Immune reconstitution after autologous hematopoietic stem cell transplantation

Abstract The investigation of the web of relationships between the different elements of the immune system has proven instrumental to better understand this complex biological system. This is particularly true in the case of the interactions between B and T lymphocytes, both during cellular development and at the stage of cellular effectors functions. The understanding of the B–T cells interdependency and the possibility to manipulate this relationship may be directly applicable to situations where immunity is deficient, as is the case of cancer or immune suppression after radio and chemotherapy. The work presented here started with the development of a novel and accurate tool to directly assess the diversity of the cellular repertoire (Chapter III). Contractions of T cell receptor diversity have been related with a deficient immune status. This method uses gene chips platforms where nucleic acids coding for lymphocyte receptors are hybridized and is based on the fact that the frequency of hybridization of nucleic acids to the oligonucleotides on a gene chip varies in direct proportion to diversity. Subsequently, and using this new method and other techniques of cell quantification I examined, in an animal model, the role that polyclonal B cells and immunoglobulin exert upon T cell development in the thymus, specifically on the acquisition of a broader repertoire diversity by the T cell receptors (Chapter IV and V). The hypothesis tested was if the presence of more diverse peptides in the thymus, namely polyclonal immunoglobulin, would induce the generation of more diverse T cells precursors. The results obtained demonstrated that the diversity of the T cell compartment is increased by the presence of polyclonal immunoglobulin. Polyclonal immunoglobulin, and particularly the Fab fragments of the molecule, represent the most diverse self-molecules in the body and its peptides are presented by antigen presenting cells to precursor T cells in the thymus during its development. This probably contributes significantly to the generation of receptor diversity. Furthermore, we also demonstrated that a more diverse repertoire of T lymphocytes is associated with a more effective and robust T cell immune function in vivo, as mice with a more diverse T cell receptors reject minor histocompatiblility discordant skin grafts faster than mice with a shrunken T cell receptor repertoire (Chapter V). We believe that a broader T cell receptor diversity allows a more efficient recognition and rejection of a higher range of external and internal aggressions. In this work it is demonstrated that a reduction of TCR diversity by thymectomy in wild type mice significantly increased survival of H-Y incompatible skin grafts, indicating decrease on T cell function. In addiction reconstitution of T-cell diversity in mice with a decreased T cell repertoire diversity with immunoglobulin Fab fragments, lead to a increase on TCR diversity and to a significantly decreased survival of the skin grafts (Chapter V). These results strongly suggest that increases on T cell repertoire diversity contribute to improvement of T cell function. Our results may have important implications on therapy and immune reconstitution in the context of AIDS, cancer, autoimmunity and post myeloablative treatments. Based on the previous results, we tested the clinical hypothesis that patients with haematological malignancies subjected to stem cell transplantation who recovered a robust immune system would have a better survival compared to patients who did not recover such a robust immune system. This study was undertaken by the examination of the progression and overall survival of 42 patients with mantle cell non-Hodgkin lymphoma receiving autologous hematopoietic stem cell transplantation (Chapter VI). The results obtained show that patients who recovered higher numbers of lymphocytes soon after autologous transplantation had a statistically significantly longer progression free and overall survivals. These results demonstrate the positive impact that a more robust immune system reconstitution after stem cell transplantation may have upon the survival of patients with haematological malignancies. In a similar clinical research framework, this dissertation also includes the study of the impact of recovering normal serum levels of polyclonal immunoglobulin on the survival of patients with another B cell haematological malignancy, multiple myeloma, after autologous stem cell