New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

The International LAM Registry: a component of an innovative web-based clinician, researcher, and patient-driven rare disease research platform.

BACKGROUND: A relative inability to capture a sufficiently large patient population in any one geographic location has traditionally limited research into rare diseases. METHODS AND RESULTS: Clinicians interested in the rare disease lymphangioleiomyomatosis (LAM) have worked with the LAM Treatment Alliance, the MIT Media Lab, and Clozure Associates to cooperate in the design of a state-of-the-art data coordination platform that can be used for clinical trials and other research focused on the global LAM patient population. This platform is a component of a set of web-based resources, including a patient self-report data portal, aimed at accelerating research in rare diseases in a rigorous fashion. CONCLUSIONS: Collaboration between clinicians, researchers, advocacy groups, and patients can create essential community resource infrastructure to accelerate rare disease research. The International LAM Registry is an example of such an effort. 82.

The red island and the seven dwarfs: body size reduction in Cheirogaleidae

AimSmall body size in Madagascar's dwarf and mouse lemurs (Cheirogaleidae) is generally viewed as primitive. We investigated the evolution of body size in this family and in its sister-taxon, the Lepilemuridae, from phylogenetic, ontogenetic and adaptive perspectives. LocationMadagascar. MethodsWe used a phylogenetic method to reconstruct the evolution of body size in lemurs, and allometric regression models of gestation periods and static and growth allometries in Cheirogaleidae and Lepilemuridae to test the hypothesis that dwarfing occurred as a result of truncated ontogeny (progenesis). We also examined adaptive hypotheses relating body size to environmental variability, life history, seasonality of reproduction, hypothermy (use of torpor), and a diet rich in plant exudates. ResultsOur results indicated that cheirogaleids experienced at least four independent events of body size reduction from an ancestor as large as living Lepilemuridae, by means of progenesis. Our interpretation is supported by the paedomorphic appearance and parallel ontogenetic trajectories of the dwarf taxa, as well as their very short gestation periods and increased fecundity. Lepilemur species that occupy more predictable environments are significantly larger than those occupying unpredictable habitats. Main conclusionsCheirogaleidae appear to be paedomorphic dwarfs, a consequence of progenesis, probably as an adaptation to high environmental unpredictability. Although the capacity to use hypothermy is related to small body size, this advantage is unlikely to have driven dwarfing in cheirogaleids. We propose that gummmivory/exudativory co-evolved with body size reduction in this clade, probably from a folivorous ancestor. Their small size is derived, and their suitability as models for the ancestral primate' is therefore dubious.

Inflammation And Autoimmune Responses Are Independent Of Peripheral Mhc Class Ii Expression Driven By Ciita Piv In Collagen Induced Arthritis

Background In rheumatoid arthritis (RA), non-professional antigen presenting cells (APCs) such as fi broblast-like synoviocytes (FLS) can express MHC class II (MHCII) molecules and function as non-professional APCs in vitro.Objective To examine the regulation of MHCII expression in FLS and to investigate the role of FLS as non-professional APCs in collagen-induced arthritis (CIA). Methods Expression of MHCII, CIITA and Ciita isoforms pI, pIII and pIV was examined by RT-qPCR, immunohistochemistry and fl ow cytometry in human synovial tissues, arthritic mouse joints and human as well as mouse FLS. CIA was induced in mice knockout for the isoform IV of Ciita (pIV-/-), in pIV-/- mice transgenic for CIITA in the thymus (pIV-/- K14 CIITA) and in control littermates in the DBA/1 background by immunising with bovine collagen type II (CII) in complete Freund's adjuvant.Results HLA-DRA, total CIITA and CIITA pIII mRNA levels were signifi cantly increased in the synovial tissues from RA compared to osteoarthritis patients. Human FLS expressed surface MHCII via CIITA pIII and pIV, while MHCII expression in murine FLS was entirely mediated by pIV. pIV-/- mice lacked both inducible MHCII expression on non-professional APCs including FLS, and in the thymic cortex. The thymic defect in pIV-/- mice impaired CD4+ positive selection, thus protecting pIV-/- mice from CIA by preventing CD4+ T cells immune responses against CII and blocking the release of IFN-γ and IL-17 in ex vivo stimulated lymph node cells. The production of T dependent, arthritogenic anti-CII antibodies was also impaired in pIV-/- mice. A normal thymic expression of MHCII and CD4+ T cell repertoire was obtained in pIV-/- K14 CIITA Tg mice. Immune responses against CII were restored in pIV-/- K14 CIITA Tg mice, as well as the arthritis incidence and clinical severity despite the lack of MHCII expression by mouse FLS. At histology, infl ammation andneutrophils infi ltration scores were not reduced in pIV-/- K14 CIITA Tg mice, while the bone erosion score was signifi cantly lower than in controls.Conclusion Over expression of MHCII is tightly correlated with CIITA pIII in the arthritic human synovium. MHCII is induced via CIITA pIII and pIV in human FLS. In the mouse, MHCII expression in the thymic cortex and in FLS is strictly dependent upon Ciita pIV. The lack of Ciita pIV in the periphery of pIV-/- K14 CIITA Tg mice lowered the bone erosion score but did not signifi cantly protect from infl ammation and autoimmune responses in CIA.

