Biological monitoring of a promissory xenogenic pin for biomedical applications: a preliminary intraosseous study in rats

Objectives: Over the last years, it is known that in some cases metal devices for biomedical applications present some disadvantages suggesting absorbable materials (natural or synthetic) as an alternative of choice. Here, our goal was to evaluate the biological response of a xenogenic pin, derived from bovine cortical bone, intraosseously implanted in the femur of rats. Material and methods: After 10, 14, 30 and 60 days from implantation, the animals (n = 5/period) were killed and the femurs carefully collected and dissected out under histological demands. For identifying the osteoclastogenesis level at 60 days, we performed the immunohistochemisty approach using antibody against RANKL. Results: Interestingly, our results showed that the incidence of neutrophils and leukocytes was observed only at the beginning (10 days). Clear evidences of pin degradation by host cells started at 14 days and it was more intensive at 60 days, when we detected the majority of the presence of giant multinucleated cells, which were very similar to osteoclast cells contacting the implanted pin. To check osteoclastogenesis at 60 days, we evaluated RANKL expression and it was positive for those resident multinucleated cells while a new bone deposition was verified surrounding the pins in all evaluated periods. Conclusions: Altogether, our results showed that pins from fully processed bovine bone are biocompatible and absorbable, allowing bone neoformation and it is a promissory device for biomedical applications.

Estudio de metabolitos secundarios de especies endémicas canarias de los géneros tolpis y pulicaria. Aplicaciones quimiotaxonómicas de actividad biológica = Study of secondary metabolites of endemic canary species from the genera Tolpis and Pulicaria: chemotaxomonic and biological activity applications

Doctorado en Ciencias Químicas

Direct metabolites of Ethanol as biological markers of alcohol use: Basic aspects and applications

In addition to self reports and questionnaires, biomarkers are of relevance in the diagnosis of and therapy for alcohol use disorders. Traditional biomarkers such as gamma-glutamyl transpeptidase or mean corpuscular volume are indirect biomarkers and are subject to the influence of age, gender and non-alcohol related diseases, among others. Direct metabolites of ethanol such as Ethyl glucuronide (EtG), ethyl sulphate (EtS) and phosphatidylethanol (PEth) are direct metabolites of ethanol, that are positive after intake of ethyl alcohol. They represent useful diagnostic tools for identifying alcohol use even more accurately than traditional biomarkers. Each of these drinking indicators remains positive in serum and urine for a characteristic time spectrum after the cessation of ethanol intake - EtG and EtS in urine up to 7 days, EtG in hair for months after ethanol has left the body. Applications include clinical routine use, emergency room settings, proof of abstinence in alcohol rehabilitation programmes, driving under influence offenders, workplace testing, assessment of alcohol intake in the context of liver transplantation and foetal alcohol syndrome. Due to their properties, they open up new perspectives for prevention, interdisciplinary cooperation, diagnosis of and therapy for alcohol-related problems.

A Landscape-based Regionalization of Natural Flow Regimes in the Ebro River Basin and its Biological Validation. River Research and Applications

Regionalización de tipos de régimen natural de caudales en la cuenca del Ebro y validación biológica de los tipos de regímen natural.

Biological treatment of wood preserving site groundwater by BioTrol, Inc. : applications analysis report.

Mode of access: Internet.

Meat through the microscope; applications of chemistry and the biological sciences to some problems of the meat packing industry,

"Lithoprinted."