transplantation (Chapter VII). The relapse free survival of the 110 patients with multiple myeloma analysed was associated with their ability to recover normal serum levels of the polyclonal compartment of immunoglobulin. These results suggest again the important effect of polyclonal immunoglobulin for the (re)generation of the immune competence. We also studied the impact of a robust immunity for the response to treatment with the antibody anti CD20, rituximab, in patients with non- Hodgkin’s lymphoma (NHL) (Chapter VIII). Patients with higher absolute counts of CD4+ T lymphocytes respond better (in terms of longer progression free survival) to rituximab compared to patients with lower number of CD4+ T lymphocytes. These observations highlight again the fact that a competent immune system is required for the clinical benefit of rituximab therapy in NHL patients. In conclusion, the work presented in this dissertation demonstrates, for the first time, that diverse B cells and polyclonal immunoglobulin promote T cell diversification in the thymus and improve T lymphocyte function. Also, it shows that in the setting of immune reconstitution, as after autologous stem cell transplantation for mantle cell lymphoma and in the setting of immune therapy for NHL, the absolute lymphocyte counts are an independent factor predicting progression free and overall survival. These results can have an important application in the clinical practice since the majority of the current treatments for cancer are immunosuppressive and implicate a subsequent immune recovery. Also, the effects of a number of antineoplastic treatments, including biological agents, depend on the immune system activity. In this way, studies similar to the ones presented here, where methods to improve the immune reconstitution are examined, may prove to be instrumental for a better understanding of the immune system and to guide more efficient treatment options and the design of future clinical trials. Resumo O estudo da rede de inter-relações entre os diversos elementos do sistema immune tem-se mostrado um instrumento essencial para uma melhor compreensão deste complexo sistema biológico. Tal é particularmente verdade no caso das interacções entre os linfócitos B e T, quer durante o desenvolvimento celular, quer ao nível das funções celulares efectoras. A compreensão da interdependência entre linfócitos B e T e a possibilidade de manipular esta relação pode ser directamente aplicável a situações em que a imunidade está deficiente, como é o caso das doenças neoplásicas ou da imunossupressão após radio ou quimioterapia. O trabalho apresentado nesta dissertação iniciou-se com o desenvolvimento de um novo método laboratorial para medir directamente a diversidade do reportório celular (Capítulo III). Reduções da diversidade do reportório dos receptores de células T têm sido relacionadas com um estado de imunodeficiência. O método desenvolvido utiliza “gene chips”, aos quais hibridizam os ácidos nucleicos codificantes das cadeias proteicas dos receptores linfocitários. A diversidade é calculada com base na frequência de hibridização do ácido nucleico da amostra aos oligonucleótidos presentes no “gene chip”. De seguida, e utilizando este novo método e outras técnicas de quantificação celular examinei, num modelo animal, o papel que as células policlonais B e a imunoglobulina exercem sobre o desenvolvimento linfocitário T no timo, especificamente na aquisição de um reportório diverso de receptores T (Capítulos IV e V). Testei, então, a hipótese de que a presença no timo de péptidos mais diversos, como a imunoglobulna policlonal, induzisse a génese de precursores T mais diversos. Demonstrámos que a diversidade do compartimento T é aumentado pela presença de imunoglobulina policlonal. A imunoglobulina policlonal, e particularmente os fragmentos Fab desta molécula, representam as moléculas autólogas mais diversas presentes nos organismos vertebrados. Estes péptidos são apresentados por células apresentadoras de antigénio às células precursoras T no timo, durante o desenvolvimento celular T. Tal, provavelmente, contribui para a génese da diversidade dos receptores. Também demonstrámos que a presença de um reportório mais diverso de linfócitos T se associa a um incremento da função imunológica T in vivo. Uma diversidade de receptores T mais extensa parece permitir um reconhecimento e rejeição mais eficientes de um maior número de agressores internos e externos. Demonstrámos que ratinhos com receptores de células T (RCT) com maior diversidade rejeitam