Beyond contact-based transmission networks: the role of spatial coincidence.

Animal societies rely on interactions between group members to effectively communicate and coordinate their actions. To date, the transmission properties of interaction networks formed by direct physical contacts have been extensively studied for many animal societies and in all cases found to inhibit spreading. Such direct interactions do not, however, represent the only viable pathways. When spreading agents can persist in the environment, indirect transmission via 'same-place, different-time' spatial coincidences becomes possible. Previous studies have neglected these indirect pathways and their role in transmission. Here, we use rock ant colonies, a model social species whose flat nest geometry, coupled with individually tagged workers, allowed us to build temporally and spatially explicit interaction networks in which edges represent either direct physical contacts or indirect spatial coincidences. We show how the addition of indirect pathways allows the network to enhance or inhibit the spreading of different types of agent. This dual-functionality arises from an interplay between the interaction-strength distribution generated by the ants' movement and environmental decay characteristics of the spreading agent. These findings offer a general mechanism for understanding how interaction patterns might be tuned in animal societies to control the simultaneous transmission of harmful and beneficial agents.

Prototype of a web-based participative decision support platform in natural hazards and risk management

This paper presents the current state and development of a prototype web-GIS (Geographic Information System) decision support platform intended for application in natural hazards and risk management, mainly for floods and landslides. This web platform uses open-source geospatial software and technologies, particularly the Boundless (formerly OpenGeo) framework and its client side software development kit (SDK). The main purpose of the platform is to assist the experts and stakeholders in the decision-making process for evaluation and selection of different risk management strategies through an interactive participation approach, integrating web-GIS interface with decision support tool based on a compromise programming approach. The access rights and functionality of the platform are varied depending on the roles and responsibilities of stakeholders in managing the risk. The application of the prototype platform is demonstrated based on an example case study site: Malborghetto Valbruna municipality of North-Eastern Italy where flash floods and landslides are frequent with major events having occurred in 2003. The preliminary feedback collected from the stakeholders in the region is discussed to understand the perspectives of stakeholders on the proposed prototype platform.

Diagnostic methods and treatment options for focal cortical dysplasia.

Our inability to adequately treat many patients with refractory epilepsy caused by focal cortical dysplasia (FCD), surgical inaccessibility and failures are significant clinical drawbacks. The targeting of physiologic features of epileptogenesis in FCD and colocalizing functionality has enhanced completeness of surgical resection, the main determinant of outcome. Electroencephalography (EEG)-functional magnetic resonance imaging (fMRI) and magnetoencephalography are helpful in guiding electrode implantation and surgical treatment, and high-frequency oscillations help defining the extent of the epileptogenic dysplasia. Ultra high-field MRI has a role in understanding the laminar organization of the cortex, and fluorodeoxyglucose-positron emission tomography (FDG-PET) is highly sensitive for detecting FCD in MRI-negative cases. Multimodal imaging is clinically valuable, either by improving the rate of postoperative seizure freedom or by reducing postoperative deficits. However, there is no level 1 evidence that it improves outcomes. Proof for a specific effect of antiepileptic drugs (AEDs) in FCD is lacking. Pathogenic mutations recently described in mammalian target of rapamycin (mTOR) genes in FCD have yielded important insights into novel treatment options with mTOR inhibitors, which might represent an example of personalized treatment of epilepsy based on the known mechanisms of disease. The ketogenic diet (KD) has been demonstrated to be particularly effective in children with epilepsy caused by structural abnormalities, especially FCD. It attenuates epigenetic chromatin modifications, a master regulator for gene expression and functional adaptation of the cell, thereby modifying disease progression. This could imply lasting benefit of dietary manipulation. Neurostimulation techniques have produced variable clinical outcomes in FCD. In widespread dysplasias, vagus nerve stimulation (VNS) has achieved responder rates >50%; however, the efficacy of noninvasive cranial nerve stimulation modalities such as transcutaneous VNS (tVNS) and noninvasive (nVNS) requires further study. Although review of current strategies underscores the serious shortcomings of treatment-resistant cases, initial evidence from novel approaches suggests that future success is possible.

