The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

T-Coffee: a web server for the multiple sequence alignment of protein and RNA sequences using structural information and homology extension

This article introduces a new interface for T-Coffee, a consistency-based multiple sequence alignment program. This interface provides an easy and intuitive access to the most popular functionality of the package. These include the default T-Coffee mode for protein and nucleic acid sequences, the M-Coffee mode that allows combining the output of any other aligners, and template-based modes of T-Coffee that deliver high accuracy alignments while using structural or homology derived templates. These three available template modes are Expresso for the alignment of protein with a known 3D-Structure, R-Coffee to align RNA sequences with conserved secondary structures and PSI-Coffee to accurately align distantly related sequences using homology extension. The new server benefits from recent improvements of the T-Coffee algorithm and can align up to 150 sequences as long as 10 000 residues and is available from both http://www.tcoffee.org and its main mirror http://tcoffee.crg.cat.

Protein oligomers studied by solid-state NMR the case of the full-length nucleoid-associated protein histone-like nucleoid structuring protein

Members of the histone-like nucleoid structuring protein (H-NS) family play roles both as architectural proteins and as modulators of gene expression in Gram-negative bacteria. The H-NS protein participates in modulatory processes that respond to environmental changes in osmolarity, pH, or temperature. H-NS oligomerization is essential for its activity. Structural models of different truncated forms are available. However, high-resolution structural details of full-length H-NS and its DNA-bound state have largely remained elusive. We report on progress in characterizing the biologically active H-NS oligomers with solid-state NMR. We compared uniformly ((13)C,(15)N)-labeled ssNMR preparations of the isolated N-terminal region (H-NS 1-47) and full-length H-NS (H-NS 1-137). In both cases, we obtained ssNMR spectra of good quality and characteristic of well-folded proteins. Analysis of the results of 2D and 3D (13)C-(13)C and (15)N-(13)C correlation experiments conducted at high magnetic field led to assignments of residues located in different topological regions of the free full-length H-NS. These findings confirm that the structure of the N-terminal dimerization domain is conserved in the oligomeric full-length protein. Small changes in the dimerization interface suggested by localized chemical shift variations between solution and solid-state spectra may be relevant for DNA recoginition.

Streptavidin - A Versatile Binding Protein for Solid-Phase Immunoassays

Streptavidin, a tetrameric protein secreted by Streptomyces avidinii, binds tightly to a small growth factor biotin. One of the numerous applications of this high-affinity system comprises the streptavidin-coated surfaces of bioanalytical assays which serve as universal binders for straightforward immobilization of any biotinylated molecule. Proteins can be immobilized with a lower risk of denaturation using streptavidin-biotin technology in contrast to direct passive adsorption. The purpose of this study was to characterize the properties and effects of streptavidin-coated binding surfaces on the performance of solid-phase immunoassays and to investigate the contributions of surface modifications. Various characterization tools and methods established in the study enabled the convenient monitoring and binding capacity determination of streptavidin-coated surfaces. The schematic modeling of the monolayer surface and the quantification of adsorbed streptavidin disclosed the possibilities and the limits of passive adsorption. The defined yield of 250 ng/cm² represented approximately 65 % coverage compared with a modelled complete monolayer, which is consistent with theoretical surface models. Modifications such as polymerization and chemical activation of streptavidin resulted in a close to 10-fold increase in the biotin-binding densities of the surface compared with the regular streptavidin coating. In addition, the stability of the surface against leaching was improved by chemical modification. The increased binding densities and capacities enabled wider high-end dynamic ranges in the solid-phase immunoassays, especially when using the fragments of the capture antibodies instead of intact antibodies for the binding of the antigen. The binding capacity of the streptavidin surface was not, by definition, predictive of the low-end performance of the immunoassays nor the assay sensitivity. Other features such as non-specific binding, variation and leaching turned out to be more relevant. The immunoassays that use a direct surface readout measurement of time-resolved fluorescence from a washed surface are dependent on the density of the labeled antibodies in a defined area on the surface. The binding surface was condensed into a spot by coating streptavidin in liquid droplets into special microtiter wells holding a small circular indentation at the bottom. The condensed binding area enabled a denser packing of the labeled antibodies on the surface. This resulted in a 5 - 6-fold increase in the signal-to-background ratios and an equivalent improvement in the detection limits of the solid-phase immunoassays. This work proved that the properties of the streptavidin-coated surfaces can be modified and that the defined properties of the streptavidin-based immunocapture surfaces contribute to the performance of heterogeneous immunoassays.

