Contribución al estudio de propiedades ópticas en medios heterogéneos

Como contribución del estudio de medios heterogéneos, esta tesis recoge el trabajo llevado a cabo sobre modelado teórico y simulación del estudio de las propiedades ópticas de la piel y del agua del mar, como ejemplos paradigmáticos de medios heterogéneos. Se ha tomado como punto de partida el estudio de la propagación de la radiación óptica, más concretamente de la radiación láser, en un tejido biológico. La importancia de la caracterización óptica de un tejido es fundamental para manejar la interacción radiación-tejido que permite tanto el diagnóstico como la terapéutica de enfermedades y/o de disfunciones en las Ciencias de la Salud. Sin olvidar el objetivo de ofrecer una metodología de estudio, con un «enfoque ingenieril», de las propiedades ópticas en un medio heterogéneo, que no tiene por qué ser exclusivamente el tejido biológico. Como consecuencia de lo anterior y de la importancia que tiene el agua dentro de los tejidos biológicos se decide estudiar en otro capítulo las propiedades ópticas del agua dentro de un entorno heterogéneo como es el agua del mar. La selección del agua del mar, como objeto de estudio adicional, es motivada, principalmente, porque se trata de un sistema heterogéneo fácilmente descriptible en cada uno de sus elementos y permite evaluar una amplia bibliografía. Además se considera que los avances que han tenido lugar en los últimos años en las tecnologías fotónicas van a permitir su uso en los métodos experimentales de análisis de las aguas. El conocimiento de sus propiedades ópticas permite caracterizar los diferentes tipos de aguas de acuerdo con sus compuestos, así como poder identificar su presencia. Todo ello abre un amplio abanico de aplicaciones. En esta tesis doctoral, se ha conseguido de manera general: • Realizar un estudio del estado del arte del conocimiento de las propiedades ópticas de la piel y la identificación de sus elementos dispersores de la luz. • Establecer una metodología de estudio que nos permita obtener datos sobre posibles efectos de la radiación en los tejidos biológicos. •Usar distintas herramientas informáticas para simular el transporte de la radiación laser en tejidos biológicos. • Realizar experimentos mediante simulación de láser, tejidos biológicos y detectores. • Comparar los resultados conocidos experimentalmente con los simulados. • Estudiar los instrumentos de medida de la respuesta a la propagación de radiación laser en tejidos anisotrópicos. • Obtener resultados originales para el diagnóstico y tratamiento de pieles, considerando diferente razas y como alteración posible en la piel, se ha estudiado la presencia del basalioma. • Aplicación de la metodología de estudio realizada en la piel a la simulación de agua de mar. • Obtener resultados originales de simulación y análisis de cantidad de fitoplancton en agua; con el objetivo de facilitar la caracterización de diferentes tipos de aguas. La tesis doctoral se articula en 6 capítulos y 3 anexos perfectamente diferenciados con su propia bibliografía en cada uno de ellos. El primer capítulo está centrado en la problemática del difícil estudio y caracterización de los medios heterogéneos debidos a su comportamiento no homogéneo y anisotrópico ante las radiaciones ópticas. Así pues, presentaremos una breve introducción al comportamiento tanto de los tejidos como del océano ante radiaciones ópticas y definiremos sus principales propiedades: la absorción, el scattering, la anisotropía y los coeficientes de reflexión. Como continuación, un segundo capítulo trata de acercarnos a la resolución del problema de cómo caracterizar las propiedades ópticas descritas en el primer capítulo. Para ello, primero se introducen los modelos teóricos, en segundo lugar los métodos de simulación más empleados y, por último, enumerar las principales técnicas de medida de la propagación de la luz en los tejidos vivos. El tercer capítulo, centrado en la piel y sus propiedades, intenta realizar una síntesis de lo que se conoce sobre el comportamiento de la piel frente a la propagación de las radiaciones ópticas. Se estudian sus elementos constituyentes y los distintos tipos de pieles. Por último se describe un ejemplo de aplicación más inmediata que se beneficia de este conocimiento. Sabemos que el porcentaje de agua en el cuerpo humano es muy elevado, en concreto en la piel se considera de aproximadamente un 70%. Es obvio, por tanto, que