Machine learning algorithms for spatial data. Case studies: Environmental pollution, natural hazards, renewable resources

This paper presents general problems and approaches for the spatial data analysis using machine learning algorithms. Machine learning is a very powerful approach to adaptive data analysis, modelling and visualisation. The key feature of the machine learning algorithms is that they learn from empirical data and can be used in cases when the modelled environmental phenomena are hidden, nonlinear, noisy and highly variable in space and in time. Most of the machines learning algorithms are universal and adaptive modelling tools developed to solve basic problems of learning from data: classification/pattern recognition, regression/mapping and probability density modelling. In the present report some of the widely used machine learning algorithms, namely artificial neural networks (ANN) of different architectures and Support Vector Machines (SVM), are adapted to the problems of the analysis and modelling of geo-spatial data. Machine learning algorithms have an important advantage over traditional models of spatial statistics when problems are considered in a high dimensional geo-feature spaces, when the dimension of space exceeds 5. Such features are usually generated, for example, from digital elevation models, remote sensing images, etc. An important extension of models concerns considering of real space constrains like geomorphology, networks, and other natural structures. Recent developments in semi-supervised learning can improve modelling of environmental phenomena taking into account on geo-manifolds. An important part of the study deals with the analysis of relevant variables and models' inputs. This problem is approached by using different feature selection/feature extraction nonlinear tools. To demonstrate the application of machine learning algorithms several interesting case studies are considered: digital soil mapping using SVM, automatic mapping of soil and water system pollution using ANN; natural hazards risk analysis (avalanches, landslides), assessments of renewable resources (wind fields) with SVM and ANN models, etc. The dimensionality of spaces considered varies from 2 to more than 30. Figures 1, 2, 3 demonstrate some results of the studies and their outputs. Finally, the results of environmental mapping are discussed and compared with traditional models of geostatistics.

Environnements présentant un risque nouveau de contamination des travailleurs par des souches de Staphylococcus aureus résistantes à la méthicilline

L'exposition aux bactéries résistantes aux antibiotiques, en particulier à Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM (1)) sur le lieu de travail, a été montrée comme étant un facteur de risque pour la santé des opérateurs, la fréquence des contacts avec cette bactérie augmentant la probabilité d'en devenir porteur. En plus du fait que les SARM augmentent d'un facteur 4 le risque d'infection chez le porteur, le choix du traitement antibiotique en cas d'infection est fortement limité. C'est pourquoi il est important d'identifier les environnements de travail et les conditions qui favorisent la transmission de cette bactérie de l'animal à l'Homme. La résistance à la méthicilline est conférée au S. aureus par un élément génétique mobile, appelé « staphylococcal cassette chromosome » mec (SCCmec), qui contient le gène de résistance à la méthicilline, mecA. SCCmec a cinq formes (I, II, III, IV and V) qui ont été acquises et intégrées dans le génome de S. aureus lors d'événements indépendants de transfert horizontal. Certaines de ces lignées spécifiquement associées au bétail traité aux antibiotiques (tel que le complexe clonal 398, CC398 (2)), peuvent également coloniser le nez humain. Ainsi, la colonisation nasale ou contamination a été constatée chez 23 à 86 % des agriculteurs et vétérinaires ayant un contact direct avec des porcs, ainsi que chez un à cinq pour cent des personnes ayant une exposition indirecte (par exemple les membres de la famille d'agriculteurs, les visiteurs de la ferme). La pathogénicité du SARM CC398 pour l'Homme a été documentée dans une série de rapports décrivant des cas d'endocardite, d'otomastoïdite et de pneumonie. En outre, le SARM CC398 a été introduit dans des structures de santé (hôpitaux, cliniques, etc.) situées principalement dans les zones d'élevage à forte densité. Si les porcs sont des vecteurs bien connus de transmission de CC398 à l'Homme, d'autres animaux peuvent l'être également, tels que les dindes en Allemagne, comme illustré par le premier article cité dans cette note. Par ailleurs, la propagation de ces souches résistantes aux antibiotiques est inquiétante. Le deuxième article de cette note révèle l'apparition de souches de CC398 dans le lait de vache au Royaume-Uni pays où, jusqu'alors, la surveillance n'en avait pas détecté.

