ CD8- ou CD4- CD8+, respectivamente). Dentro das moléculas que influem na selecção tímica das células T podemos encontrar o receptor da célula T (TCR) e alguns co-receptores. O TCR está acoplado a moléculas do complexo CD3 e a sua estimulação pode ser mimetizada pela activação deste complexo. Quando anti-CD3 é injectado em murganhos é possível eliminar em grande escala as células duplamente-positivas. A maturação das células T ocorre na periferia após o contacto com antigénios. Nas células T podemos encontrar as células T reguladoras (Tregs), essenciais na supressão da resposta imune. Algumas destas células expressam CD4 e Foxp3, marcador pelo qual são actualmente identificadas. Na sua maioria podem também expressar CD25, um dos componentes do receptor de IL-2, também conhecido como marcador de activação celular. As Tregs têm um papel central dentro do sistema imunitário, controlando o desenvolvimento de doenças auto-imunes. Porém, a sua geração dentro do timo continua a ser pouco entendida. Compreender as Tregs e todas as células T na sua geração e função ajudará a perceber e controlar o sistema imune nas situações de equilíbrio e doença. Fora do timo (na periferia) existem outras substâncias que têm impacto na modelação da conversão periférica de Tregs, como TGF-β ou ácido retinóico. Esta forma activa da vitamina A foi descrita como sendo colaboradora na diferenciação de células T reguladoras a partir de células T CD4 maduras via TGF-β. Este fenómeno de conversão periférica é apenas conhecido a partir de células T CD4 maduras de orgãos linfóides secundários. Não se sabe que papel poderá o ácido retinóico desempenhar na geração primária de Tregs dentro do timo. Identificada a presença de enzimas que catalisam a formação de ácido retinóico a partir de retinal, em células epiteliais tímicas, surgem evidências de que possa haver um papel destinado ao ácido retinóico na geração de timócitos. Estas enzimas existem igualmente em células dendríticas CD103+, residentes no tracto gastro-intestinal, células essenciais à produção de ácido retinóico e consequente conversão periférica das Tregs. Face aos factos apresentados, o principal objectivo deste projecto é entender o papel do ácido retinóico no desenvolvimento de células T dentro do Timo. Com esta dissertação pretende-se: 1) Estudar o efeito do ácido retinóico no número e geração de células T com e sem anti-CD3; 2) Conhecer a acção do ácido retinóico nas interacções celulares das Tregs dentro do timo; 3) Aprofundar os conhecimentos sobre a cinética do ácido retinóico em murganhos. De modo a cumprir os objectivos traçados, foi desenvolvida uma abordagem in vitro e in vivo em murganhos, com paragem do tratamento com ácido retinóico em tempos específicos. Em ambas as situações foi estudado o efeito conjunto do ácido retinóico com o anti-CD3. Desconhecendo a cinética da acção do ácido retinóico no murganho, escolheram-se dois intervalos de tempo (20h e 40h), tendo como base estudos de depleção de células duplamente-positivas in vivo. Foram estabelecidas culturas in vitro de timócitos com várias doses de ácido retinóico. Os tratamentos in vivo com e sem ácido retinóico (300μg/animal) em murganhos, com posterior análise de timócitos, foram apenas uma parte do estudo destinado a perceber o efeito no número de células T. A análise de timócitos foi efectuada recorrendo à citometria de fluxo, onde foi possível quantificar a expressão de CD4, CD8, CD25 e Foxp3 de acordo com os compostos testados. De forma a complementar este dados, foram também realizadas experiências in vivo sob uma perspectiva única e inovadora, com aquisição e análise de imagens intravitais de timos pertencentes a animais tratados ou não com ácido retinóico (300μg/animal). Deste modo, este estudo permitiu revelar não só o efeito do ácido retinóico no número de células T, bem como importantes interacções celulares que ocorrem durante a geração de células Tregs. Sabe-se que estas interacções são fundamentais no desenvolvimento dos primeiros timócitos Foxp3+ que advêm do compartimento das duplamente-positivas. Se as Tregs estiverem