conocer cómo afecta el agua en la propagación de una radiación óptica facilitaría el disponer de patrones de referencia; para ello, se realiza el estudio del agua del mar. En el cuarto capítulo se estudian las propiedades del agua del mar como medio heterogéneo de partículas. En este capítulo presentamos una síntesis de los elementos más significativos de dispersores en el océano, un estudio de su comportamiento individual frente a radiaciones ópticas y su contribución al océano en su conjunto. Finalmente, en el quinto capítulo se describen los resultados obtenidos en los distintos tipos de simulaciones realizadas. Las herramientas de simulación empleadas han sido las mismas tanto para el caso del estudio de la piel como para el agua del mar, por ello ambos resultados son expuestos en el mismo capítulo. En el primer caso se analizan diferentes tipos de agua oceánica, mediante la variación de las concentraciones de fitoplancton. El método empleado permite comprobar las diferencias que pueden encontrarse en la caracterización y diagnóstico de aguas. El segundo caso analizado es el de la piel; donde se estudia el comportamiento de distintos tipos de piel, se analizan para validar el método y se comprueba cómo el resultado es compatible con aplicaciones, actualmente comerciales, como la de la depilación con láser. Como resultado significativo se muestra la posible metodología a aplicar para el diagnóstico del cáncer de piel conocido como basalioma. Finalmente presentamos un capítulo dedicado a los trabajos futuros basados en experimentación real y el coste asociado que implicaría el llevarlo a cabo. Los anexos que concluyen la tesis doctoral versan por un lado sobre el funcionamiento del vector común de toda la tesis: el láser, sus aplicaciones y su control en la seguridad y por otro presentamos los coeficientes de absorción y scattering que hemos utilizado en nuestras simulaciones. El primero condensa las principales características de una radiación láser desde el punto de vista de su generación, el segundo presenta la seguridad en su uso y el tercero son tablas propias, cuyos parámetros son los utilizados en el apartado de experimentación. Aunque por el tipo de tesis que defiendo no se ajusta a los modelos canónicos de tesis doctoral, el lector podrá encontrar en esta tesis de forma imbricada, el modelo común a todas las tesis o proyectos de investigación con una sección dedicada al estado del arte con ejemplos pedagógicos para facilitar la compresión y se plantean unos objetivos (capítulos 1-4), y un capítulo que se subdivide en materiales y métodos y resultados y discusiones (capítulo 5 con sus subsecciones), para finalizar con una vista al futuro y los trabajos futuros que se desprenden de la tesis (capítulo 6). ABSTRACT As contribution to the study of heterogeneous media, this thesis covers the work carried out on theoretical modelling and simulation study of the optical properties of the skin and seawater, as paradigmatic examples of heterogeneous media. It is taken as a starting point the study of the propagation of optical radiation, in particular laser radiation in a biological tissue. The importance of optical characterization of a tissue is critical for managing the interaction between radiation and tissues that allows both diagnosis and therapy of diseases and / or dysfunctions in Health Sciences. Without forgetting the aim of providing a methodology of study, with "engineering approach" of the optical properties in a heterogeneous environment, which does not have to be exclusively biological tissue. As a result of this and the importance of water in biological tissues, we have decided to study the optical properties of water in a heterogeneous environment such as seawater in another chapter. The selection of sea water as an object of further study is motivated mainly because it is considered that the advances that have taken place in recent years in photonic technologies will allow its use in experimental methods of water analysis. Knowledge of the optical properties to characterize the different types of waters according to their compounds, as well as to identify its presence. All of this opens a wide range of applications. In this thesis, it has been generally achieved: • Conduct a study of the state of the art knowledge of the optical properties of the skin and identifying its light scattering elements. • Establish a study methodology that allows us to obtain data on possible effects