Smoking in prisons: the need for effective and acceptable interventions.

Tobacco-smoking prevalence has been decreasing in many high-income countries, but not in prison. We provide a summary of recent data on smoking in prison (United States, Australia, and Europe), and discuss examples of implemented policies for responding to environmental tobacco smoke (ETS), their health, humanitarian, and ethical aspects. We gathered data through a systematic literature review, and added the authors' ongoing experience in the implementation of smoking policies outside and inside prisons in Australia and Europe. Detainees' smoking prevalence varies between 64 per cent and 91.8 per cent, and can be more than three times as high as in the general population. Few data are available on the prevalence of smoking in women detainees and staff. Policies vary greatly. Bans may either be 'total' or 'partial' (smoking allowed in cells or designated places). A comprehensive policy strategy to reduce ETS needs a harm minimization philosophy, and should include environmental restrictions, information, and support to detainees and staff for smoking cessation, and health staff training in smoking cessation.

Molecular mechanisms and effects of a rasgap-derived peptide on metastatic progression

Cancer is the second leading cause of mortality worldwide. Cancer progression leads to metastasis formation, which accounts for more than ninety percent of cancer-related death. Metastases are more difficult to be surgically removed because of their invasive behavior and shape. In addition, during their transformation journey, they become more and more resistant to anticancer drugs. Significant improvements have been achieved in therapy against cancer in recent years but targeting the metastatic cascade remains the Achilles heel of the cure against cancer. A First step in the metastatic process is the escape of cancer cells from the primary tumor site. This involves an increase in cell motility and the concomitant ability to clear a path through the extracellular matrix. From a therapeutic point of view, inhibition of cell migration is a logical approach to develop anti-metastatic drugs. Our lab previously developed a cell permeable peptide derived from a caspase-3-generaied fragment of the RasGAP protein called TAT-RasGAP317-326. This peptide efficiently and specifically sensitizes cancer cells to chemotherapy- and radiotherapy-induced ceil death, which allows decreasing the anticancer drug doses and eventually their associated side- effects. In the present study we discovered that TAT-RasGAP317.326 also increases cell adhesion which was associated with inhibition of cell migration and invasion into the extracellular matrix. The ability of TAT-RasGAP317.326 to increase ceil adhesion involves the dramatic depolymerization of actin cytoskekton together with redistribution of focal adhesions. We found that the inhibitory effects on migration were mediated by a RhoGAP tumor and metastasis suppressor cailed DLC1 (Deleted in Liver Cancer 1). Moreover. DEC 1 was found to be a direct RasGAP-interacting protein and this interaction requires the RasGAP tryptophan 317 residue, the very first RasGAP residue of TAT-RasGAP317.326. We then evaluated the roie of RasGAP fragments in the in vivo metastatic cascade. We found that breast cancer cells overexpressing the parental RasGAP fragment, to which the TAT-RasGAP317.326 peptide belongs, have a markedly decreased ability to form lung metastases. Unfortunately, we were not able to recapitulate these an ti-metastatic effects when TAT-RasGAP317.326 was injected. However, we later understood that this was due to the fact that TAT-RasGAP317.326 was not properly delivered to the primary tumors. Further work, aimed at better understanding of how TAT-RasGAP317.326 functions, revealed that the ten amino acid TAT-RasGAP317.326 peptide could, be narrowed down to a three amino acid TAT-RasGAP317.329 peptide while keeping its sensitizer activity. In parallel, investigations on the RasGAP-DLCl binding indicated that the arginine linger of the DLC1 GAP domain is required for this interaction, which