transplantes cutâneos discordantes para antigénios minor de histocompatibilidade mais rapidamente do que ratinhos com um menor reportório T (Capítulo V). Por outro lado, uma redução da diversidade do RCT, causada por timectomia de ratinhos de estirpes selvagens, mostrou aumentar significativamente a sobrevivência de transplantes cutâneos incompatíveis para o antigénio H-Y (antigénio minor de histocompatibilidade), indicando uma diminuição da função linfocitária T. Além disso, a reconstituição da diversidade dos linfócitos T em ratinhos com uma diversidade de reportório T diminuída, induzida pela administração de fragmentos Fab de imunoglobulina, conduz a um aumento da diversidade dos RCT e a uma diminuição significativa da sobrevivência dos enxertos cutâneos (Capítulo V). Estes resultados sugerem que o aumento do reportório de células T contribui para uma melhoria das funções celulares T e poderão ter implicações importantes na terapêutica e reconstitutição imunológica em contexto de SIDA, neoplasias, autoimunidade e após tratamentos mieloablativos. Baseado nos resultados anteriores, decidimos testar a hipótese clínica de que doentes com neoplasias hematológicas sujeitos a transplantação de precursores hematopoiéticos e com recuperação imunológica precoce após transplante teriam uma sobrevivência mais longa do que doentes que não recuperassem tão bem a sua imunidade. Analisámos a sobrevivência global e sobrevivência sem doença de 42 doentes com linfoma não Hodgkin de células do manto sujeitos a transplante autólogo de precursores hematopoiéticos (Capítulo VI). Os resultados obtidos mostraram que os doentes que recuperaram contagens mais elevadas de linfócitos imediatamente após o transplante autólogo, apresentaram uma sobrevivência global e sem progressão mais longa do que doentes que não recuperaram contagens linfocitárias tão precocemente. Estes resultados demonstram o efeito positivo de uma reconstitutição imunológica robusta após transplante de presursores hematopoiéticos, sobre a sobrevivência de doentes com neoplasias hematológicas. Do mesmo modo, estudámos o efeito que a recuperação de níveis séricos normais de imunoglobulina policlonal tem na sobrevivência de doentes com outras neoplasias hematológicas de linfócitos B, como o mieloma múltiplo,após transplante autólogo de precursos hematopoiéticos (Capítulo VII). A sobrevivência livre de doença dos 110 doentes com mieloma múltiplo analizados está associada com a sua capacidade de recuperar níveis séricos normais do compartmento policlonal de imunoglobulina. Estes resultados pioneiros indicam a importância da imunoglobulina policlonal para a génese de competência imunológica. Também estudámos o impacto de um sistema imunitário eficiente sobre a resposta ao tratamento com o anticorpo anti CD20, ituximab, em doentes com linfoma não Hodgkin (LNH) (Capítulo VIII). Os resultados mostram que doentes com valores mais elevados de linfócitos T CD4+ respondem melhor (em termos de maior sobrevida livre de doença) ao rituximab, do que doentes com valores mais baixos. Estas observações ilustram a necessidade de um sistema imunitário competente para o benefício clínico da terapêutica com rituximab em doentes com LNH. Em conclusão, o trabalho apresentado nesta dissertação demonstra que as células B e a imunoglobulina policlonal promovem a diversidade das células T no timo e melhoram a função linfocitária T periférica. Concomitantemente, também demonstrámos que, no contexto de reconstituição imune, por exemplo, após transplante autólogo de precursores hematopoiéticos em doentes com linfomas de células do manto, o número absoluto de linfócitos é uma factor independente da sobrevivência. Os resultados demonstram, também, a importância dos valores de linfocitos T na resposta ao tratamento com rituximab no caso de doentes com LNH. O mesmo princípio se prova pelo facto de que doentes com mieloma múltiplo sujeitos a transplante autólogo de precursores hematopoiéticos que recuperam valores normais séricos de imunoglobulinas policlonais, terem melhores taxas de resposta em comparação com doentes que não recuperam valores normais de imunoglobulinas policlonais. Estes resultados podem ter importantes aplicações na prática clínica dado que a maioria dos tratamentos de doenças neoplásicas implica imunossupressão e, subsequente, recuperação imunológica. Estes estudos podem ser um instrumento fundamental para uma melhor compreensão do sistema imune e guiar uma escolha mais eficiente de opções terapêuticas bem como contribuir para a concepção de futuros estudos clínicos.