Context- and Prosody-Driven ERP Markers for Dialog Focus Perception in Children.

The development of language proficiency extends late into childhood and includes not only producing or comprehending sounds, words and sentences, but likewise larger utterances spanning beyond sentence borders like dialogs. Dialogs consist of information units whose value constantly varies within a verbal exchange. While information is focused when introduced for the first time or corrected in order to alter the knowledge state of communication partners, the same information turns into shared knowledge during the further course of a verbal exchange. In many languages, prosodic means are used by speakers to highlight the informational value of information foci. Our study investigated the developmental pattern of event-related potentials (ERPs) in three age groups (12, 8 and 5 years) when perceiving two information focus types (news and corrections) embedded in short question-answer dialogs. The information foci contained in the answer sentences were either adequately marked by prosodic means or not. In so doing, we questioned to what extent children depend on prosodic means to recognize information foci or whether contextual means as provided by dialog questions are sufficient to guide focus processing.Only 12-year-olds yield prosody-independent ERPs when encountering new and corrective information foci, resembling previous findings in adults. Focus processing in the 8-year-olds relied upon prosodic highlighting, and differing ERP responses as a function of focus type were observed. In the 5-year-olds, merely prosody-driven ERP responses were apparent, but no distinctive ERP indicating information focus recognition. Our findings reveal substantial alterations in information focus perception throughout childhood that are likely related to long-lasting maturational changes during brain development.

Phylogenomics of C(4) photosynthesis in sedges (Cyperaceae): multiple appearances and genetic convergence.

C(4) photosynthesis is an adaptive trait conferring an advantage in warm and open habitats. It originated multiple times and is currently reported in 18 plant families. It has been recently shown that phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), a key enzyme of the C(4) pathway, evolved through numerous independent but convergent genetic changes in grasses (Poaceae). To compare the genetics of multiple C(4) origins on a broader scale, we reconstructed the evolutionary history of the C(4) pathway in sedges (Cyperaceae), the second most species-rich C(4) family. A sedge phylogeny based on two plastome genes (rbcL and ndhF) has previously identified six fully C(4) clades. Here, a relaxed molecular clock was used to calibrate this tree and showed that the first C(4) acquisition occurred in this family between 19.6 and 10.1 Ma. According to analyses of PEPC-encoding genes (ppc), at least five distinct C(4) origins are present in sedges. Two C(4) Eleocharis species, which were unrelated in the plastid phylogeny, acquired their C(4)-specific PEPC genes from a single source, probably through reticulate evolution or a horizontal transfer event. Acquisitions of C(4) PEPC in sedges have been driven by positive selection on at least 16 codons (3.5% of the studied gene segment). These sites underwent parallel genetic changes across the five sedge C(4) origins. Five of these sites underwent identical changes also in grass and eudicot C(4) lineages, indicating that genetic convergence is most important within families but that identical genetic changes occurred even among distantly related taxa. These lines of evidence give new insights into the constraints that govern molecular evolution.

Patterns of calcium-binding proteins in human inferior colliculus: identification of subdivisions and evidence for putative parallel systems.

The subdivisions of human inferior colliculus are currently based on Golgi and Nissl-stained preparations. We have investigated the distribution of calcium-binding protein immunoreactivity in the human inferior colliculus and found complementary or mutually exclusive localisations of parvalbumin versus calbindin D-28k and calretinin staining. The central nucleus of the inferior colliculus but not the surrounding regions contained parvalbumin-positive neuronal somata and fibres. Calbindin-positive neurons and fibres were concentrated in the dorsal aspect of the central nucleus and in structures surrounding it: the dorsal cortex, the lateral lemniscus, the ventrolateral nucleus, and the intercollicular region. In the dorsal cortex, labelling of calbindin and calretinin revealed four distinct layers.Thus, calcium-binding protein reactivity reveals in the human inferior colliculus distinct neuronal populations that are anatomically segregated. The different calcium-binding protein-defined subdivisions may belong to parallel auditory pathways that were previously demonstrated in non-human primates, and they may constitute a first indication of parallel processing in human subcortical auditory structures.