suggests that TAT-RasGAP317.326 modulates the GAP activity of DLC1. Additional work should be performed to fully elucidate its mechanism of action and render TAT-RasGAP317.326 usable as a tool to fight cancer on two fronts, by improving chemotherapy and preventing metastatic progression. - Le cancer est la deuxième cause de mortalité dans le monde. La formation de métastases est la dernière étape de la progression cancéreuse et représente plus du nonante pour cent des morts induites par le cancer. De par leur morphologie et comportement invasifs, ii est difficile d'avoir recours à la chirurgie pour exciser des métastases. De plus, les cellules cancéreuses en progression deviennent souvent de plus en plus résistantes aux drogues anticancéreuses. Ces dernières années, des avancements significatifs ont contribué à l'amélioration de la lutte contre le cancer. Néanmoins, pouvoir cibler spécifiquement la cascade métastatique demeure cependant le talon d'Achille des thérapies anticancéreuses. Une première étape dans ie processus métastatique est l'évasion des cellules cancéreuses du site de la tumeur primaire. Ceci requiert une augmentation de la motiliié cellulaire couplée à la capacité de se frayer un chemin au sein de la matrice extracelluiaire. D'un point de vue thérapeutique, inhiber la migration cellulaire est une approche attrayante. Notre laboratoire a développé un peptide, nommé TAT-RasGAP317.326 dérivé d'un fragment qui est lui-même le résultat du clivage de la protéine RasGAP par la caspase-3. Ce peptide est capable de pénétrer les cellules cancéreuses et de les sensibiliser spécifiquement à la mort induite par la radiothérapie et la chimiothérapie. La finalité des effets de ce peptide est de pouvoir diminuer les doses des traitements anti-cancéreux et donc des effets secondaires qu'ils engendrent. Dans cette étude, nous avons découvert que TAT-RasGAP317.326 augmente l'adhésion des cellules et inhibe la migration cellulaire ainsi que l'invasion des cellules à travers une matrice extracellulaire. La capacité de TAT-RasGAP317.326 à induire l'adhésion repose sur ia dépolymérisation du cytosquelette d'actine associée à une redistribution des points d'ancrage cellulaire. Nous avons découvert que l'inhibition de ia migration par TAT-RasGAP317.326 nécessitait la présence d'un suppresseur de tumeur et de métastases appelé DLC1 (Deleted in Liver Cancer l), qui par ailleurs s'avère aussi être une protéine RhoGAP. De plus, nous avons aussi trouvé que DLC1 était un partenaire d'interaction de RasGAP et que cette interaction s'effectuait via l'acide aminé tryptophane 317 de RasGAP. qui s'avère être le premier acide aminé du peptide TAT-RasGAP317.326. Nous avons ensuite évalué le rôle joué par certains fragments de RasGAP dans le processus de métastatisation. Dans ce contexte, des cellules de cancer du sein qui sur-expriment un fragment de RasGAP contenant la séquence TAT-RasGAP317.326 ont vu leur potentiel métastatique diminuer drastiquerment. Malheureusement, aucun effet anti-métastatique n'a été obtenu après injection de TAT-RasGAP317.326 dans les souris. Cependant, nous avons réalisé rétrospectivement que TAT-RasGAP317.326 n'était pas correctement délivré à la tumeur primaire, ce qui nous empêche de tirer des conclusions sur le rôle anti-métastatique de ce peptide. La suite de cette étude visant à mieux comprendre comment TAT-RasGAP317.326 agit, a mené à la découverte que les dix acides aminés de TAT-RasGAP317.326 pouvaient être réduits à trois acides aminés, TAT-RasGAP317.329, tout en gardant l'effet sensibilisateur à la chimiothérapie. En visant à élucider le mode d'interaction entre RasGAP et DLC1, nous avons découvert qu'un acide aminé nécessaire à l'activité GAP de DLC1 était requis pour lier RasGAP, ce qui laisse présager que TAT-RasGAp317.32c, module i'activité GAP de DLC1. Des travaux supplémentaires doivent encore être effectués pour complètement élucider les mécanismes d'action de TAT-RasGAP317.326 et afin de pouvoir l'utiliser comme un outil pour combattre le cancer sur deux fronts, en améliorant les chimiothérapies et en inhibant la formation de métastases.