In vitro and in vivo ocular biocompatibility of electrospun poly(ɛ-caprolactone) nanofibers.

Biocompatibility is a requirement for the development of nanofibers for ophthalmic applications. In this study, nanofibers were elaborated using poly(ε-caprolactone) via electrospinning. The ocular biocompatibility of this material was investigated. MIO-M1 and ARPE-19 cell cultures were incubated with nanofibers and cellular responses were monitored by viability and morphology. The in vitro biocompatibility revealed that the nanofibers were not cytotoxic to the ocular cells. These cells exposed to the nanofibers proliferated and formed an organized monolayer. ARPE-19 and MIO-M1 cells were capable of expressing GFAP, respectively, demonstrating their functionality. Nanofibers were inserted into the vitreous cavity of the rat's eye for 10days and the in vivo biocompatibility was investigated using Optical Coherence Tomography (OCT), histology and measuring the expression of pro-inflammatory genes (IL-1β, TNF-α, VEGF and iNOS) (real-time PCR). The OCT and the histological analyzes exhibited the preserved architecture of the tissues of the eye. The biomaterial did not elicit an inflammatory reaction and pro-inflammatory cytokines were not expressed by the retinal cells, and the other posterior tissues of the eye. Results from the biocompatibility studies indicated that the nanofibers exhibited a high degree of cellular biocompatibility and short-term intraocular tolerance, indicating that they might be applied as drug carrier for ophthalmic use.

