Unique reporter-based sensor platforms to monitor signalling in cells

Introduction - In recent years much progress has been made in the development of tools for systems biology to study the levels of mRNA and protein, and their interactions within cells. However, few multiplexed methodologies are available to study cell signalling directly at the transcription factor level. Methods - Here we describe a sensitive, plasmid-based RNA reporter methodology to study transcription factor activation in mammalian cells, and apply this technology to profiling 60 transcription factors in parallel. The methodology uses two robust and easily accessible detection platforms; quantitative real-time PCR for quantitative analysis and DNA microarrays for parallel, higher throughput analysis. Findings - We test the specificity of the detection platforms with ten inducers and independently validate the transcription factor activation. Conclusions - We report a methodology for the multiplexed study of transcription factor activation in mammalian cells that is direct and not theoretically limited by the number of available reporters.

Dynamic response of spring mounted flexible platforms carring rotating machinery

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Cultural Heritage Archives on Bulgarian National Radio Platforms

The article describes radio archives as cultural heritage and presents their practical use as integrated resources on different radio platforms. The current situation and plans for the Bulgarian National Radio (BNR) for preserving and using these repositories are discussed.

Agitation conditions for the culture and detachment of hMSCs from microcarriers in multiple bioreactor platforms

In our recent work in different bioreactors up to 2.5L in scale, we have successfully cultured hMSCs using the minimum agitator speed required for complete microcarrier suspension, N JS. In addition, we also reported a scaleable protocol for the detachment from microcarriers in spinner flasks of hMSCs from two donors. The essence of the protocol is the use of a short period of intense agitation in the presence of enzymes such that the cells are detached; but once detachment is achieved, the cells are smaller than the Kolmogorov scale of turbulence and hence not damaged. Here, the same approach has been effective for culture at N JS and detachment in-situ in 15mL ambr™ bioreactors, 100mL spinner flasks and 250mL Dasgip bioreactors. In these experiments, cells from four different donors were used along with two types of microcarrier with and without surface coatings (two types), four different enzymes and three different growth media (with and without serum), a total of 22 different combinations. In all cases after detachment, the cells were shown to retain their desired quality attributes and were able to proliferate. This agitation strategy with respect to culture and harvest therefore offers a sound basis for a wide range of scales of operation.

Digital surveillance based on video CODEC System-on-a-Chip (SoC) platforms

Today, most conventional surveillance networks are based on analog system, which has a lot of constraints like manpower and high-bandwidth requirements. It becomes the barrier for today's surveillance network development. This dissertation describes a digital surveillance network architecture based on the H.264 coding/decoding (CODEC) System-on-a-Chip (SoC) platform. The proposed digital surveillance network architecture includes three major layers: software layer, hardware layer, and the network layer. The following outlines the contributions to the proposed digital surveillance network architecture. (1) We implement an object recognition system and an object categorization system on the software layer by applying several Digital Image Processing (DIP) algorithms. (2) For better compression ratio and higher video quality transfer, we implement two new modules on the hardware layer of the H.264 CODEC core, i.e., the background elimination module and the Directional Discrete Cosine Transform (DDCT) module. (3) Furthermore, we introduce a Digital Signal Processor (DSP) sub-system on the main bus of H.264 SoC platforms as the major hardware support system for our software architecture. Thus we combine the software and hardware platforms to be an intelligent surveillance node. Lab results show that the proposed surveillance node can dramatically save the network resources like bandwidth and storage capacity.

Real-time scheduling of embedded applications on multi-core platforms

For the past several decades, we have experienced the tremendous growth, in both scale and scope, of real-time embedded systems, thanks largely to the advances in IC technology. However, the traditional approach to get performance boost by increasing CPU frequency has been a way of past. Researchers from both industry and academia are turning their focus to multi-core architectures for continuous improvement of computing performance. In our research, we seek to develop efficient scheduling algorithms and analysis methods in the design of real-time embedded systems on multi-core platforms. Real-time systems are the ones with the response time as critical as the logical correctness of computational results. In addition, a variety of stringent constraints such as power/energy consumption, peak temperature and reliability are also imposed to these systems. Therefore, real-time scheduling plays a critical role in design of such computing systems at the system level. We started our research by addressing timing constraints for real-time applications on multi-core platforms, and developed both partitioned and semi-partitioned scheduling algorithms to schedule fixed priority, periodic, and hard real-time tasks on multi-core platforms. Then we extended our research by taking temperature constraints into consideration. We developed a closed-form solution to capture temperature dynamics for a given periodic voltage schedule on multi-core platforms, and also developed three methods to check the feasibility of a periodic real-time schedule under peak temperature constraint. We further extended our research by incorporating the power/energy constraint with thermal awareness into our research problem. We investigated the energy estimation problem on multi-core platforms, and developed a computation efficient method to calculate the energy consumption for a given voltage schedule on a multi-core platform. In this dissertation, we present our research in details and demonstrate the effectiveness and efficiency of our approaches with extensive experimental results.