A cirurgia reconstrutiva em patologia oncológica do nariz : paralisia do nervo facial anatomia cirurgia do nariz

RESUMO: Os carcinomas localizados no nariz são muito frequentes em todas as séries conhecidas. São de diagnóstico clínico fácil e a sua confirmação por biópsia é muito segura. As terapêuticas mais indicadas são a cirurgia e a radioterapia, genericamente eficazes. Verifica-se, no entanto, que os pacientes continuam a solicitar tratamento em estádios muito avançados, mesmo conhecendo o diagnóstico e tendo acesso aos serviços sem custos. Esta situação poderá explicar-se face ao curso relativamente lento de muitos destes tumores e à idade geralmente avançada dos doentes que, de acordo com alguns inquéritos, receiam mais a terapeûtica do que a doença. Para obtenção de informação útil para condução deste problema, foram ainda analisados outros parâmetros. A maioria dos pacientes continua a solicitar tratamento quando as lesões envolvem duas subunidades nasais. Esta circunstância permite planear o tratamento cirúrgico com relativa facilidade, isto é, com exérese e reconstrução cujo resultado estético final é bastante aceitável. Os tumores de grandes dimensões, envolvendo várias subunidades, sendo frequentes, raramente implicam rinectomia total. Pelo contrário, são mais frequentes os tumores que envolvem metade do nariz e as estruturas vizinhas tais como o maxilar, a órbita e o lábio superior, atingindo mesmo a base do crânio. O controlo da doença nestes estádios é muito difícil. Não raramente, quando se crê que a doença está controlada, a cirurgia reconstrutiva bem como outras formas de reabilitação conjugadas, deixam ainda muita insatisfação. A nossa actividade tem-se desenvolvido seguindo os critérios adoptados nos melhores centros, isto é, as técnicas clássicas, complementadas com refinamentos recentes. Porém reflectindo sobre os resultados obtidos no tratamento de tumores do nariz, surge-nos um conjunto de questões para as quais ainda não encontrámos respostas cabais. Actuando de acordo com os princípios que definem o estado da arte, não obtivemos ainda resultados que satisfaçam tanto os doentes quanto os cirurgiões. Incessantemente procuramos novos dados técnicos e científicos que nos permitam sair deste ciclo vicioso em que o doente retarda a procura de assistência, receoso de que a terapêutica o deixe desfigurado. Tendo sempre em vista a obtenção dos melhores resultados com o mínimo de tempos cirúrgicos, valorizamos alguns detalhes praticados nos retalhos com padrão vascular bem definido. Dado que as sequelas na zona dadora de tecidos são uma incontornável preocupação, procuramos refinar a sua aplicação no sentido de as atenuarmos. A fronte, excelente zona dadora para reconstrucção nasal major, era sede de sequelas actualmente inaceitáveis. Estudado o comportamento dos tecidos na fronte, depois de levantado o retalho e efectuado o seu encerramento com uso da técnica de expansão intra-operatória, determinámos a presença do Factor de Crescimento Vascular Endotelial no próprio retalho e na zona dadora, tendo em vista que a sua presença poderá explicar o comportamento dos tecidos que foram submetidos a esta técnica. Procurou-se estudar a qualidade da reconstrução em 45 pacientes submetidos a cirurgia de exérese e reconstrução nasal major, assim como a qualidade de vida, relacionada com a doença e a terapêutica. Embora se possa admitir a existência de dados sugestivos de estratégias mais adequadas, não foi possível relacionar a qualidade da reconstrução com qualidade de vida dos pacientes. Poderá eventualmente concluir-se que a observação permanente da reconstrução, com qualidade estética e funcional, será o melhor método de alterar a ideia clássica, ainda muito divulgada, mas já ultrapassada, de que a cirurgia reconstrutiva do nariz não é mais que transformar um defeito horroroso num defeito ridículo.