of radiation on biological tissues. • Use different computer tools to simulate the transport of laser radiation in biological tissues. • Conduct experiments by simulating: laser, detectors, and biological tissues. • Compare the known results with our experimentally simulation. • Study the measuring instruments and its response to the propagation of laser radiation in anisotropic tissues. • Get innovative results for diagnosis and treatment of skin, considering different races and a possible alteration in the skin that we studied: the presence of basal cell carcinoma. • Application of the methodology of the study conducted in the skin to simulate seawater. • Get innovative results of simulation and analysis of amount of phytoplankton in water; in order to facilitate the characterization of different types of water. The dissertation is divided into six chapters and three annexes clearly distinguished by their own literature in each of them. The first chapter is focused on the problem of difficult study and characterization of heterogeneous media due to their inhomogeneous and anisotropic behaviour of optical radiation. So we present a brief introduction to the behaviour of both tissues at the cellular level as the ocean, to optical radiation and define the main optical properties: absorption, scattering, anisotropy and reflection coefficients. Following from this, a second chapter is an approach to solving the problem of how to characterize the optical properties described in the first chapter. For this, first the theoretical models are introduced, secondly simulation methods more used and, finally, the main techniques for measuring the propagation of light in living tissue. The third chapter is focused on the skin and its properties, tries to make a synthesis of what is known about the behaviour of the skin and its constituents tackle the spread of optical radiation. Different skin types are studied and an example of immediate application of this knowledge benefits described. We know that the percentage of water in the human body is very high, particularly in the skin is considered about 70%. It is obvious, therefore, that knowing how the water is affected by the propagation of an optical radiation facilitate to get reference patterns; For this, the study of seawater is performed. In the fourth chapter the properties of seawater as a heterogeneous component particles are studied. This chapter presents a summary of the scattering elements in the ocean, its individual response to optical radiation and its contribution to the ocean as a whole. In the fifth chapter the results of the different types of simulations are described. Simulation tools used were the same for the study of skin and seawater, so both results are presented in the chapter. In the first case different types of ocean water is analysed by varying the concentrations of phytoplankton. The method allows to check the differences that can be found in the characterization and diagnosis of water. The second case analysed is the skin; where the behaviour of different skin types are studied and checked how the result is compatible with applications currently trade, such as laser hair removal. As a significant result of the possible methodology to be applied for the diagnosis of skin cancer known as basal cell carcinoma is shown. Finally we present a chapter on future work based on actual experimentation and the associated cost which it would involve carrying out. The annexes conclude the thesis deal with one hand on the functioning of the common vector of the whole thesis: laser, control applications and safety and secondly we present the absorption and scattering coefficients we used in our simulations. The first condenses the main characteristics of laser radiation from the point of view of their generation, the second presents the safety in use and the third are own tables, whose parameters are used in the experimental section. Although the kind of view which I advocate does not meet the standard models doctoral thesis, the reader will find in this thesis so interwoven, the common model to all theses or research projects with a section on the state of the art pedagogical examples to facilitate the understanding and objectives (Chapters 1-4), and a chapter is divided into materials and methods and results and discussions (Chapter 5 subsections) arise, finishing with a view to the future and work future arising from the thesis (Chapter 6).

