The immune space: a concept and template for rationalizing vaccine development.

Abstract Empirical testing of candidate vaccines has led to the successful development of a number of lifesaving vaccines. The advent of new tools to manipulate antigens and new methods and vectors for vaccine delivery has led to a veritable explosion of potential vaccine designs. As a result, selection of candidate vaccines suitable for large-scale efficacy testing has become more challenging. This is especially true for diseases such as dengue, HIV, and tuberculosis where there is no validated animal model or correlate of immune protection. Establishing guidelines for the selection of vaccine candidates for advanced testing has become a necessity. A number of factors could be considered in making these decisions, including, for example, safety in animal and human studies, immune profile, protection in animal studies, production processes with product quality and stability, availability of resources, and estimated cost of goods. The "immune space template" proposed here provides a standardized approach by which the quality, level, and durability of immune responses elicited in early human trials by a candidate vaccine can be described. The immune response profile will demonstrate if and how the candidate is unique relative to other candidates, especially those that have preceded it into efficacy testing and, thus, what new information concerning potential immune correlates could be learned from an efficacy trial. A thorough characterization of immune responses should also provide insight into a developer's rationale for the vaccine's proposed mechanism of action. HIV vaccine researchers plan to include this general approach in up-selecting candidates for the next large efficacy trial. This "immune space" approach may also be applicable to other vaccine development endeavors where correlates of vaccine-induced immune protection remain unknown.

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.

Partition coefficient and molecular flexibility: the concept of lipophilicity space.

The rationale of this study was to investigate molecular flexibility and its influence on physicochemical properties with a view to uncovering additional information on the fuzzy concept of dynamic molecular structure. Indeed, it is now known that computed molecular interaction fields (MIFs) such as molecular electrostatic potentials (MEPs) and lipophilicity potentials (MLPs) are conformation-dependent, as are dipole moments. A database of 125 compounds was used whose conformational space was explored, while conformation-dependent parameters were computed for each non-redundant conformer found in the conformational space of the compounds. These parameters were the virtual log P (log P(MLP), calculated by a MLP approach), the apolar surface area (ASA), polar surface area (PSA), and solvent-accessible surface (SAS). For each compound, the range taken by each parameter (its property space) was divided by the number of rotors taken as an index of flexibility, yielding a parameter termed 'molecular sensitivity'. This parameter was poorly correlated with others (i.e., it contains novel information) and showed the compounds to fall into two broad classes. 'Sensitive' molecules are those whose computed property ranges are markedly sensitive to conformational effects, whereas 'insensitive' (in fact, less sensitive) molecules have property ranges which are comparatively less affected by conformational fluctuations. A pharmacokinetic application is presented.

Shift in cytotype frequency and niche space in the invasive plant Centaurea maculosa.

Polyploidy is often assumed to increase the spread and thus the success of alien plant species, but few empirical studies exist. We tested this hypothesis with Centaurea maculosa Lam., a species native to Europe and introduced into North America approximately 120 years ago where it became highly invasive. We analyzed the ploidy level of more than 2000 plants from 93 native and 48 invasive C. maculosa populations and found a pronounced shift in the relative frequency of diploid and tetraploid cytotypes. In Europe diploid populations occur in higher frequencies than tetraploids and only four populations had both cytotypes, while in North America diploid plants were found in only one mixed population and thus tetraploids clearly dominated. Our results showed a pronounced shift in the climatic niche between tetraploid populations in the native and introduced range toward drier climate in North America and a similar albeit smaller shift between diploids and tetraploids in the native range. The field data indicate that diploids have a predominately monocarpic life cycle, while tetraploids are often polycarpic. Additionally, the polycarpic life-form seems to be more prevalent among tetraploids in the introduced range than among tetraploids in the native range. Our study suggests that both ploidy types of C. maculosa were introduced into North America, but tetraploids became the dominant cytotype with invasion. We suggest that the invasive success of C. maculosa is partly due to preadaptation of the tetraploid cytotype in Europe to drier climate and possibly further adaptation to these conditions in the introduced range. The potential for earlier and longer seed production associated with the polycarpic life cycle constitutes an additional factor that may have led to the dominance of tetraploids over diploids in the introduced range.

Simulation of interface dynamics across pore discontinuities

We study the dynamics of a water-oil meniscus moving from a smaller to a larger pore. The process is characterised by an abrupt change in the configuration, yielding a sudden energy release. A theoretic study for static conditions provides analytical solutions of the surface energy content of the system. Although the configuration after the sudden energy release is energetically more convenient, an energy barrier must be overcome before the process can happen spontaneously. The energy barrier depends on the system geometry and on the flow parameters. The analytical results are compared to numerical simulations that solve the full Navier-Stokes equation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. First, the numerical simulations of a quasi-static process are validated by comparison with the analytical solutions for a static meniscus, then numerical simulations with varying injection velocity are used to investigate dynamic effects on the configuration change. During the sudden energy jump the system exhibits an oscillatory behaviour. Extension to more complex geometries might elucidate the mechanisms leading to a dynamic capillary pressure and to bifurcations in final distributions of fluid phases in porous

Free-breathing 3D steady-state free precession coronary MR angiography with radial k-space sampling: comparison with cartesian k-space sampling and cartesian gradient-echo coronary MR angiography--pilot study.

The authors compared radial steady-state free precession (SSFP) coronary magnetic resonance (MR) angiography, cartesian k-space sampling SSFP coronary MR angiography, and gradient-echo coronary MR angiography in 16 healthy adults and four pilot study patients. Standard gradient-echo MR imaging with a T2 preparatory pulse and cartesian k-space sampling was the reference technique. Image quality was compared by using subjective motion artifact level and objective contrast-to-noise ratio and vessel sharpness. Radial SSFP, compared with cartesian SSFP and gradient-echo MR angiography, resulted in reduced motion artifacts and superior vessel sharpness. Cartesian SSFP resulted in increased motion artifacts (P <.05). Contrast-to-noise ratio with radial SSFP was lower than that with cartesian SSFP and similar to that with the reference technique. Radial SSFP coronary MR angiography appears preferable because of improved definition of vessel borders.