---------------ABSTRACT: Malignant tumours found in the nose are very frequent in all known series. Clinical diagnosis is simple and confirmation of biopsy diagnosis is accessible and safe. The most advisable therapies are surgery and radiotherapy. Despite everything patients continue to wait until the tumour is in an advanced stage before asking for therapy, although they know the diagnosis and have free access to specialised services. This situation could probably be explained by the slow development rate of the tumours which is associated with the age of the patient. Upon inquiry, it was found that a significant number of patients are more afraid of therapy than of the disease itself. Other parameters have been analysed in order to obtain useful information about the management of this problem. The majority of patients seek adequate treatment when the lesions involve two nasal subunits. This allows the programming of surgical therapy with relative ease as they may be removed and reconstructed with interesting final aesthetical results. Large tumours involving several subunits are frequent, but they rarely call for total rhinectomy. On the contrary, tumours more frequently involve half of the nose and their neighbouring structures: for example, maxillary, orbital and upper lip, even reaching as far as the base of the skull. The control of the disease is very difficult in these stages.In cases in which it is believed that the disease is under control, reconstructive surgery in conjunction with other forms of rehabilitation still result in a lot of dissatisfaction. In our activity we try to follow the criteria adopted by the best centres following classic techniques, complemented with recent refinements. Reflecting on the treatment of tumours of the nose has led us to a series of questions to which we haven’t yet found the answers. In accordance with the defined principles of ‘the state of the art’ it still doesn’t satisfy either the patients or the surgeons. We are looking for new technical and scientific data which allows us to leave this vicious cycle, in that the deferred patient avoids looking for assistance, based on the fear that therapy could leave them disfigured. We attach importance to some practiced details on the well-defined vascular pattern of the flaps, with the principle aim of obtaining a good result, from the minimum number of operations. It is known that sequels in donor sites are a concern, so applied refinements are used in order to reduce the defect. The forehead has been considered an excellent donor site for major nasal reconstruction but the area of sequel is nowadays unacceptable. We tried to study the behaviour of the tissues of the forehead after taking the flap and closing the wound, using the intraoperative expansion technique. We determined the presence of Vascular Endothelial Growth Factor in the flaps and in the donor site, in which its presence could explain the behaviour of the tissues of the forehead that are submitted to this technique. The quality of the reconstruction was studied in 45 patients who were submitted to surgical exeresisand major nasal reconstruction, as was the relationship between the disease and the therapy regarding quality of life. It was not possible to directely relate the quality of the reconstruction to the quality of patients life, although some suggestive data of more adequate manegement may be interesting. One might eventually conclude that, permanent exposure of the reconstruction with aesthetic and funcional quality would be the best method in order to modify the classic idea which is still known although overridden today, that nasal reconstruction could transform a horrible defect into a ridiculous one.-------RÉSUMÉ: Les carcinomes situés sur le nez sont très fréquents dans toutes les séries connues. Ils sont de diagnostic facile et la confirmation de ce dernier par une biopsie, est accessible et très fiable. La chirurgie et la radiothérapie sont les thérapeutiques les mieux indiquées. Toutefois les patients continuent de solliciter un traitement, seulement dans des états très avancés bien qu’ils aient eu connaissance du diagnostic et ayant accès aux services. Cette situation pourra probablement s’expliquer par l’évolution relativement indolente de beaucoup de tumeurs, associée à l’âge des malades; bien que selon quelques enquêtes réalisées un nombre élevé de malades craint davantage la thérapeutique que la maladie. D’autres paramètres sont analysés en vue d’obtenir des informations utiles pour l’accompagnement de ce problème. La majorité de nos patients sollicite le traitement adéquat quand les lésions entourent deux sous-unités nasales, ce qui permet de planifier le traitement chirurgique avec une certaine facilité, c’est à dire l’exérèse et la reconstruction ayant un résultat final esthétique généralement très acceptable. Les tumeurs de grandes dimensions entourant différentes sous-unités sont fréquentes