Optical fibre sensors with applications in gas and biological sensing

This thesis describes the study of various grating based optical fibre sensors for applications in refractive index sensing. The sensitivity of these sensors has been studied and in some cases enhanced using novel techniques. The major areas of development are as follows. The sensitivity of long period gratings (LPGs) to surrounding medium refractive index (SRI) for various periods was investigated. The most sensitive period of LPG was found to be around 160 µm and this was due to the core mode coupling to a single cladding mode but phase matching at two wavelength locations, creating two attenuation peaks, close to the waveguide dispersion turning point. Large angle tilted fibre gratings (TFGs) have similar behaviour to LPGs, in that they couple to the co-propagating cladding modes. The tilted structure of the index modulation within the core of the fibre gives rise to a polarisation dependency, differing the large angle TFG from a LPG. Since the large angle TFG couple to the cladding mode they are SRI sensitive, the sensitivity to SRI can be further increased through cladding etching using HF acid. The thinning of the cladding layer caused a reordering of the cladding modes and shifted to more SRI sensitive cladding modes as the investigation discovered. In a SRI range of 1.36 to 1.40 a sensitivity of 506.9 nm/URI was achieved for the etched large angle TFG, which is greater than the dual resonance LPG. UV inscribed LPGs were coated with sol-gel materials with high RIs. The high RI of the coating caused an increase in cladding mode effective index which in turn caused an increase in the LPG sensitivity to SRI. LPGs of various periods of LPG were coated with sol-gel TiO2 and the optimal thickness was found to vary for each period. By coating of the already highly SRI sensitive 160µm period LPG (which is a dual resonance) with a sol-gel TiO2, the SRI sensitivity was further increased with a peak value of 1458 nm/URI, which was an almost 3 fold increase compared to the uncoated LPG. LPGs were also inscribed using a femtosecond laser which produced a highly focused index change which was no uniform throughout the core of the optical fibre. The inscription technique gave rise to a large polarisation sensitivity and the ability to couple to multiple azimuthal cladding mode sets, not seen with uniform UV inscribed gratings. Through coupling of the core mode to multiple sets of cladding modes, attenuation peaks with opposite wavelength shifts for increasing SRI was observed. Through combining this opposite wavelength shifts, a SRI sensitivity was achieved greater than any single observed attenuations peak. The maximum SRI achieved was 1680 nm/URI for a femtosecond inscribed LPG of period 400 µm. Three different types of surface plasmon resonance (SPR) sensors with a multilayer metal top coating were investigated in D shape optical fibre. The sensors could be separated into two types, utilized a pre UV inscribed tilted Bragg grating and the other employed a post UV exposure to generate surface relief grating structure. This surface perturbation aided the out coupling of light from the core but also changed the sensing mechanism from SPR to localised surface plasmon resonance (LSPR). This greatly increased the SRI sensitivity, compared to the SPR sensors; with the gold coated top layer surface relief sensor producing the largest SRI sensitivity of 2111.5nm/URI was achieved. While, the platinum and silver coated top layer surface relief sensors also gave high SRI sensitivities but also the ability to produce resonances in air (not previously seen with the SPR sensors). These properties were employed in two applications. The silver and platinum surface relief devices were used as gas sensors and were shown to be capable of detecting the minute RI change of different gases. The calculated maximum sensitivities produced were 1882.1dB/URI and 1493.5nm/URI for silver and platinum, respectively. Using a DFB laser and power meter a cheap alternative approach was investigated which showed the ability of the sensors to distinguish between different gases and flow rates of those gases. The gold surface relief sensor was coated in a with a bio compound called an aptamer and it was able to detect various concentrations of a biological compound called Thrombin, ranging from 1mM to as low as 10fM. A solution of 2M NaCl was found to give the best stripping results for Thrombin from the aptamer and showed the reusability of the sensor. The association and disassociation constants were calculated to be 1.0638×106Ms-1 and 0.2482s-1, respectively, showing the high affinity of the Aptamer to thrombin. This supports existing working stating that aptamers could be alternative to enzymes for chemical detection and also helps to explain the low detection limit of the gold surface relief sensor.

Transglutaminase 2 cross-linking of matrix proteins: biological significance and medical applications

This review summarises the functions of the enzyme tissue transglutaminase (TG2) in the extracellular matrix (ECM) both as a matrix stabiliser through its protein cross-linking activity and as an important cell adhesion protein involved in cell survival. The contribution of extracellular TG2 to the pathology of important diseases such as cancer and fibrosis are discussed with a view to the potential importance of TG2 as a therapeutic target. The medical applications of TG2 are further expanded by detailing the use of transglutaminase cross-linking in the development of novel biocompatible biomaterials for use in soft and hard tissue repair.

Physical and biological properties of a novel siloxane adhesive for soft tissue applications

The aim of this study was to investigate the adhesive properties of an in-house amino-propyltrimethoxysilane-methylenebisacrylamide (APTMS-MBA) siloxane system and compare them with a commercially available adhesive, n-butyl cyanoacrylate (nBCA). The ability of the material to perform as a soft tissue adhesive was established by measuring the physical (bond strength, curing time) and biological (cytotoxicity) properties of the adhesives on cartilage. Complementary physical techniques, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman and infrared imaging, enabled the mode of action of the adhesive to the cartilage surface to be determined. Adhesion strength to cartilage was measured using a simple butt joint test after storage in phosphate-buffered saline solution at 37°C for periods up to 1 month. The adhesives were also characterised using two in vitro biological techniques. A live/dead stain assay enabled a measure of the viability of chondrocytes attached to the two adhesives to be made. A water-soluble tetrazolium assay was carried out using two different cell types, human dermal fibroblasts and ovine meniscal chondrocytes, in order to measure material cytotoxicity as a function of both supernatant concentration and time. IR imaging of the surface of cartilage treated with APTMS-MBA siloxane adhesive indicated that the adhesive penetrated the tissue surface marginally compared to nBCA which showed a greater depth of penetration. The curing time and adhesion strength values for APTMS-MBA siloxane and nBCA adhesives were measured to be 60 s/0.23 MPa and 38 min/0.62 MPa, respectively. These materials were found to be significantly stronger than either commercially available fibrin (0.02 MPa) or gelatin resorcinol formaldehyde (GRF) adhesives (0.1 MPa) (P <0.01). Cell culture experiments revealed that APTMS-MBA siloxane adhesive induced 2% cell death compared to 95% for the nBCA adhesive, which extended to a depth of approximately 100-150 μm into the cartilage surface. The WST-1 assay demonstrated that APTMS-MBA siloxane was significantly less cytotoxic than nBCA adhesive as an undiluted conditioned supernatant (P <0.001). These results suggest that the APTMS-MBA siloxane may be a useful adhesive for medical applications. © VSP 2005.

A new method to calculate the periodic steady state of sequencing batch reactors for biological wastewater treatment : model development and applications

Peer reviewed

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.