Structure-Based, Rational Design of T Cell Receptors.

Adoptive cell transfer using engineered T cells is emerging as a promising treatment for metastatic melanoma. Such an approach allows one to introduce T cell receptor (TCR) modifications that, while maintaining the specificity for the targeted antigen, can enhance the binding and kinetic parameters for the interaction with peptides (p) bound to major histocompatibility complexes (MHC). Using the well-characterized 2C TCR/SIYR/H-2K(b) structure as a model system, we demonstrated that a binding free energy decomposition based on the MM-GBSA approach provides a detailed and reliable description of the TCR/pMHC interactions at the structural and thermodynamic levels. Starting from this result, we developed a new structure-based approach, to rationally design new TCR sequences, and applied it to the BC1 TCR targeting the HLA-A2 restricted NY-ESO-1157-165 cancer-testis epitope. Fifty-four percent of the designed sequence replacements exhibited improved pMHC binding as compared to the native TCR, with up to 150-fold increase in affinity, while preserving specificity. Genetically engineered CD8(+) T cells expressing these modified TCRs showed an improved functional activity compared to those expressing BC1 TCR. We measured maximum levels of activities for TCRs within the upper limit of natural affinity, K D = ∼1 - 5 μM. Beyond the affinity threshold at K D < 1 μM we observed an attenuation in cellular function, in line with the "half-life" model of T cell activation. Our computer-aided protein-engineering approach requires the 3D-structure of the TCR-pMHC complex of interest, which can be obtained from X-ray crystallography. We have also developed a homology modeling-based approach, TCRep 3D, to obtain accurate structural models of any TCR-pMHC complexes when experimental data is not available. Since the accuracy of the models depends on the prediction of the TCR orientation over pMHC, we have complemented the approach with a simplified rigid method to predict this orientation and successfully assessed it using all non-redundant TCR-pMHC crystal structures available. These methods potentially extend the use of our TCR engineering method to entire TCR repertoires for which no X-ray structure is available. We have also performed a steered molecular dynamics study of the unbinding of the TCR-pMHC complex to get a better understanding of how TCRs interact with pMHCs. This entire rational TCR design pipeline is now being used to produce rationally optimized TCRs for adoptive cell therapies of stage IV melanoma.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.

Application of Computational Fluid Dynamics in Modeling Blood Flow in Human Thoracic Aorta