mais elles impliquent rarement une amputation nasal total. Au contraire, les tumeurs les plus fréquentes sont celles qui entourent la moitié du nez et les structures voisines comme le maxillaire, l’orbite et la lèvre supérieure, parfois, elles peuvent même atteindre la base du crâne. Le contrôle de la maladie dans ces états est très difficile et quand nous pensons que la maladie est contrôlée, la chirurgie reconstructrice associée à d’autres formes de réhabilitation provoquent encore une grande insatisfaction. Nous exerçons notre activité en essayant de suivre les critères adoptés dans les meilleurs centres. Nous appliquons les techniques classiques complétées de retouches pour obtenir un meilleur resultat. Le fait de traiter les tumeurs nasales nous fait réfléchir et poser un ensemble de questions auxquelles nous n’avons pas pu trouver de réponses. En actuant en accord avec les principes qui définissent l’état de l’art, nous n’avons pas obtenu de résultats qui satisfassent les malades et les chirurgiens. Nous recherchons de nouvelles données techniques et scientifiques qui nous permettent de sortir de ce cercle vicieux dans lequel le patient retarde la recherche d’aide craignant que la thérapeutique le défigure. Nous valorisons certains détails pratiqués sur les lambeaux de patron vasculaire bien défini et ayant comme principaux objectifs l’obtention d’un bon résultat en moins de temps de chirurgie. Nous savons que les séquelles de la zone donneuse de tissus sont préoccupantes, ainsi, que les retouches qui ont été appliqués dans l’objectif de les atténuer. Le front, excellente zone donneuse pour la reconstruction nasale majeure, était une source de séquelle actuellement inacceptable. Nous avons étudié le comportement des tissus du front après avoir relevé le lambeau et effectué la fermeture avec la technique de l’expansion intraoperative. Nous avons déterminé la présence du Facteur de Croissance Vasculaire Endothéliale dans le propre lambeau et dans la zone donneuse, celle-ci pourra expliquer le comportement des tissus du front qui ont été soumis à cette technique. On a essayé d´etudier la qualité de la reconstruction sur 45 patients soumis à la chirurgie d´exérèse et la reconstruction nasal majeure, ainsi comme la qualité de vie en relation avec la maladie et la thérapie. Quoique l´on puisse conclure par l´existence des données subjectives des stratégies plus justes, il est impossible de faire un rapport sur la qualité de la reconstruction avec la qualité de vie des patients. Eventuellement l´on purrait conclure que l´observation permanente de la reconstruction avec qualité esthétique et fonctionnelle, se serait la meilleure méthod de changer l´idée classique, mais depassée, de que la rhinopoièse n´est pas que transformer un affreux défaut par un défaut ridicule.

Robust facial expression analysis for affect-based interaction

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Learning facial-expression models with crowdsourcing

The computational power is increasing day by day. Despite that, there are some tasks that are still difficult or even impossible for a computer to perform. For example, while identifying a facial expression is easy for a human, for a computer it is an area in development. To tackle this and similar issues, crowdsourcing has grown as a way to use human computation in a large scale. Crowdsourcing is a novel approach to collect labels in a fast and cheap manner, by sourcing the labels from the crowds. However, these labels lack reliability since annotators are not guaranteed to have any expertise in the field. This fact has led to a new research area where we must create or adapt annotation models to handle these weaklylabeled data. Current techniques explore the annotators’ expertise and the task difficulty as variables that influences labels’ correction. Other specific aspects are also considered by noisy-labels analysis techniques. The main contribution of this thesis is the process to collect reliable crowdsourcing labels for a facial expressions dataset. This process consists in two steps: first, we design our crowdsourcing tasks to collect annotators labels; next, we infer the true label from the collected labels by applying state-of-art crowdsourcing algorithms. At the same time, a facial expression dataset is created, containing 40.000 images and respective labels. At the end, we publish the resulting dataset.