Self-healing of cracks during ductile regime machining of silicon: Insights from molecular dynamics simulation

During nanoindentation and ductile-regime machining of silicon, a phenomenon known as “self-healing” takes place in that the microcracks, microfractures, and small spallings generated during the machining are filled by the plastically flowing ductile phase of silicon. However, this phenomenon has not been observed in simulation studies. In this work, using a long-range potential function, molecular dynamics simulation was used to provide an improved explanation of this mechanism. A unique phenomenon of brittle cracking was discovered, typically inclined at an angle of 45° to 55° to the cut surface, leading to the formation of periodic arrays of nanogrooves being filled by plastically flowing silicon during cutting. This observation is supported by the direct imaging. The simulated X-ray diffraction analysis proves that in contrast to experiments, Si-I to Si-II (beta tin) transformation during ductile-regime cutting is highly unlikely and solid-state amorphisation of silicon caused solely by the machining stress rather than the cutting temperature is the key to its brittle-ductile transition observed during the MD simulations

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.

Cholangiocarcinoma: from molecular biology to treatment

Cholangiocarcinoma is a rare tumor originating in the bile ducts, which, according to their anatomical location, is classified as intrahepatic, extrahepatic and hilar. Nevertheless, incidence rates have increased markedly in recent decades. With respect to tumor biology, several genetic alterations correlated with resistance to chemotherapy and radiotherapy have been identified. Here, we highlight changes in KRAS and TP53 genes that are normally associated with a more aggressive phenotype. Also IL-6 and some proteins of the BCL-2 family appear to be involved in the resistance that the cholangiocarcinoma presents toward conventional therapies. With regard to diagnosis, tumor markers most commonly used are CEA and CA 19-9, and although its use isolated appears controversial, their combined value has been increasingly advocated. In imaging terms, various methods are needed, such as abdominal ultrasound, computed tomography and cholangiopancreatography. Regarding therapy, surgical modalities are the only ones that offer chance of cure; however, due to late diagnosis, most patients cannot take advantage of them. Thus, the majority of patients are directed to other therapeutic modalities like chemotherapy, which, in this context, assumes a purely palliative role. Thus, it becomes urgent to investigate new therapeutic options for this highly aggressive type of tumor.

Imaging of activated complement using ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles (USPIO) - conjugated vectors: an in vivo in utero non-invasive method to predict placental insufficiency and abnormal fetal brain development.

In the current study, we have developed a magnetic resonance imaging-based method for non-invasive detection of complement activation in placenta and foetal brain in vivo in utero. Using this method, we found that anti-complement C3-targeted ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) nanoparticles bind within the inflamed placenta and foetal brain cortical tissue, causing a shortening of the T2* relaxation time. We used two mouse models of pregnancy complications: a mouse model of obstetrics antiphospholipid syndrome (APS) and a mouse model of preterm birth (PTB). We found that detection of C3 deposition in the placenta in the APS model was associated with placental insufficiency characterised by increased oxidative stress, decreased vascular endothelial growth factor and placental growth factor levels and intrauterine growth restriction. We also found that foetal brain C3 deposition was associated with cortical axonal cytoarchitecture disruption and increased neurodegeneration in the mouse model of APS and in the PTB model. In the APS model, foetuses that showed increased C3 in their brains additionally expressed anxiety-related behaviour after birth. Importantly, USPIO did not affect pregnancy outcomes and liver function in the mother and the offspring, suggesting that this method may be useful for detecting complement activation in vivo in utero and predicting placental insufficiency and abnormal foetal neurodevelopment that leads to neuropsychiatric disorders.

Molecular mechanisms involved in cell response to mechanical forces

New devices were designed to generate a localized mechanical vibration of flexible gels where human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were cultured. The stimulation setups were able to apply relatively large strains (30%~50%) at high temporal frequencies (140~207 Hz) in a localized subcellular region. One of the advantages of this technique was to be less invasive to the innate cellular functions because there was no direct contact between the stimulating probe and the cell body. A mechanical vibration induced by the device in the substrate gel where cells were seeded could mainly cause global calcium responses of the cells. This global response was initiated by the influx of calcium across the stretch-activated channels in the plasma membrane. The subsequent production of inositol triphosphate (IP3) via phospholipase C (PLC) activation triggered the calcium release from the endoplasmic reticulum (ER) to cause a global intracellular calcium fluctuation over the whole cell body. This global calcium response was also shown to depend on actomyosin contractility and F-actin integrity, probably controlling the membrane stretch-activated channels. The localized nature of the stimulation is one of the most important features of these new designs as it allowed the observation of the calcium signaling propagation by ER calcium release. The next step was to focus on the calcium influx, more specifically the TRPM7 channels. As TRPM7 expression may modulate cell adhesion, an adhesion assay was developed and tested on HUVECs seeded on gel substrates with different treatments: normal treatment on gels showed highest attachment rate, followed by the partially treated gels (only 5% of usual fibronectin amount) and untreated gels, with the lowest attachment rate. The trend of the attachment rates correlated to the magnitude of the calcium signaling observed after mechanical stimulation. TRPM7 expression inhibition by siRNA caused an increased attachment rate when compared to both control and non-targeting siRNA-treated cells, but resulted in an actual weaker response in terms of calcium signaling. It suggests that TRPM7 channels are indeed important for the calcium signaling in response to mechanical stimulation. A complementary study was also conducted consisting in the mechanical stimulation of a dissected Drosophila embryo. Although ionomycin treatment showed calcium influx in the tissue, the mechanical stimulation delivered as a vertical vibration did not elicited calcium signaling in response. One possible reason is the dissection procedure causing desensitization of the tissue due to the scrapings and manipulations to open the embryo.