confinadas em diferentes “nichos” dentro do órgão, apenas a imagem intravital permite a sua observação. Este protocolo que inclui todos os procedimentos cirúrgicos necessários, foi desenvolvido pelo orientador deste projecto. Tendo ao seu dispor um microscópio 2-fotões, o Dr. Carlos Tadokoro adquiriu importantes dados preliminares que possibilitaram a aprendizagem e obtenção de imagens com os respectivos resultados e conclusões. Este estudo fornece indícios da função do ácido retinóico, embora não permita perceber o efeito do RA nas vias intracelulares da geração de células T. À luz dos dados recolhidos pode-se concluir que o efeito do ácido retinóico é potenciado apenas após 40h de tratamento, embora não pareça ter acção sinergética com o anti- CD3. Parece não existir qualquer efeito significativo sobre as Tregs embora esta substância, por si só, tenha impacto na diminuição de células duplamente-positivas. Não se verificaram alterações no número de células T CD4+ ou CD8+ 40h após o tratamento com RA. O efeito sobre as células duplamente-positivas pode afectar todos os compartimentos celulares subjacentes, nos quais se incluem as singularmentepositivas. Talvez o efeito do RA sobre as Tregs seja visível mais tarde, após a acção no desenvolvimento de células T não-Tregs. Através da imagem intravital no timo, verificou-se que a velocidade das Tregs dentro do timo não aumentou após o tratamento com 300 μg/murganho. Esta menor mobilidade pode indicar maior tempo de contacto célula-célula, o que por sua vez, pode evidenciar maior quantidade de contactos longos e estáveis com células apresentadoras de antigénios. Este contacto com antigénios é muito importante na educação tímica das células T, que são seleccionadas conforme a resposta que apresentam via TCR. Qualquer resposta abaixo do limiar ou mesmo de elevada afinidade, leva à delecção ou anergia das células, evitando assim respostas inadequadas do sistema imune. Este estudo sobre o ácido retinóico permitiu elucidar importantes questões embora continue muito por esclarecer. Toda e qualquer ponte entre a nutrição e a imunologia necessita de mais e melhores estudos para que se possa compreender o papel de nutrientes modeladores da resposta imune. Só assim poder-se-á partir para uma abordagem terapêutica, onde seja possível orientar o sistema imune e contornar algumas patologias indesejáveis.Vitamin A has a strong impact inside the immune system, as vitamin A deficiency is able to modify the immune response against infection, neutrophils function, and T cells numbers. Retinoic acid (RA) is one of vitamin A active compounds, and it is effective in peripheral conversion of mature CD4 T cells into regulatory T cells (Tregs) by TGF-β. RA produced by dendritic cells in the gut, or exogenously given, is able to increase numbers of CD4+ Foxp3+ T cells. Tregs are critical to maintain immune regulation and prevention of autoimmune manifestations. Inside the thymus, where T cells are primarily generated, there is evidence that epithelial cells produce enzymes capable of convert retinol into RA. Since there is RA modulation in the periphery, we decided to test the role of retinoic acid in T cells development inside the thymus. To accomplish this goal, in vitro and in vivo studies were performed in mice, in two different timepoints: 20h and 40h. In addition, anti-CD3 depletion effect on T cells was study in coordination with RA action. In vitro thymocytes cultures, in vivo treatments on B6 and B10.PL mice, and intravital imaging of thymus were performed during this project. The results show that RA had much thymic influence after 40h of treatment, causing DP depletion. Moreover, RA seems to not interfere with anti-CD3 effect on DP depletion. All together, this results show that RA is potentially a modulator on thymic T cell development. However, more studies are needed to complement and to comprehend the acquired data. Understanding the connections between nutrition and immunology can be essential to know how to modulate immune response and to attempt new therapeutical and safe strategies towards disease