The aim of this study was to simulate blood flow in thoracic human aorta and understand the role of flow dynamics in the initialization and localization of atherosclerotic plaque in human thoracic aorta. The blood flow dynamics in idealized and realistic models of human thoracic aorta were numerically simulated in three idealized and two realistic thoracic aorta models. The idealized models of thoracic aorta were reconstructed with measurements available from literature, and the realistic models of thoracic aorta were constructed by image processing Computed Tomographic (CT) images. The CT images were made available by South Karelia Central Hospital in Lappeenranta. The reconstruction of thoracic aorta consisted of operations, such as contrast adjustment, image segmentations, and 3D surface rendering. Additional design operations were performed to make the aorta model compatible for the numerical method based computer code. The image processing and design operations were performed with specialized medical image processing software. Pulsatile pressure and velocity boundary conditions were deployed as inlet boundary conditions. The blood flow was assumed homogeneous and incompressible. The blood was assumed to be a Newtonian fluid. The simulations with idealized models of thoracic aorta were carried out with Finite Element Method based computer code, while the simulations with realistic models of thoracic aorta were carried out with Finite Volume Method based computer code. Simulations were carried out for four cardiac cycles. The distribution of flow, pressure and Wall Shear Stress (WSS) observed during the fourth cardiac cycle were extensively analyzed. The aim of carrying out the simulations with idealized model was to get an estimate of flow dynamics in a realistic aorta model. The motive behind the choice of three aorta models with distinct features was to understand the dependence of flow dynamics on aorta anatomy. Highly disturbed and nonuniform distribution of velocity and WSS was observed in aortic arch, near brachiocephalic, left common artery, and left subclavian artery. On the other hand, the WSS profiles at the roots of branches show significant differences with geometry variation of aorta and branches. The comparison of instantaneous WSS profiles revealed that the model with straight branching arteries had relatively lower WSS compared to that in the aorta model with curved branches. In addition to this, significant differences were observed in the spatial and temporal profiles of WSS, flow, and pressure. The study with idealized model was extended to study blood flow in thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. One of the idealized aorta models was modified along with the boundary conditions to mimic the thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. The results of simulations with realistic models extracted from CT scans demonstrated more realistic flow dynamics than that in the idealized models. During systole, the velocity in ascending aorta was skewed towards the outer wall of aortic arch. The flow develops secondary flow patterns as it moves downstream towards aortic arch. Unlike idealized models, the distribution of flow was nonplanar and heavily guided by the artery anatomy. Flow cavitation was observed in the aorta model which was imaged giving longer branches. This could not be properly observed in the model with imaging containing a shorter length for aortic branches. The flow circulation was also observed in the inner wall of the aortic arch. However, during the diastole, the flow profiles were almost flat and regular due the acceleration of flow at the inlet. The flow profiles were weakly turbulent during the flow reversal. The complex flow patterns caused a non-uniform distribution of WSS. High WSS was distributed at the junction of branches and aortic arch. Low WSS was distributed at the proximal part of the junction, while intermedium WSS was distributed in the distal part of the junction. The pulsatile nature of the inflow caused oscillating WSS at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Based on the WSS distribution in the realistic model, one of the aorta models was altered to induce artificial atherosclerotic plaque at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Atherosclerotic plaque causing 50% blockage of lumen was introduced in brachiocephalic artery, common carotid artery, left subclavian artery, and aortic arch. The aim of this part of the study was first to study the effect of stenosis on flow and WSS distribution, understand the effect of shape of atherosclerotic plaque on flow and WSS distribution, and finally to investigate the effect of lumen blockage severity on flow and WSS distributions. The results revealed that the distribution of WSS is significantly affected by plaque with mere 50% stenosis. The asymmetric shape of stenosis causes higher WSS in branching arteries than in the cases with symmetric plaque. The flow dynamics within thoracic aorta models has been extensively studied and reported here. The effects of pressure and arterial anatomy on the flow dynamic were investigated. The distribution of complex flow and WSS is correlated with the localization of atherosclerosis. With the available results we can conclude that the thoracic aorta, with complex anatomy is the most vulnerable artery for the localization and development of atherosclerosis. The flow dynamics and arterial anatomy play a role in the localization of atherosclerosis. The patient specific image based models can be used to diagnose the locations in the aorta vulnerable to the development of arterial diseases such as atherosclerosis.

Validation of a 3D model for oxygen combustion in a circulating fluidized bed

In this thesis, a model called CFB3D is validated for oxygen combustion in circulating fluidized bed boiler. The first part of the work consists of literature review in which circulating fluidized bed and oxygen combustion technologies are studied. In addition, the modeling of circulating fluidized bed furnaces is discussed and currently available industrial scale three-dimensional furnace models are presented. The main features of CFB3D model are presented along with the theories and equations related to the model parameters used in this work. The second part of this work consists of the actual research and modeling work including measurements, model setup, and modeling results. The objectives of this thesis is to study how well CFB3D model works with oxygen combustion compared to air combustion in circulating fluidized bed boiler and what model parameters need to be adjusted when changing from air to oxygen combustion. The study is performed by modeling two air combustion cases and two oxygen combustion cases with comparable boiler loads. The cases are measured at Ciuden 30 MWth Flexi-Burn demonstration plant in April 2012. The modeled furnace temperatures match with the measurements as well in oxygen combustion cases as in air combustion cases but the modeled gas concentrations differ from the measurements clearly more in oxygen combustion cases. However, the same model parameters are optimal for both air and oxygen combustion cases. When the boiler load is changed, some combustion and heat transfer related model parameters need to be adjusted. To improve the accuracy of modeling results, better flow dynamics model should be developed in the CFB3D model. Additionally, more measurements are needed from the lower furnace to find the best model parameters for each case. The validation work needs to be continued in order to improve the modeling results and model predictability.