La bérylliose chronique, une pathologie sous-diagnostiquée: état des lieux en Suisse

Introduction.- La bérylliose chronique est une granulomatose pulmonaire pour laquelle le diagnostic est rarement posé en raison d'une méconnaissance du risque d'exposition professionnelle au béryllium.En outre, le tableau clinique, les signes radiologiques et les symptômes ressemblent a` une sarcoïdose. Ainsi, la fréquence de la maladie est probablement sous-estimée malgré l'utilisation de béryllium dans la fabrication de nombreux produits industriels et techniques en Suisse, tels que ressorts, prothèses dentaires, micro-électronique... Comme aide au diagnostic, un test de prolifération lymphocytaire au béryllium (BeLPT) a été développé pour évaluer la réponse immunocellulaire spécifique au béryllium. Mais celui-ci présente des inconvénients : utilisation de produits radioactifs, variabilité interlaboratoire importante, valeur prédictive contesteé. L'utilisation de l'Elispot, évaluant également la réponse lymphocytaire pourrait être une alternative au BeLPT. Objectifs.- Les objectifs de l'étude sont, d'une part, de déceler parmi les cas de sarcoïdose du registre SIOLD (Swiss Group for Interstitial and Orphan Lung Diseases) des cas de bérylliose sous-diagnostiqués et, d'autre part, d'améliorer les tests de de´pistage (questionnaire et test immunologique) de sensibilisation et de diagnostic. Méthode.- Cent soixante autoquestionnaires évaluant l'exposition professionnelle au béryllium ont été adressés à des patients référencés dans le registre SIOLD, souffrant de sarcoïdose. Les patients relatant dans l'autoquestionnaire un contact professionnel avec le béryllium ont bénéficié d'une visite médicale à l'Institut universitaire romand de santé au travail (IST) comportant une anamnèse professionnelle, un questionnaire spécifique à l'exposition au béryllium (questionnaire de Cherry) et une prise de sang. Par la suite, le sang a été analysé par Elispot pour évaluer la possibilité d'une sensibilisation au béryllium. En parallèle, des patients déjà diagnostiqués pour une bérylliose par un BeLPT ont servi de cas contrôle positifs pour la mise en place du test. Résultats.- Cinquante pour cents des autoquestionnaires adressés aux patients du registre SIOLD ont été renvoyés. Parmi ceux-ci, 33 %(26 personnes) rapportaient une exposition professionnelle possible au béryllium et ont été reçus a` l'IST pour compléter l'anamnèse professionnelle et répondre au questionnaire adapté de Cherry. Il ressort de ce questionnaire que 3 personnes ont effectivement travaillé avec du béryllium au cours de leur carrière professionnelle et que 4 ont potentiellement été exposées dans le contexte de leur environnement professionnel. Tous les patients ont été testés par Elispot, mais aucun n'a montré de prolifération évoquant une sensibilisation au béryllium. Des résultats supplémentaires devraient être disponibles dès février. Conclusion.- Au vu de ces résultats où seules 7 personnes sur les 80 ayant répondu au questionnaire (8 %) sont suspectées d'avoir été exposées directement ou indirectement au béryllium au cours de leur activité professionnelle, il est possible que le risque d'exposition au béryllium soit anecdotique, malgré une utilisation importante de ce métal dans certaines régions de Suisse. Une hypothèse envisageable est que la population de l'étude ne soit pas représentative de la population exposée. En outre, le fait que les tests lymphocytaires effectués sur les 7 personnes ayant rapporté une exposition au béryllium soient revenus négatifs peut être expliqué de 2 manières : soit que chez ces personnes, la maladie pulmonaire n'est pas due au béryllium, même si l'anamnèse professionnelle est positive et qu'il s'agit bien d'une sarcoïdose, soit que la prise de corticoïdes modifie la réponse immunitaire, soit que le test n'est pas suffisamment sensible.