Second order semiclassical theory of Bloch electrons in uniform electromagnetic fields

textBerry curvature appears in the semi-classical theory of Bloch electrons already to first order in electromagnetic fields, resulting in profound modification of the carrier velocity and phase space density of states. Here we derive the equations of motion for the physical position and crystal momentum to second order in the fields. The dynamics still has a Hamiltonian structure, albeit with noncanonical Poisson brackets between the physical variables. We are able to expand both the carrier energy and the Poisson brackets to second order in the fields with terms of clear physical meaning. To demonstrate the utility of our theory, we obtain with much ease the electromagnetic response and orbital magnetic susceptibility.Physic

Antigone

Thesis (M.A.)--Boston University Bibliography at end of Section II

Sulfur-house operation /

C38

Sun-drying fruits

C39

Models and Solutions of Resource Allocation Problems based on Integer Linear and Nonlinear Programming

In this thesis we deal with two problems of resource allocation solved through a Mixed-Integer Linear Programming approach and a Mixed-Integer Nonlinear Chance Constraint Programming approach. In the first part we propose a framework to model general guillotine restrictions in two dimensional cutting problems formulated as Mixed-Integer Linear Programs (MILP). The modeling framework requires a pseudo-polynomial number of variables and constraints, which can be effectively enumerated for medium-size instances. Our modeling of general guillotine cuts is the first one that, once it is implemented within a state of-the-art MIP solver, can tackle instances of challenging size. Our objective is to propose a way of modeling general guillotine cuts via Mixed Integer Linear Programs (MILP), i.e., we do not limit the number of stages (restriction (ii)), nor impose the cuts to be restricted (restriction (iii)). We only ask the cuts to be guillotine ones (restriction (i)). We mainly concentrate our analysis on the Guillotine Two Dimensional Knapsack Problem (G2KP), for which a model, and an exact procedure able to significantly improve the computational performance, are given. In the second part we present a Branch-and-Cut algorithm for a class of Nonlinear Chance Constrained Mathematical Optimization Problems with a finite number of scenarios. This class corresponds to the problems that can be reformulated as Deterministic Convex Mixed-Integer Nonlinear Programming problems, but the size of the reformulation is large and quickly becomes impractical as the number of scenarios grows. We apply the Branch-and-Cut algorithm to the Mid-Term Hydro Scheduling Problem, for which we propose a chance-constrained formulation. A computational study using data from ten hydro plants in Greece shows that the proposed methodology solves instances orders of magnitude faster than applying a general-purpose solver for Convex Mixed-Integer Nonlinear Problems to the deterministic reformulation, and scales much better with the number of scenarios

Role of new ultrasound technologies in the assessment of portal hypertension in patients with chronic liver disease