Prediction of 3D structure and ligand-binding properties : ABC transporters and flavodiiron proteins from Synechocystis sp. strain PCC 6803

Cyanobacteria are unicellular, non-nitrogen-fixing prokaryotes, which perform photosynthesis similarly as higher plants. The cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803 is used as a model organism in photosynthesis research. My research described herein aims at understanding the function of the photosynthetic machinery and how it responds to changes in the environment. Detailed knowledge of the regulation of photosynthesis in cyanobacteria can be utilized for biotechnological purposes, for example in the harnessing of solar energy for biofuel production. In photosynthesis, iron participates in electron transfer. Here, we focused on iron transport in Synechocystis sp. strain PCC 6803 and particularly on the environmental regulation of the genes encoding the FutA2BC ferric iron transporter, which belongs to the ABC transporter family. A homology model built for the ATP-binding subunit FutC indicates that it has a functional ATPbinding site as well as conserved interactions with the channel-forming subunit FutB in the transporter complex. Polyamines are important for the cell proliferation, differentiation and apoptosis in prokaryotic and eukaryotic cells. In plants, polyamines have special roles in stress response and in plant survival. The polyamine metabolism in cyanobacteria in response to environmental stress is of interest in research on stress tolerance of higher plants. In this thesis, the potd gene encoding an polyamine transporter subunit from Synechocystis sp. strain PCC 6803 was characterized for the first time. A homology model built for PotD protein indicated that it has capability of binding polyamines, with the preference for spermidine. Furthermore, in order to investigate the structural features of the substrate specificity, polyamines were docked into the binding site. Spermidine was positioned very similarly in Synechocystis PotD as in the template structure and had most favorable interactions of the docked polyamines. Based on the homology model, experimental work was conducted, which confirmed the binding preference. Flavodiiron proteins (Flv) are enzymes, which protect the cell against toxicity of oxygen and/or nitric oxide by reduction. In this thesis, we present a novel type of photoprotection mechanism in cyanobacteria by the heterodimer of Flv2/Flv4. The constructed homology model of Flv2/Flv4 suggests a functional heterodimer capable of rapid electron transfer. The unknown protein sll0218, encoded by the flv2-flv4 operon, is assumed to facilitate the interaction of the Flv2/Flv4 heterodimer and energy transfer between the phycobilisome and PSII. Flv2/Flv4 provides an alternative electron transfer pathway and functions as an electron sink in PSII electron transfer.

Probabilistic contact preferences in protein-ligand and protein-protein complexes