Characterization of local and systemic immune-modulation in melanoma patients

Le mélanome cutané est un des cancers les plus agressifs et dont l'incidence augmente le plus en Suisse. Une fois métastatique, le pronostic de survie moyenne avec les thérapies actuelles est d'environ huit mois, avec moins de 5% de survie à cinq ans. Les récents progrès effectués dans la compréhension de la biologie de la cellule tumorale mais surtout dans l'importance du système immunitaire dans le contrôle de ce cancer ont permis le développement de nouveaux traitements novateurs et prometteurs. Ces thérapies, appelées immunothérapies, reposent sur la stimulation et l'augmentation de la réponse immunitaire à la tumeur. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré l'efficacité de ces traitements chez les patients avec des stades avancés de la maladie, le contrôle de la maladie à long- terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression locale et systémique de la réponse immunitaire spécifique anti-tumorale apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Des études sur les souris ont montré que les vaisseaux lymphatiques joueraient un rôle primordial dans ce processus en induisant une tolérance immune, ce qui permettrait à la tumeur d'échapper au contrôle du système immunitaire et métastatiser plus facilement. Ces excitantes découvertes n'ont pas encore été établi et prouvé chez l'homme. Dans cette thèse, nous montrons pour la première fois que les vaisseaux lymphatiques sont directement impliqués dans la modulation de la réponse immunitaire au niveau local et systémique dans le mélanome chez l'homme. Ces récentes découvertes montrent le potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec les immunothérapies actuellement utilisées afin d'améliorer le pronostic des patients atteint du mélanome. -- Cutaneous melanoma is one of the most invasive and metastatic human cancers and causes 75% of skin cancer mortality. Current therapies such as surgery and chemotherapy fail to control metastatic disease, and relapse occurs frequently due to microscopic residual lesions. It is, thus, essential to develop and optimize novel therapeutic strategies to improve curative responses in these patients. In recent decades, tumor immunologists have revealed the development of spontaneous adaptive immune responses in melanoma patients, leading to the accumulation of highly differentiated tumor-specific T cells at the tumor site. This remains one of the most powerful prognostic markers to date. Immunotherapies that augment the natural function of these tumor-specific T cells have since emerged as highly attractive therapeutic approaches to eliminate melanoma cells. While recent clinical trials have demonstrated great progress in the treatment of advanced stage melanoma, long-term disease control is still only achieved in a minority of patients. Local and systemic immune suppression by the tumor appears to be responsible, in part, for this poor clinical evolution. These facts underscore the need for a better analysis and characterization of immune- related pathways within the tumor microenvironment (TME), as well as at the systemic level. The overall goal of this thesis is, thus, to obtain greater insight into the complexity and heterogeneity of the TME in human melanoma, as well as to investigate immune modulation beyond the TME, which ultimately influences the immune system throughout the whole body. To achieve this, we established two main objectives: to precisely characterize local and systemic immune modulation (i) in untreated melanoma patients and (ii) in patients undergoing peptide vaccination or checkpoint blockade therapy with anti-cytotoxic T- lymphocyte-asisctaed protein-4 (CTLA-4) antibody. In the first and main part of this thesis, we analyzed lymphatic vessels in relation to anti-tumor immune responses in tissues from vaccinated patients using a combination of immunohistochemistry (IHC) techniques, whole slide scanning/analysis, and an automatic quantification system. Strikingly, we found that increased lymphatic vessel density was associated with high expression of immune suppressive molecules, low functionality of tumor-infiltrating CD8+ T cells and decreased cytokine production by tumor-antigen specific CD8+ T cells in the blood. These data revealed a previously unappreciated local and systemic role of lymphangiogenesis in modulating T cell responses in human cancer and support the use of therapies that target lymphatic vessels combined with existing and future T cell based therapies. In the second objective, we describe a metastatic melanoma patient who developed pulmonary sarcoid-like granulomatosis following repetitive vaccination with peptides and CpG. We demonstrated that the onset of this pulmonary autoimmune adverse event was related to the development of a strong and long-lasting tumor-specific CD8+ T cell response. This constitutes the first demonstration that a new generation tumor vaccine can induce the development of autoimmune adverse events. In the third objective, we assessed the use of Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging to identify melanoma cells and lymphocyte subpopulations in lymph node (LN) metastasis tissues, thanks to a fruitful collaboration with researchers in Brussels. We demonstrated that the different cell types in metastatic LNs have different infrared spectral features allowing automated identification of these cells. This technic is therefore capable of distinguishing known and novel biological features in human tissues and has, therefore, significant potential as a tool for histopathological diagnosis and biomarker assessment. Finally, in the fourth objective, we investigated the role of colony- stimulating factor-1 (CSF-1) in modulating the anti-tumor response in ipilimumab-treated