Effect of endurance, speed and strength training on skin temperature measured by infrared thermography = Efecto del entrenamiento de resistencia, velocidad y fuerza en la temperatura de la piel a través de la termografía infrarroja

La termografía infrarroja (TI) es una técnica no invasiva y de bajo coste que permite, con el simple acto de tomar una fotografía, el registro sin contacto de la energía que irradia el cuerpo humano (Akimov & Son’kin, 2011, Merla et al., 2005, Ng et al., 2009, Costello et al., 2012, Hildebrandt et al., 2010). Esta técnica comenzó a utilizarse en el ámbito médico en los años 60, pero debido a los malos resultados como herramienta diagnóstica y la falta de protocolos estandarizados (Head & Elliot, 2002), ésta se dejó de utilizar en detrimento de otras técnicas más precisas a nivel diagnóstico. No obstante, las mejoras tecnológicas de la TI en los últimos años han hecho posible un resurgimiento de la misma (Jiang et al., 2005, Vainer et al., 2005, Cheng et al., 2009, Spalding et al., 2011, Skala et al., 2012), abriendo el camino a nuevas aplicaciones no sólo centradas en el uso diagnóstico. Entre las nuevas aplicaciones, destacamos las que se desarrollan en el ámbito de la actividad física y el deporte, donde recientemente se ha demostrado que los nuevos avances con imágenes de alta resolución pueden proporcionar información muy interesante sobre el complejo sistema de termorregulación humana (Hildebrandt et al., 2010). Entre las nuevas aplicaciones destacan: la cuantificación de la asimilación de la carga de trabajo físico (Čoh & Širok, 2007), la valoración de la condición física (Chudecka et al., 2010, 2012, Akimov et al., 2009, 2011, Merla et al., 2010), la prevención y seguimiento de lesiones (Hildebrandt et al., 2010, 2012, Badža et al., 2012, Gómez Carmona, 2012) e incluso la detección de agujetas (Al-Nakhli et al., 2012). Bajo estas circunstancias, se acusa cada vez más la necesidad de ampliar el conocimiento sobre los factores que influyen en la aplicación de la TI en los seres humanos, así como la descripción de la respuesta de la temperatura de la piel (TP) en condiciones normales, y bajo la influencia de los diferentes tipos de ejercicio. Por consiguiente, este estudio presenta en una primera parte una revisión bibliográfica sobre los factores que afectan al uso de la TI en los seres humanos y una propuesta de clasificación de los mismos. Hemos analizado la fiabilidad del software Termotracker, así como su reproducibilidad de la temperatura de la piel en sujetos jóvenes, sanos y con normopeso. Finalmente, se analizó la respuesta térmica de la piel antes de un entrenamiento de resistencia, velocidad y fuerza, inmediatamente después y durante un período de recuperación de 8 horas. En cuanto a la revisión bibliográfica, hemos propuesto una clasificación para organizar los factores en tres grupos principales: los factores ambientales, individuales y técnicos. El análisis y descripción de estas influencias deben representar la base de nuevas investigaciones con el fin de utilizar la TI en las mejores condiciones. En cuanto a la reproducibilidad, los resultados mostraron valores excelentes para imágenes consecutivas, aunque la reproducibilidad de la TP disminuyó ligeramente con imágenes separadas por 24 horas, sobre todo en las zonas con valores más fríos (es decir, zonas distales y articulaciones). Las asimetrías térmicas (que normalmente se utilizan para seguir la evolución de zonas sobrecargadas o lesionadas) también mostraron excelentes resultados pero, en este caso, con mejores valores para las articulaciones y el zonas centrales (es decir, rodillas, tobillos, dorsales y pectorales) que las Zonas de Interés (ZDI) con valores medios más calientes (como los muslos e isquiotibiales). Los resultados de fiabilidad del software Termotracker fueron excelentes en todas las condiciones y parámetros. En el caso del estudio sobre los efectos de los entrenamientos de la velocidad resistencia y fuerza en la TP, los resultados muestran respuestas específicas según el tipo de entrenamiento, zona de interés, el momento de la evaluación y la función de las zonas analizadas. Los resultados mostraron que la mayoría de las ZDI musculares se mantuvieron significativamente más calientes 8 horas después del entrenamiento, lo que indica que el efecto del ejercicio sobre la TP perdura por lo menos 8 horas en la mayoría de zonas analizadas. La TI podría ser útil para cuantificar la asimilación y recuperación física después de una carga física de trabajo. Estos resultados podrían ser muy útiles para entender mejor el complejo sistema de termorregulación humano, y por lo tanto, para utilizar la TI de una manera más objetiva, precisa y profesional con visos a mejorar las nuevas aplicaciones termográficas en el sector de la actividad física y el deporte Infrared Thermography (IRT) is a safe, non-invasive and low-cost technique that allows the rapid and non-contact recording of the irradiated energy released from the