Modeller för intermolekulär växelvärkan utnyttjas brett inom biologin. Analys av kontakter mellan proteiner och läkemedelsforskning representerar typiska tillämpningsområden för dylika modeller. En modell som beskriver sådana molekylära växelverkningar kan utformas med hjälp av biofysisk teori, vilket tenderar att resultera i ytterst tung beräkningsbörda även för enkla tillämpningar. Ett alternativt sätt att formulera modeller är att utnyttja stora databaser som innehåller strukturmätningar gjorda med hjälp av till exempel röntgendiffraktion. Då man använder sig av empiriska mätdata direkt, möjliggör en statistisk modell att osäkerheten och inexaktheten i datat tas till hänsyn på ett adekvat sätt, samtidigt som beräkningsbördan håller sig på en rimligare nivå jämfört med kvantmekaniska metoder som i princip borde ge de optimala resultaten. I avhandlingen utvecklades en 3D modell för numerisk undersökning av intermolekulär växelverkan baserad på Bayesiansk statistik. Modellens syfte är att åstadkomma prognoser för det hurdana eller vilka molekylstrukturer prefereras i en given kontext, d.v.s. är mer sannolika inom ramen för interaktion. Modellen testades i essentiella molekyläromgivningar - en liten molekyl vid sin bindningsplats hos ett protein och en gränsyta mellan proteinerna i ett komplex. De erhållna numeriska resultaten motsvarar väl experimentella resultat som tidigare rapporterats i litteraturen, exempelvis kvalitativa bindningsaffiniteter och kemisk kännedom av vissa aminosyrors rumsliga förmågor att utgöra bindningar. I avhandlingen gjordes ytterligare preliminära tester av den statistiska ansatsen för modellering av den centrala molekylära strukturella anpassningsbarheten. I praktiken är den utvecklade modellen ämnad som ett led i en mer omfattande analysmetod, så som en s.k. farmakofor modell. Molekyylivuorovaikutusten mallintamista hyödynnetään laajasti biologisten kysymysten tarkastelussa. Tyypillisiä esimerkkejä sovelluskohteista ovat proteiinien väliset kontaktit ja lääkesuunnittelu. Vuorovaikutuksia kuvaavan mallin lähtökohta voi olla molekyyleihin liittyvä teoria, jolloin soveltamiseen liittyvä laskenta saattaa olla erityisen raskasta, tai suuri havaintojoukko joka on saatu aikaan esimerkiksi mittaamalla rakenteita röntgendiffraktio menetelmällä. Tilastollinen malli mahdollistaa havaintoaineistossa olevan epätarkkuuden ja epävarmuuden huomioimisen, samalla pitäen laskennallisen kuorman pienempänä verrattuna periaatteessa parhaan tuloksen antavaan kvanttimekaaniseen mallinnukseen. Väitöstyössä kehitettiin bayesiläiseen tilastotieteeseen perustuva 3D malli molekyylien välisten vuorovaikutusten laskennalliseen tarkasteluun. Mallin tehtävä on tuottaa ennusteita sen suhteen, minkä tai millaisten molekyylirakenteiden väliset kompleksit ovat etusijalla, toisin sanoen todennäköisempiä, vuorovaikutustilanteessa. Työssä kehitetyn menetelmän toimivuutta testattiin käyttötarkoituksen suhteen olennaisissa molekyyliympäristöissä - pieni molekyyli sitoutumiskohdassaan proteiinissa sekä rajapinta kahden proteiinin välilllä proteiinikompleksissa. Saadut laskennalliset tulokset vastasivat hyvin vertailuun käytettyjä kirjallisuudesta saatuja kokeellisia tuloksia, kuten laadullisia sitoutumisaffiniteetteja, sekä kemiallista tietoa esimerkiksi tiettyjen aminohappojen avaruudellisesta sidoksenmuodostuksesta. Väitöstyössä myös alustavasti testattiin tilastollista lähestymistapaa tärkeän molekyylien rakenteellisen mukautuvuuden mallintamiseen. Käytännössä malli on tarkoitettu osaksi jotakin laajempaa analyysimenetelmää, kuten farmakoforimallia.

In silico analysis identifies a C3HC4-RING finger domain of a putative E3 ubiquitin-protein ligase located at the C-terminus of a polyglutamine-containing protein

Almost identical polyglutamine-containing proteins with unknown structures have been found in human, mouse and rat genomes (GenBank AJ277365, AF525300, AY879229). We infer that an identical new gene (RING) finger domain of real interest is located in each C-terminal segment. A three-dimensional (3-D) model was generated by remote homology modeling and the functional implications are discussed. The model consists of 65 residues from terminal position 707 to 772 of the human protein with a total length of 796 residues. The 3-D model predicts a ubiquitin-protein ligase (E3) as a binding site for ubiquitin-conjugating enzyme (E2). Both enzymes are part of the ubiquitin pathway to label unwanted proteins for subsequent enzymatic degradation. The molecular contact specificities are suggested for both the substrate recognition and the residues at the possible E2-binding surface. The predicted structure, of a ubiquitin-protein ligase (E3, enzyme class number 6.3.2.19, CATH code 3.30.40.10.4) may contribute to explain the process of ubiquitination. The 3-D model supports the idea of a C3HC4-RING finger with a partially new pattern. The putative E2-binding site is formed by a shallow hydrophobic groove on the surface adjacent to the helix and one zinc finger (L722, C739, P740, P741, R744). Solvent-exposed hydrophobic amino acids lie around both zinc fingers (I717, L722, F738, or P765, L766, V767, V733, P734). The 3-D structure was deposited in the protein databank theoretical model repository (2B9G, RCSB Protein Data Bank, NJ).