The effect of COX-2 inhibitors on the formation of heterotopic bone in a rat model : O1323

Aims: 1) to create a new and reproducible animal model to produce heterotopic ossification (HO) 2) to be able to exactly quantify the amount of HO using a microCT scan and 3) to prove the hypothesis that COX-2 inhibitors are efficacious in the prevention of HO. Methods: We developed a IACUC-approved Lewis rat model, in which the ventral side of the right femur was scraped to mechanically disrupt the periosteum. By clamping the vastus intermedius ischemic injury to the muscle was produced to enhance HO. Finally homologous bone marrow from a donor rat was placed on the anterior surface of the femur. Half of the study group (8 rats) received chow mixed with a COX-2 inhibitor, while the other half received normal chow. After 6 weeks the animals were sacrificed, the femurs removed and imaged by microCT. Grading of HO was based on the thickness of ectopic bone as evaluated in a blinded fashion by 3 independent observers. Results: All animals developed bilateral HO. Rats treated with COX-2 inhibitors developed significantly less ectopic bone than the control group rats. Conclusions: The results suggest that we have created a very reliable, reproducible model to form ectopic bone in rats. Using the microCT we can precisely quantify the amount of HO. We have been able to show that COX-2 inhibitors significantly decrease the amount of HO formation and are thus a good alternative to non-specific NSAIDs with their potential serious side effects on the gastrointestinal tract and on hemo-stastis.

The influence of sentinel lymph node tumour burden on additional lymph node involvement and disease-free survival in cutaneous melanoma: a retrospective analysis of 392 cases

Twenty per cent of sentinel lymph node (SLN)-positive melanoma patients have positive non-SLN lymph nodes in completion lymph node dissection (CLND). We investigated SLN tumour load, non-sentinel positivity and disease-free survival (DFS) to assess whether certain patients could be spared CLND. Sentinel lymph node biopsy was performed on 392 patients between 1999 and 2005. Median observation period was 38.8 months. Sentinel lymph node tumour load did not predict non-SLN positivity: 30.8% of patients with SLN macrometastases (> or =2 mm) and 16.4% with micrometastases (< or =2 mm) had non-SLN positivity (P=0.09). Tumour recurrences after positive SLNs were more than twice as frequent for SLN macrometastases (51.3%) than for micrometastases (24.6%) (P=0.005). For patients with SLN micrometastases, the DFS analysis was worse (P=0.003) when comparing those with positive non-SLNs (60% recurrences) to those without (17.6% recurrences). This difference did not translate into significant differences in DFS: patients with SLN micrometastasis, either with (P=0.022) or without additional positive non-SLNs (P<0.0001), fared worse than patients with tumour-free SLNs. The 2-mm cutoff for SLN tumour load accurately predicts differences in DFS. Non-SLN positivity in CLND, however, cannot be predicted. Therefore, contrary to other studies, no recommendations concerning discontinuation of CLND based on SLN tumour load can be deduced.

Cost-effectiveness of the implementation of an enhanced recovery protocol for colorectal surgery.

BACKGROUND: Enhanced recovery protocols may reduce postoperative complications and length of hospital stay. However, the implementation of these protocols requires time and financial investment. This study evaluated the cost-effectiveness of enhanced recovery implementation. METHODS: The first 50 consecutive patients treated during implementation of an enhanced recovery programme were compared with 50 consecutive patients treated in the year before its introduction. The enhanced recovery protocol principally implemented preoperative counselling, reduced preoperative fasting, preoperative carbohydrate loading, avoidance of premedication, optimized fluid balance, standardized postoperative analgesia, use of a no-drain policy, as well as early nutrition and mobilization. Length of stay, readmissions and complications within 30 days were compared. A cost-minimization analysis was performed. RESULTS: Hospital stay was significantly shorter in the enhanced recovery group: median 7 (interquartile range 5-12) versus 10 (7-18) days (P = 0·003); two patients were readmitted in each group. The rate of severe complications was lower in the enhanced recovery group (12 versus 20 per cent), but there was no difference in overall morbidity. The mean saving per patient in the enhanced recovery group was euro1651. CONCLUSION: Enhanced recovery is cost-effective, with savings evident even in the initial implementation period.