patients using IHC and in vitro co-cultures, revealing that melanoma cells produce CSF-1 via CTL-derived cytokines when attacked by cytotoxic T lymphocytes (CTLs), resulting in the recruitment of immunosuppressive monocytes. These findings support the combined use of CSF-1R blockade with T cell based immunotherapy for melanoma patients. Taken together, our results reveal the existence of novel mechanisms of immune modulation and thus promote the optimization of combination immunotherapies against melanoma. -- Le mélanome cutané est un des cancers humains les plus invasifs et métastatiques et est responsable de 75% de la mortalité liée aux cancers de la peau. Les thérapies comme la chirurgie et la chimiothérapie ont échoué à contrôler le mélanome métastatique, par ailleurs les rechutes sous ces traitements ont été montrées fréquentes. Il est donc essentiel de développer et d'optimiser de nouvelles stratégies thérapeutiques pour améliorer les réponses thérapeutiques de ces patients. Durant les dernières décennies, les immunologistes spécialisés dans les tumeurs ont démontré qu'un patient atteint du mélanome pouvait développer spontanément une réponse immune adaptative à sa tumeur et que l'accumulation de cellules T spécifiques tumorales au sein même de la tumeur était un des plus puissants facteurs pronostiques. Les immunothérapies qui ont pour but d'augmenter les fonctions naturelles de ces cellules T spécifiques tumorales ont donc émergé comme des approches thérapeutiques très attractives pour éliminer les cellules du mélanome. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré un progrès important dans le traitement des formes avancées du mélanome, le contrôle de la maladie à long-terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression immune locale et systémique apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Ces considérations soulignent la nécessité de mieux analyser et caractériser les voies immunitaires non seulement au niveau local dans le microenvironement tumoral mais aussi au niveau systémique dans le sang des patients. Le but de cette thèse est d'obtenir une plus grande connaissance de la complexité et de l'hétérogénéité du microenvironement tumoral dans les mélanomes mais aussi d'investiguer la modulation immunitaire au delà du microenvironement tumoral au niveau systémique. Afin d'atteindre ce but, nous avons établi deux objectifs principaux : caractériser précisément la modulation locale et systémique du système immunitaire (i) chez les patients atteints du mélanome qui n'ont pas reçu de traitement et (ii) chez les patients qui ont été traités soit par des vaccins soit par des thérapies qui bloquent les points de contrôles. Dans la première et majeure partie de cette thèse, nous avons analysé les vaisseaux lymphatiques en relation avec la réponse immunitaire anti-tumorale dans les tissus des patients vaccinés grâce à des techniques d'immunohistochimie et de quantification informatisé et automatique des marquages. Nous avons trouvé qu'une densité élevée de vaisseaux lymphatiques dans la tumeur était associée à une plus grande expression de molécules immunosuppressives ainsi qu'à une diminution de la fonctionnalité des cellules T spécifiques tumoral dans la tumeur et dans le sang des patients. Ces résultats révèlent un rôle jusqu'à là inconnu des vaisseaux lymphatiques dans la modulation directe du système immunitaire au niveau local et systémique dans les cancers de l'homme. Cette recherche apporte finalement des preuves du potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec des autres immunothérapies déjà utilisées en clinique. Dans le second objectif, nous rapportons le cas d'un patient atteint d'un mélanome avec de multiples métastases qui a développé à la suite de plusieurs vaccinations répétées et consécutives avec des peptides et du CpG, un évènement indésirable sous la forme d'une granulomatose pulmonaire sarcoid-like. Nous avons démontré que l'apparition de cet évènement était intimement liée au développement d'une réponse immunitaire durable et spécifique contre les antigènes de la tumeur. Par là- même, nous prouvons pour la première fois que la nouvelle génération de vaccins est aussi capable d'induire des effets indésirables auto-immuns. Pour le troisième objectif, nous avons voulu savoir si l'utilisation de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) était capable d'identifier les cellules du mélanome ainsi que les différents sous-types cellulaires dans les ganglions métastatiques. Grâce à nos collaborateurs de Bruxelles, nous avons pu établir que les diverses composantes cellulaires des ganglions atteints par des métastases du mélanome présentaient des spectres infrarouges différents et qu'elles pouvaient être identifiées d'une façon automatique. Cette nouvelle technique permettrait donc de distinguer des caractéristiques biologiques connues ou nouvelles dans les tissus humains qui auraient des retombées pratiques importantes dans le diagnostic histopathologique et dans l'évaluation des biomarqueurs. Finalement dans le dernier objectif, nous avons investigué le rôle du facteur de stimulation des colonies (CSF-1) dans la modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale chez les patients qui ont été traités par l'Ipilimumab. Nos expériences in vivo au niveau des tissus tumoraux et nos co-cultures in vitro nous ont permis de démontrer que les cytokines secrétées par les cellules T spécifiques anti-tumorales induisaient la sécrétion de CSF-1 dans les cellules du mélanome ce qui résultait en un recrutement de monocytes immunosuppresseurs. Dans son ensemble, cette thèse révèle donc l'existence de nouveaux mécanismes de modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale et propose de nouvelles optimisations de combinaison d'immunothérapies contre le mélanome.