From protein structure to function with bioinformatics

It has long been known that amino acids are the building blocks for proteins and govern their folding into specific three-dimensional structures. However, the details of this process are still unknown and represent one of the main problems in structural bioinformatics, which is a highly active research area with the focus on the prediction of three-dimensional structure and its relationship to protein function. The protein structure prediction procedure encompasses several different steps from searches and analyses of sequences and structures, through sequence alignment to the creation of the structural model. Careful evaluation and analysis ultimately results in a hypothetical structure, which can be used to study biological phenomena in, for example, research at the molecular level, biotechnology and especially in drug discovery and development. In this thesis, the structures of five proteins were modeled with templatebased methods, which use proteins with known structures (templates) to model related or structurally similar proteins. The resulting models were an important asset for the interpretation and explanation of biological phenomena, such as amino acids and interaction networks that are essential for the function and/or ligand specificity of the studied proteins. The five proteins represent different case studies with their own challenges like varying template availability, which resulted in a different structure prediction process. This thesis presents the techniques and considerations, which should be taken into account in the modeling procedure to overcome limitations and produce a hypothetical and reliable three-dimensional structure. As each project shows, the reliability is highly dependent on the extensive incorporation of experimental data or known literature and, although experimental verification of in silico results is always desirable to increase the reliability, the presented projects show that also the experimental studies can greatly benefit from structural models. With the help of in silico studies, the experiments can be targeted and precisely designed, thereby saving both money and time. As the programs used in structural bioinformatics are constantly improved and the range of templates increases through structural genomics efforts, the mutual benefits between in silico and experimental studies become even more prominent. Hence, reliable models for protein three-dimensional structures achieved through careful planning and thoughtful executions are, and will continue to be, valuable and indispensable sources for structural information to be combined with functional data.

Pituusleikkureiden 3D-suunnittelun kehittäminen

Tämä diplomityö tehtiin Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteelle. Työn tavoitteena oli tutkia miten pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan tehostaa hyödyntämällä uuden 3D-CAD -järjestelmän ominaisuuksia optimaalisesti. Työ koostuu teoriaosuudesta, haastattelututkimuksesta sekä käytännön osuudesta. Teoriaosuudessa perehdytään pituusleikkurin toimintaan ja rakenteeseen, 3D-suunnittelun teoriaan sekä CATIA-järjestelmään. Teoriaosuudessa etsitään myös uusia näkökulmia 3D-suunnitteluun. Haastattelututkimuksessa kartoitetaan nykyinen suunnitteluprosessi, suunnittelun kehitettäviä kohteita, sekä käytössä olevia suunnittelumenetelmiä, jotka ovat todettu toimiviksi. Haastattelututkimuksessa haastatellaan Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteessä työskenteleviä pituusleikkureiden pääsuunnittelijoita sekä heidän esimiehiään. Lisäksi erillisten haastattelujen avulla kerätään kokemuksia CATIA V6 -ohjelmiston käytöstä sekä suunnitteluohjelmiston vaihtumisesta. Käytännön osuuden tavoitteena on arvioida pituusleikkurin parametroitujen mallirakenteiden siirtämiseen sekä korjauksiin kuluvia aikamääriä kyseisiin toimenpiteisiin tarvittavien resurssien määrittämiseksi. Käytännön osuudessa siirretään kaksi Valmet OptiWin Drum Compact -pituusleikkurin parametroitua osakokonaisuutta uuteen CAD-järjestelmään ja niille suoritetaan tarvittavat korjaustoimenpiteet Tutkimuksen tulosten perusteella yhteisen mallinnusmetodologian puuttuminen on merkittävin kehityskohde suunnittelun kehittämisessä. Lopuksi luotiin kehitysehdotukset sekä implementointisuunnitelma, joiden avulla pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan kehittää ja CATIA V6 -ohjelmisto voidaan ottaa käyttöön tehokkaasti.