Introduzione – Nei pazienti con epatopatia cronica, l'ipertensione portale rappresenta la causa delle principali complicanze (sanguinamento da varici, ascite, encefalopatia epatica) che, insieme all’epatocarcinoma, costituiscono la causa più importante di ospedalizzazione e mortalità. Le metodiche gold-standard per la valutazione dell’ipertensione portale sono la misurazione del gradiente di pressione venosa epatica (HVPG) mediante cateterismo delle vene sovraepatiche e l’esofagogastroduodenoscopia (EGDS) per la ricerca delle varici gastroesofagee; entrambi sono esami invasivi, complessi e costosi. Obiettivi – Analizzare il ruolo delle nuove tecnologie basate sugli ultrasuoni, in particolare dell’elastografia epatica e splenica, nella valutazione non invasiva dell’ipertensione portale. Pazienti e metodi – Sono stati arruolati 64 pazienti con epatopatia cronica compensata sottoposti a misurazione dell’HVPG e/o EGDS e ad elastografia epatica, ed eventualmente splenica, mediante almeno una metodica tra Fibroscan, Elast-PQ e 2D-SWE Aixplorer, per ciascuna delle quali è stata valutata la correlazione tra i valori di stiffness ed i valori di HVPG e l’accuratezza diagnostica per l’ipertensione portale clinicamente significativa (HVPG ≥ 10 mmHg) e le varici esofagee. Risultati – Per tutte e tre le metodiche è stata evidenziata la presenza di una correlazione tra i valori di stiffness epatica e splenica ed i valori di HVPG ed una buona capacità dell’elastografia epatica di predire la presenza o meno sia dell’ipertensione portale clinicamente significativa che delle varici esofagee, anche se con cut-off diversi a seconda della metodica utilizzata. Per l’elastografia splenica invece solo due metodiche su tre (Fibroscan ed Elast-PQ) hanno mostrato una buona accuratezza diagnostica per l’ipertensione portale clinicamente significativa, mentre nessuna aveva un ruolo di rilievo nella diagnosi delle varici esofagee. Conclusioni – Si conferma il ruolo dell’elastografia epatica nella diagnosi non invasiva dell’ipertensione portale clinicamente significativa e delle varici esofagee, con cut-off diversi a seconda della tecnologia utilizzata. Meno rilevante è risultato, nella nostra casistica, il ruolo dell’elastografia splenica.Introduction – In patients with chronic liver disease, portal hypertension is responsible for the development of complications (variceal bleeding, ascites, hepatic encephalopathy) which represent, together with hepatocellular carcinoma, the main cause of hospitalization and mortality. Gold standard methods for the evaluation of portal hypertension are hepatic venous pressure gradient (HVPG) measurement through hepatic vein catheterization and endoscopy; both are invasive, complex and expensive examinations. Aim – To investigate the role of new ultrasound-based technologies, especially liver and spleen elastography, in the non-invasive evaluation of portal hypertension. Patients and methods – We enrolled 64 patients with compensated chronic liver disease who underwent HVPG measurement and/or endoscopy and liver stiffness measurement (if possible together with spleen stiffness measurement) using at least one technology among Fibroscan, Elast-PQ and 2D-SWE Aixplorer. For each technology, we evaluated the correlation between stiffness measurements and HVPG values and the diagnostic accuracy for clinically significant portal hypertension (HVPG ≥ 10 mmHg) and oesophageal varices. Results – All the technologies showed a correlation between liver and spleen stiffness measurements and HVPG values and a good performance of liver elastography to predict the presence or not of both clinically significant portal hypertension and oesophageal varices, even if the cut-off were different according to the technology used. Regarding spleen elastography, only two out of three technologies showed good diagnostic accuracy for clinically significant portal hypertension, while no one played a considerable role in the diagnosis of oesophageal varices. Conclusions – We confirmed the role of liver elastography in the non-invasive diagnosis of clinically significant portal hypertension and oesophageal varices, with different cut-off according to the technology used. The role of spleen elastography was less notable

Measurement of Nitric Oxide Production from Lymphatic Entothelial Cells Under Mechanical Stimuli

The lymphatic system plays an important role in fluid and protein balance within the interstitial spaces. Its dysfunction could result in a number of debilitating diseases, namely lymphedema. Lymphatic vessels utilize both intrinsic and extrinsic mechanisms to pump lymph. Intrinsic pumping involves the active contraction of vessels, a phenomenon that is regulated in part by nitric oxide (NO) produced by lymphatic endothelial cells (LECs). NO production by arterial endothelial cells has been shown to be sensitive to both shear stress and stretch. Therefore, because of the unique mechanical environment of the LECs, we hypothesize that mechanical forces play an important role in regulation of the lymphatic pumping. Parallel-plate flow chambers and indenter-based cyclic stretch devices were constructed and used to apply mechanical loads to LECs. In addition, high-throughput micro-scale channels were developed and tested for shear experiments to address the need to increase the productivity and high- resolution imaging. Twenty-four hours treatment of LECs with different shear stress conditions showed a shear-dependent elevation in NO production. Moreover, 2.5 folds increase in cumulative NO was observed for stretched cells compared to the unstretched cells over six hours period. In conclusion, the upregulation observed in NO production under mechanical stimuli suggest new regulatory mechanisms that can be pharmaceutically targeted. These results provide an unprecedented insight into lymphatic pumping mechanism