Control of mobile robotic platforms by handheld devices

The intent of this work was to develop a mobile robotic platform that was controlled by a Palm Pilot PDA. Advances in consumer electronics are producing powerful yet small handheld devices. Some of these devices present quasi-PC capabilities for a fraction of the cost; furthermore, they are compact enough that they fit in all but the smallest of platforms. The platform prototype built for testing purposes has a differential-drive configuration to provide simple but agile movement control. The sensor package consisted of two infrared ranging sensors mounted on servomotors that provide a wide area of detection. Building such a platform involved selection of hardware, circuit integration and software development. The software suite selected to develop code for the Palm Pilot was CodeWarrior, a C compiler that can generate code in Palm-native PRC files.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Beyond local search:bridging platforms and inter-sectoral technological integration

This paper explores the dynamics of inter-sectoral technological integration by introducing the concept of bridging platform as a node of pervasive technologies, whose collective broad applicability may enhance the connection between ‘distant’ knowledge by offering a technological coupling. Using data on patents obtained from the CRIOS-PATSTAT database for four EU countries (Germany, UK, France and Italy), we provide empirical evidence that bridging platforms are likely to connect more effectively innovations across distant technological domains, fostering inter-sectoral technological integration and the development of original innovation. Public research organisations are also found to play a crucial role in terms of technological integration and original innovation due to their higher capacity to access and use bridging platforms within their innovation activities.

Acoustic and Magnetic Techniques for the Isolation and Analysis of Cells in Microfluidic Platforms

Cancer comprises a collection of diseases, all of which begin with abnormal tissue growth from various stimuli, including (but not limited to): heredity, genetic mutation, exposure to harmful substances, radiation as well as poor dieting and lack of exercise. The early detection of cancer is vital to providing life-saving, therapeutic intervention. However, current methods for detection (e.g., tissue biopsy, endoscopy and medical imaging) often suffer from low patient compliance and an elevated risk of complications in elderly patients. As such, many are looking to “liquid biopsies” for clues into presence and status of cancer due to its minimal invasiveness and ability to provide rich information about the native tumor. In such liquid biopsies, peripheral blood is drawn from patients and is screened for key biomarkers, chiefly circulating tumor cells (CTCs). Capturing, enumerating and analyzing the genetic and metabolomic characteristics of these CTCs may hold the key for guiding doctors to better understand the source of cancer at an earlier stage for more efficacious disease management.

The isolation of CTCs from whole blood, however, remains a significant challenge due to their (i) low abundance, (ii) lack of a universal surface marker and (iii) epithelial-mesenchymal transition that down-regulates common surface markers (e.g., EpCAM), reducing their likelihood of detection via positive selection assays. These factors potentiate the need for an improved cell isolation strategy that can collect CTCs via both positive and negative selection modalities as to avoid the reliance on a single marker, or set of markers, for more accurate enumeration and diagnosis.

The technologies proposed herein offer a unique set of strategies to focus, sort and template cells in three independent microfluidic modules. The first module exploits ultrasonic standing waves and a class of elastomeric particles for the rapid and discriminate sequestration of cells. This type of cell handling holds promise not only in sorting, but also in the isolation of soluble markers from biofluids. The second module contains components to focus (i.e., arrange) cells via forces from acoustic standing waves and separate cells in a high throughput fashion via free-flow magnetophoresis. The third module uses a printed array of micromagnets to capture magnetically labeled cells into well-defined compartments, enabling on-chip staining and single cell analysis. These technologies can operate in standalone formats, or can be adapted to operate with established analytical technologies, such as flow cytometry. A key advantage of these innovations is their ability to process erythrocyte-lysed blood in a rapid (and thus high throughput) fashion. They can process fluids at a variety of concentrations and flow rates, target cells with various immunophenotypes and sort cells via positive (and potentially negative) selection. These technologies are chip-based, fabricated using standard clean room equipment, towards a disposable clinical tool. With further optimization in design and performance, these technologies might aid in the early detection, and potentially treatment, of cancer and various other physical ailments.

A Delay Vector Variance based marker for an output-only assessment of structural changes in tension leg platforms

Although aspects of power generation of many offshore renewable devices are well understood, their dynamic responses under high wind and wave conditions are still to be investigated to a great detail. Output only statistical markers are important for these offshore devices, since access to the device is limited and information about the exposure conditions and the true behaviour of the devices are generally partial, limited, and vague or even absent. The markers can summarise and characterise the behaviour of these devices from their dynamic response available as time series data. The behaviour may be linear or nonlinear and consequently a marker that can track the changes in structural situations can be quite important. These markers can then be helpful in assessing the current condition of the structure and can indicate possible intervention, monitoring or assessment. This paper considers a Delay Vector Variance based marker for changes in a tension leg platform tested in an ocean wave basin for structural changes brought about by single column dampers. The approach is based on dynamic outputs of the device alone and is based on the estimation of the nonlinearity of the output signal. The advantages of the selected marker and its response with changing structural properties are discussed. The marker is observed to be important for monitoring the as- deployed structural condition and is sensitive to changes in such conditions. Influence of exposure conditions of wave loading is also discussed in this study based only on experimental data.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Optics-Based Quantum Information and Sensing Platforms Utilizing the Nitrogen-Vacancy Center in Diamond

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08