Analysis of the esophagogastric junction using the 3D high resolution manometry

Contexte & Objectifs : La manométrie perfusée conventionnelle et la manométrie haute résolution (HRM) ont permis le développement d’une variété de paramètres pour mieux comprendre la motilité de l'œsophage et quantifier les caractéristiques de la jonction œsophago-gastrique (JOG). Cependant, l'anatomie de la JOG est complexe et les enregistrements de manométrie détectent à la fois la pression des structures intrinsèques et des structures extrinsèques à l'œsophage. Ces différents composants ont des rôles distincts au niveau de la JOG. Les pressions dominantes ainsi détectées au niveau de la JOG sont attribuables au sphincter œsophagien inférieur (SOI) et aux piliers du diaphragme (CD), mais aucune des technologies manométriques actuelles n’est capable de distinguer ces différents composants de la JOG. Lorsqu’on analyse les caractéristiques de la JOG au repos, celle ci se comporte avant tout comme une barrière antireflux. Les paramètres manométriques les plus couramment utilisés dans ce but sont la longueur de la JOG et le point d’inversion respiratoire (RIP), défini comme le lieu où le pic de la courbe de pression inspiratoire change de positif (dans l’abdomen) à négatif (dans le thorax), lors de la classique manœuvre de « pull-through ». Cependant, l'importance de ces mesures reste marginale comme en témoigne une récente prise de position de l’American Gastroenterology Association Institute (AGAI) (1) qui concluait que « le rôle actuel de la manométrie dans le reflux gastro-œsophagien (RGO) est d'exclure les troubles moteurs comme cause des symptômes présentés par la patient ». Lors de la déglutition, la mesure objective de la relaxation de la JOG est la pression de relaxation intégrée (IRP), qui permet de faire la distinction entre une relaxation normale et une relaxation anormale de la JOG. Toutefois, puisque la HRM utilise des pressions moyennes à chaque niveau de capteurs, certaines études de manométrie laissent suggérer qu’il existe une zone de haute pression persistante au niveau de la JOG même si un transit est mis en évidence en vidéofluoroscopie. Récemment, la manométrie haute résolution « 3D » (3D-HRM) a été développée (Given Imaging, Duluth, GA) avec le potentiel de simplifier l'évaluation de la morphologie et de la physiologie de la JOG. Le segment « 3D » de ce cathéter de HRM permet l'enregistrement de la pression à la fois de façon axiale et radiale tout en maintenant une position fixe de la sonde, et évitant ainsi la manœuvre de « pull-through ». Par conséquent, la 3D-HRM devrait permettre la mesure de paramètres importants de la JOG tels que sa longueur et le RIP. Les données extraites de l'enregistrement fait par 3D-HRM permettraient également de différencier les signaux de pression attribuables au SOI des éléments qui l’entourent. De plus, l’enregistrement des pressions de façon radiaire permettrait d’enregistrer la pression minimale de chaque niveau de capteurs et devrait corriger cette zone de haute pression parfois persistante lors la déglutition. Ainsi, les objectifs de ce travail étaient: 1) de décrire la morphologie de la JOG au repos en tant que barrière antireflux, en comparant les mesures effectuées avec la 3D-HRM en temps réel, par rapport à celle simulées lors d’une manœuvre de « pull-through » et de déterminer quelles sont les signatures des pressions attribuables au SOI et au diaphragme; 2) d’évaluer la relaxation de la JOG pendant la déglutition en testant l'hypothèse selon laquelle la 3D-HRM permet le développement d’un nouveau paradigme (appelé « 3D eSleeve ») pour le calcul de l’IRP, fondé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteur de pression le long de la JOG. Ce nouveau paradigme sera comparé à une étude de transit en vidéofluoroscopie pour évaluer le gradient de pression à travers la JOG. Méthodes : Nous avons utilisé un cathéter 3D-HRM, qui incorpore un segment dit « 3D » de 9 cm au sein d’un cathéter HRM par ailleurs standard. Le segment 3D est composé de 12 niveaux (espacés de 7.5mm) de 8 capteurs de pression disposés radialement, soit un total de 96 capteurs. Neuf volontaires ont été étudiés au repos, où des enregistrements ont été effectués en temps réel et pendant une manœuvre de « pull-through » du segment 3D (mobilisation successive du cathéter de 5 mm, pour que le segment 3D se déplace le long de la JOG). Les mesures de la longueur du SOI et la détermination du RIP ont été réalisées. La longueur de la JOG a été mesurée lors du « pull-through » en utilisant 4 capteurs du segment 3D dispersés radialement et les marges de la JOG ont