body (Akimov & Son’kin, 2011; Merla et al., 2005; Ng et al., 2009; Costello et al., 2012; Hildebrandt et al., 2010). It has been used since the early 1960’s, but due to poor results as diagnostic tool and a lack of methodological standards and quality assurance (Head et al., 2002), it was rejected from the medical field. Nevertheless, the technological improvements of IRT in the last years have made possible a resurgence of this technique (Jiang et al., 2005; Vainer et al., 2005; Cheng et al., 2009; Spalding et al., 2011; Skala et al., 2012), paving the way to new applications not only focused on the diagnose usages. Among the new applications, we highlighted those in physical activity and sport fields, where it has been recently proven that a high resolution thermal images can provide us with interesting information about the complex thermoregulation system of the body (Hildebrandt et al., 2010), information than can be used as: training workload quantification (Čoh & Širok, 2007), fitness and performance conditions (Chudecka et al., 2010, 2012; Akimov et al., 2009, 2011; Merla et al., 2010; Arfaoui et al., 2012), prevention and monitoring of injuries (Hildebrandt et al., 2010, 2012; Badža et al., 2012, Gómez Carmona, 2012) and even detection of Delayed Onset Muscle Soreness – DOMS- (Al-Nakhli et al., 2012). Under this context, there is a relevant necessity to broaden the knowledge about factors influencing the application of IRT on humans, and to better explore and describe the thermal response of Skin Temperature (Tsk) in normal conditions, and under the influence of different types of exercise. Consequently, this study presents a literature review about factors affecting the application of IRT on human beings and a classification proposal about them. We analysed the reliability of the software Termotracker®, and also its reproducibility of Tsk on young, healthy and normal weight subjects. Finally, we examined the Tsk thermal response before an endurance, speed and strength training, immediately after and during an 8-hour recovery period. Concerning the literature review, we proposed a classification to organise the factors into three main groups: environmental, individual and technical factors. Thus, better exploring and describing these influence factors should represent the basis of further investigations in order to use IRT in the best and optimal conditions to improve its accuracy and results. Regarding the reproducibility results, the outcomes showed excellent values for consecutive images, but the reproducibility of Tsk slightly decreased with time, above all in the colder Regions of Interest (ROI) (i.e. distal and joint areas). The side-to-side differences (ΔT) (normally used to follow the evolution of some injured or overloaded ROI) also showed highly accurate results, but in this case with better values for joints and central ROI (i.e. Knee, Ankles, Dorsal and Pectoral) than the hottest muscle ROI (as Thigh or Hamstrings). The reliability results of the IRT software Termotracker® were excellent in all conditions and parameters. In the part of the study about the effects on Tsk of aerobic, speed and strength training, the results of Tsk demonstrated specific responses depending on the type of training, ROI, moment of the assessment and the function of the considered ROI. The results showed that most of muscular ROI maintained warmer significant Tsk 8 hours after the training, indicating that the effect of exercise on Tsk last at least 8 hours in most of ROI, as well as IRT could help to quantify the recovery status of the athlete as workload assimilation indicator. Those results could be very useful to better understand the complex skin thermoregulation behaviour, and therefore, to use IRT in a more objective, accurate and professional way to improve the new IRT applications for the physical activity and sport sector.

Mouse p53-deficient cancer models as platforms for obtaining genomic predictors of human cancer clinical outcomes

Mutations in the TP53 gene are very common in human cancers, and are associated with poor clinical outcome. Transgenic mouse models lacking the Trp53 gene or that express mutant Trp53 transgenes produce tumours with malignant features in many organs. We previously showed the transcriptome of a p53-deficient mouse skin carcinoma model to be similar to those of human cancers with TP53 mutations and associated with poor clinical outcomes. This report shows that much of the 682-gene signature of this murine skin carcinoma transcriptome is also present in breast and lung cancer mouse models in which p53 is inhibited. Further, we report validated gene-expression-based tests for predicting the clinical outcome of human breast and lung adenocarcinoma. It was found that human patients with cancer could be stratified based on the similarity of their transcriptome with the mouse skin carcinoma 682-gene signature. The results also provide new targets for the treatment of p53-defective tumours.