Peak Population: Timing and Influences of Peak Energy on the World and the United States

Peak energy is the notion that the world’s total production of usable energy will reach a maximum value and then begin an inexorable decline. Ninety-two percent of the world’s energy is currently derived from the non-renewable sources (oil, coal, natural gas and nuclear). As each of these non-renewable sources individually peaks in production, we can see total energy production peak. The human population is tightly correlated with global energy production, as agriculture and material possessions are energy intensive. It follows that peak energy should have a significant effect on world population. Using a set of mathematical models, including M King Hubbert’s oil peak mathematics, we prepared three models. The first approached the peak energy and population problem from the point of view of a “black-box” homogeneous world. The second model divides the world into ten major regions to study the global heterogeneity of the peak energy and population question. Both of these models include various scenarios for how the world population will develop based on available energy and per capita consumption of that energy. The third model examines energy and climate change within the forty-eight contiguous American states in order to identify some of the “best” and some of the “worst” states in which to live in the year 2050. The black box model indicates that peak energy will occur in 2026 at a maximum production of 104.1 billion barrels of oil equivalent (BBOE). Total energy production in 2011 was 92.78 BBOE. Three scenarios of different energy consumption rates suggest a peak world population occurring between 2026 and 2036, at 7.6-8.3 billion. The regional model indicates that even as each region protects its own energy resources, most of the world will reach peak energy by 2030, and world populations peak between 7.5 and 9 billion. A certain robustness in our conclusion is warranted as similar numbers were obtained via two separate approaches. The third model used several different parameters in order to ascertain that, in general, states that are projected to slow towards flat-line population growth and to become milder due to climate change such as Rhode Island, New York and Ohio are far more suitable with regard to an energy limited world than states that are projected to grow in population as well as become less mild due to climate change such as Texas, Arizona and Nevada. Each of these models in its own way foreshadows necessary changes that the world will experience as the 21st century progresses. The economies of the world have been, and continue to be, built on energy. When energy production is unable to continue growing it must follow that economies will be unable to grow. As the world approaches and passes peak energy, the standard of living in the less developed areas of the world cannot improve without sacrifices being made in the developed world

Stochastic Modeling and Statistical Properties of Biological Systems Inferred from Omics Data

In this thesis we aim to describe the dynamic processes that govern the evolution of two very different ecological systems. First, we consider the ensemble of bacteria that populate the intestine (Gut Microbiota, GM), which has been proven to have great impact on human health, being associated to several metabolic and immunological diseases. Then, we deal with the set of protein domains enclosed in the genome of living organisms. In general, the neutrality hypothesis, that was proposed by Hubbell as the Ockham’s razor for ecology, is a respectable approximation for both the GM and the protein domains ecosystems. In the first case, a birth-death model that takes into account demographic noise is able to describe the population dynamics if we relax the neutrality assumption and consider two non-interacting niches in which species equivalence holds. Interestingly, the biodiversity index derived from our modeling predicts healthy aging with better accuracy than common indices. When constructing the empirical Relative Species Abundances distribution (RSA) for GM, a fundamental step regards the clustering of particular DNA sequences (16S rRNA). This is a critical task that enables to redefine the concept of species according to the phylogenetic tree. Here we introduce LOC-kNN, that is a parameter-free clustering algorithm recently developed by d’Errico et al, and we adapt it for this purpose. LOC-kNN detects clusters as density peaks based on the dataset topography and, besides still having difficulties in detecting small clusters, shows promising performances. Finally, for what concerns the protein domains ecosystem, environmental noise should also be taken into account. This has a multiplicative effect and, together with the introduction of the Gompertzian death hypothesis, predicts a Poisson Log-Normal RSA. The model fits well the protein domain RSA and captures the dynamics of genome evolution, manifesting good agreement with the phylogenetic distances among bacteria