été définies par une augmentation de la pression de 2 mmHg par rapport à la pression gastrique ou de l’œsophage. Pour le calcul en temps réel, les limites distale et proximale de la JOG ont été définies par une augmentation de pression circonférentielle de 2 mmHg par rapport à la pression de l'estomac. Le RIP a été déterminée, A) dans le mode de tracé conventionnel avec la méthode du « pull-through » [le RIP est la valeur moyenne de 4 mesures] et B) en position fixe, dans le mode de représentation topographique de la pression de l’œsophage, en utilisant l’outil logiciel pour déterminer le point d'inversion de la pression (PIP). Pour l'étude de la relaxation de la JOG lors de la déglutition, 25 volontaires ont été étudiés et ont subi 3 études de manométrie (10 déglutitions de 5ml d’eau) en position couchée avec un cathéter HRM standard et un cathéter 3D-HRM. Avec la 3D-HRM, l’analyse a été effectuée une fois avec le segment 3D et une fois avec une partie non 3D du cathéter (capteurs standard de HRM). Ainsi, pour chaque individu, l'IRP a été calculée de quatre façons: 1) avec la méthode conventionnelle en utilisant le cathéter HRM standard, 2) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment standard du cathéter 3D-HRM, 3) avec la méthode conventionnelle en utilisant le segment « 3D » du cathéter 3D-HRM, et 4) avec le nouveau paradigme (3D eSleeve) qui recueille la pression minimale de chaque niveau de capteurs (segment 3D). Quatorze autres sujets ont subi une vidéofluoroscopie simultanée à l’étude de manométrie avec le cathéter 3D-HRM. Les données de pression ont été exportés vers MATLAB ™ et quatre pressions ont été mesurées simultanément : 1) la pression du corps de l’œsophage, 2cm au-dessus de la JOG, 2) la pression intragastrique, 3) la pression radiale moyenne de la JOG (pression du eSleeve) et 4) la pression de la JOG en utilisant la pression minimale de chaque niveau de capteurs (pression du 3D eSleeve). Ces données ont permis de déterminer le temps permissif d'écoulement du bolus (FPT), caractérisé par la période au cours de laquelle un gradient de pression existe à travers la JOG (pression œsophagienne > pression de relaxation de la JOG > pression gastrique). La présence ou l'absence du bolus en vidéofluoroscopie et le FPT ont été codés avec des valeurs dichotomiques pour chaque période de 0,1 s. Nous avons alors calculé la sensibilité et la spécificité correspondant à la valeur du FPT pour la pression du eSleeve et pour la pression du 3D eSleeve, avec la vidéofluoroscopie pour référence. Résultats : Les enregistrements avec la 3D-HRM laissent suggérer que la longueur du sphincter évaluée avec la méthode du « pull-through » était grandement exagéré en incorporant dans la mesure du SOI les signaux de pression extrinsèques à l’œsophage, asymétriques et attribuables aux piliers du diaphragme et aux structures vasculaires. L’enregistrement en temps réel a permis de constater que les principaux constituants de la pression de la JOG au repos étaient attribuables au diaphragme. L’IRP calculé avec le nouveau paradigme 3D eSleeve était significativement inférieur à tous les autres calculs d'IRP avec une limite supérieure de la normale de 12 mmHg contre 17 mmHg pour l’IRP calculé avec la HRM standard. La sensibilité (0,78) et la spécificité (0,88) du 3D eSleeve étaient meilleurs que le eSleeve standard (0,55 et 0,85 respectivement) pour prédire le FPT par rapport à la vidéofluoroscopie. Discussion et conclusion : Nos observations suggèrent que la 3D-HRM permet l'enregistrement en temps réel des attributs de la JOG, facilitant l'analyse des constituants responsables de sa fonction au repos en tant que barrière antireflux. La résolution spatiale axiale et radiale du segment « 3D » pourrait permettre de poursuivre cette étude pour quantifier les signaux de pression de la JOG attribuable au SOI et aux structures extrinsèques (diaphragme et artéfacts vasculaires). Ces attributs du cathéter 3D-HRM suggèrent qu'il s'agit d'un nouvel outil prometteur pour l'étude de la physiopathologie du RGO. Au cours de la déglutition, nous avons évalué la faisabilité d’améliorer la mesure de l’IRP en utilisant ce nouveau cathéter de manométrie 3D avec un nouveau paradigme (3D eSleeve) basé sur l’utilisation de la pression radiale minimale à chaque niveau de capteurs de pression. Nos résultats suggèrent que cette approche est plus précise que celle de la manométrie haute résolution standard. La 3D-HRM devrait certainement améliorer la précision des mesures de relaxation de la JOG et cela devrait avoir un impact sur la recherche pour modéliser la JOG au cours de la déglutition et dans le RGO.