Systemic antibodies can inhibit mouse mammary tumor virus-driven superantigen response in mucosa-associated lymphoid tissues.

Many mucosal pathogens invade the host by initially infecting the organized mucosa-associated lymphoid tissue (o-MALT) such as Peyer's patches or nasal cavity-associated lymphoid tissue (NALT) before spreading systemically. There is no clear demonstration that serum antibodies can prevent infections in o-MALT. We have tested this possibility by using the mouse mammary tumor virus (MMTV) as a model system. In peripheral lymph nodes or in Peyer's patches or NALT, MMTV initially infects B lymphocytes, which as a consequence express a superantigen (SAg) activity. The SAg molecule induces the local activation of a subset of T cells within 6 days after MMTV infection. We report that similar levels of anti-SAg antibody (immunoglobulin G) in serum were potent inhibitors of the SAg-induced T-cell response both in peripheral lymph nodes and in Peyer's patches or NALT. This result clearly demonstrates that systemic antibodies can gain access to Peyer's patches or NALT.

Bioinformatics-driven identification and examination of candidate genes for non-alcoholic fatty liver disease.

ObjectiveCandidate genes for non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) identified by a bioinformatics approach were examined for variant associations to quantitative traits of NAFLD-related phenotypes.Research Design and MethodsBy integrating public database text mining, trans-organism protein-protein interaction transferal, and information on liver protein expression a protein-protein interaction network was constructed and from this a smaller isolated interactome was identified. Five genes from this interactome were selected for genetic analysis. Twenty-one tag single-nucleotide polymorphisms (SNPs) which captured all common variation in these genes were genotyped in 10,196 Danes, and analyzed for association with NAFLD-related quantitative traits, type 2 diabetes (T2D), central obesity, and WHO-defined metabolic syndrome (MetS).Results273 genes were included in the protein-protein interaction analysis and EHHADH, ECHS1, HADHA, HADHB, and ACADL were selected for further examination. A total of 10 nominal statistical significant associations (P<0.05) to quantitative metabolic traits were identified. Also, the case-control study showed associations between variation in the five genes and T2D, central obesity, and MetS, respectively. Bonferroni adjustments for multiple testing negated all associations.ConclusionsUsing a bioinformatics approach we identified five candidate genes for NAFLD. However, we failed to provide evidence of associations with major effects between SNPs in these five genes and NAFLD-related quantitative traits, T2D, central obesity, and MetS.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Postmortem pump-driven reperfusion of the vascular system of porcine lungs: towards a new model for surgical training.

PURPOSE: The objective of this experiment is to establish a continuous postmortem circulation in the vascular system of porcine lungs and to evaluate the pulmonary distribution of the perfusate. This research is performed in the bigger scope of a revascularization project of Thiel embalmed specimens. This technique enables teaching anatomy, practicing surgical procedures and doing research under lifelike circumstances. METHODS: After cannulation of the pulmonary trunk and the left atrium, the vascular system was flushed with paraffinum perliquidum (PP) through a heart-lung machine. A continuous circulation was then established using red PP, during which perfusion parameters were measured. The distribution of contrast-containing PP in the pulmonary circulation was visualized on computed tomography. Finally, the amount of leak from the vascular system was calculated. RESULTS: A reperfusion of the vascular system was initiated for 37 min. The flow rate ranged between 80 and 130 ml/min throughout the experiment with acceptable perfusion pressures (range: 37-78 mm Hg). Computed tomography imaging and 3D reconstruction revealed a diffuse vascular distribution of PP and a decreasing vascularization ratio in cranial direction. A self-limiting leak (i.e. 66.8% of the circulating volume) towards the tracheobronchial tree due to vessel rupture was also measured. CONCLUSIONS: PP enables circulation in an isolated porcine lung model with an acceptable pressure-flow relationship resulting in an excellent recruitment of the vascular system. Despite these promising results, rupture of vessel walls may cause leaks. Further exploration of the perfusion capacities of PP in other organs is necessary. Eventually, this could lead to the development of reperfused Thiel embalmed human bodies, which have several applications.

An adaptive multiscale method for density-driven instabilities

Accurate modeling of flow instabilities requires computational tools able to deal with several interacting scales, from the scale at which fingers are triggered up to the scale at which their effects need to be described. The Multiscale Finite Volume (MsFV) method offers a framework to couple fine-and coarse-scale features by solving a set of localized problems which are used both to define a coarse-scale problem and to reconstruct the fine-scale details of the flow. The MsFV method can be seen as an upscaling-downscaling technique, which is computationally more efficient than standard discretization schemes and more accurate than traditional upscaling techniques. We show that, although the method has proven accurate in modeling density-driven flow under stable conditions, the accuracy of the MsFV method deteriorates in case of unstable flow and an iterative scheme is required to control the localization error. To avoid large computational overhead due to the iterative scheme, we suggest several adaptive strategies both for flow and transport. In particular, the concentration gradient is used to identify a front region where instabilities are triggered and an accurate (iteratively improved) solution is required. Outside the front region the problem is upscaled and both flow and transport are solved only at the coarse scale. This adaptive strategy leads to very accurate solutions at roughly the same computational cost as the non-iterative MsFV method. In many circumstances, however, an accurate description of flow instabilities requires a refinement of the computational grid rather than a coarsening. For these problems, we propose a modified iterative MsFV, which can be used as downscaling method (DMsFV). Compared to other grid refinement techniques the DMsFV clearly separates the computational domain into refined and non-refined regions, which can be treated separately and matched later. This gives great flexibility to employ different physical descriptions in different regions, where different equations could be solved, offering an excellent framework to construct hybrid methods.

Data-driven clustering : new methods and applications

Abstract : This work is concerned with the development and application of novel unsupervised learning methods, having in mind two target applications: the analysis of forensic case data and the classification of remote sensing images. First, a method based on a symbolic optimization of the inter-sample distance measure is proposed to improve the flexibility of spectral clustering algorithms, and applied to the problem of forensic case data. This distance is optimized using a loss function related to the preservation of neighborhood structure between the input space and the space of principal components, and solutions are found using genetic programming. Results are compared to a variety of state-of--the-art clustering algorithms. Subsequently, a new large-scale clustering method based on a joint optimization of feature extraction and classification is proposed and applied to various databases, including two hyperspectral remote sensing images. The algorithm makes uses of a functional model (e.g., a neural network) for clustering which is trained by stochastic gradient descent. Results indicate that such a technique can easily scale to huge databases, can avoid the so-called out-of-sample problem, and can compete with or even outperform existing clustering algorithms on both artificial data and real remote sensing images. This is verified on small databases as well as very large problems. Résumé : Ce travail de recherche porte sur le développement et l'application de méthodes d'apprentissage dites non supervisées. Les applications visées par ces méthodes sont l'analyse de données forensiques et la classification d'images hyperspectrales en télédétection. Dans un premier temps, une méthodologie de classification non supervisée fondée sur l'optimisation symbolique d'une mesure de distance inter-échantillons est proposée. Cette mesure est obtenue en optimisant une fonction de coût reliée à la préservation de la structure de voisinage d'un point entre l'espace des variables initiales et l'espace des composantes principales. Cette méthode est appliquée à l'analyse de données forensiques et comparée à un éventail de méthodes déjà existantes. En second lieu, une méthode fondée sur une optimisation conjointe des tâches de sélection de variables et de classification est implémentée dans un réseau de neurones et appliquée à diverses bases de données, dont deux images hyperspectrales. Le réseau de neurones est entraîné à l'aide d'un algorithme de gradient stochastique, ce qui rend cette technique applicable à des images de très haute résolution. Les résultats de l'application de cette dernière montrent que l'utilisation d'une telle technique permet de classifier de très grandes bases de données sans difficulté et donne des résultats avantageusement comparables aux méthodes existantes.

In vivo activation of melanoma-specific CD8(+) T cells by endogenous tumor antigen and peptide vaccines. A comparison to virus-specific T cells.

Many new types of vaccines against infectious or malignant diseases are currently being proposed. Careful characterization of the induced immune response is required in assessing their efficiency. While in most studies human tumor antigen-specific T cells are analyzed after in vitro re-stimulation, we investigated these T cells directly ex vivo using fluorescent tetramers. In peripheral blood lymphocytes from untreated melanoma patients with advanced disease, a fraction of tumor antigen (Melan-A/MART-1)-specific T cells were non-naive, thus revealing tumor-driven immune activation. After immunotherapy with synthetic peptides plus adjuvant, we detected tumor antigen-specific T cells that proliferated and differentiated to memory cells in vivo in some melanoma patients. However, these cells did not present the features of effector cells as found in cytomegalovirus specific T cells analyzed in parallel. Thus, peptide plus adjuvant vaccines can lead to activation and expansion of antigen specific CD8(+) T cells in PBL. Differentiation to protective CD8(+) effector cells may, however, require additional vaccine components that stimulate T cells more efficiently, a major challenge for the development of future immunotherapy.