Transmission electron tomography: quality assessment and enhancement for three-dimensional imaging of nanostructures

Nanotechnology has revolutionised humanity's capability in building microscopic systems by manipulating materials on a molecular and atomic scale. Nan-osystems are becoming increasingly smaller and more complex from the chemical perspective which increases the demand for microscopic characterisation techniques. Among others, transmission electron microscopy (TEM) is an indispensable tool that is increasingly used to study the structures of nanosystems down to the molecular and atomic scale. However, despite the effectivity of this tool, it can only provide 2-dimensional projection (shadow) images of the 3D structure, leaving the 3-dimensional information hidden which can lead to incomplete or erroneous characterization. One very promising inspection method is Electron Tomography (ET), which is rapidly becoming an important tool to explore the 3D nano-world. ET provides (sub-)nanometer resolution in all three dimensions of the sample under investigation. However, the fidelity of the ET tomogram that is achieved by current ET reconstruction procedures remains a major challenge. This thesis addresses the assessment and advancement of electron tomographic methods to enable high-fidelity three-dimensional investigations. A quality assessment investigation was conducted to provide a quality quantitative analysis of the main established ET reconstruction algorithms and to study the influence of the experimental conditions on the quality of the reconstructed ET tomogram. Regular shaped nanoparticles were used as a ground-truth for this study. It is concluded that the fidelity of the post-reconstruction quantitative analysis and segmentation is limited, mainly by the fidelity of the reconstructed ET tomogram. This motivates the development of an improved tomographic reconstruction process. In this thesis, a novel ET method was proposed, named dictionary learning electron tomography (DLET). DLET is based on the recent mathematical theorem of compressed sensing (CS) which employs the sparsity of ET tomograms to enable accurate reconstruction from undersampled (S)TEM tilt series. DLET learns the sparsifying transform (dictionary) in an adaptive way and reconstructs the tomogram simultaneously from highly undersampled tilt series. In this method, the sparsity is applied on overlapping image patches favouring local structures. Furthermore, the dictionary is adapted to the specific tomogram instance, thereby favouring better sparsity and consequently higher quality reconstructions. The reconstruction algorithm is based on an alternating procedure that learns the sparsifying dictionary and employs it to remove artifacts and noise in one step, and then restores the tomogram data in the other step. Simulation and real ET experiments of several morphologies are performed with a variety of setups. Reconstruction results validate its efficiency in both noiseless and noisy cases and show that it yields an improved reconstruction quality with fast convergence. The proposed method enables the recovery of high-fidelity information without the need to worry about what sparsifying transform to select or whether the images used strictly follow the pre-conditions of a certain transform (e.g. strictly piecewise constant for Total Variation minimisation). This can also avoid artifacts that can be introduced by specific sparsifying transforms (e.g. the staircase artifacts the may result when using Total Variation minimisation). Moreover, this thesis shows how reliable elementally sensitive tomography using EELS is possible with the aid of both appropriate use of Dual electron energy loss spectroscopy (DualEELS) and the DLET compressed sensing algorithm to make the best use of the limited data volume and signal to noise inherent in core-loss electron energy loss spectroscopy (EELS) from nanoparticles of an industrially important material. Taken together, the results presented in this thesis demonstrates how high-fidelity ET reconstructions can be achieved using a compressed sensing approach.

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.

Environmental scanning electron microscope imaging of vesicle systems

The structural characteristics of liposomes have been widely investigated and there is certainly a strong understanding of their morphological characteristics. Imaging of these systems, using techniques such as freeze-fracturing methods, transmission electron microscopy, and cryo-electron imaging, has allowed us to appreciate their bilayer structures and factors which can influence this. However, there are few methods which all us to study these systems in their natural hydrated state; commonly the liposomes are visualized after drying, staining, and/or fixation of the vesicles. Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM) offers the ability to image a liposome in its hydrated state without the need for prior sample preparation. Within our studies we were the first to use ESEM to study liposomes and niosomes and we have been able to dynamically follow the hydration of lipid films and changes in liposome suspensions as water condenses on to, or evaporates from, the sample in real time. This provides insight into the resistance of liposomes to coalescence during dehydration, thereby providing an alternative assay of liposome formulation and stability.

Molecular probes for monitoring mitochondrial movement and function

This thesis explores two distinct parts of mitochondrial physiology: the role of mitochondria in generation of reactive oxygen species (ROS) and mitochondrial morphology and dynamics within cells. The first area of research is covered in Chapters 1-8. Mitochondrial biofunctionality and ROS production are discussed in Chapter 1, followed by the strategy of targeting bioactive compounds to mitochondria by linking them to lipophilic triphenylphosphonium cations (TPP) (Chapter 2). ROS sensors relevant to the research are reviewed in Chapter 3. Chapter 4 presents design and synthesis of novel probes for superoxide detection in mitochondria (MitoNeo-D), cytosol (Neo-D) and extracellular environment (ExCellNeo-D). The results of biological validation of MitoNeo-D and Neo-D performed in the MRC MBU in Cambridge are presented in Chapter 5. A dicationic hydrogen peroxide sensor that utilizes in situ click chemistry is discussed in Chapter 6. Preliminary work on the synthesis of mitochondria-targeted superoxide generators, which led to the development of mitochondria-targeted analogue of paraquat, MitoPQ, is presented in Chapter 7. A set of bifunctional probes (BCN-Mal, BCN-E-BCN and Mito-iTag) for assessing the redox states of protein thiols is discussed in Chapter 8 along with their biological validation. The second part of the thesis is aimed at the study of mitochondrial morphology and dynamics and is presented in Chapters 9-11. Chapter 9 provides background on the classes of fluorophores relevant to the research, the phenomenon of fluorescence quenching and the principle of photoactivation with examples of photoactivatable fluorophores. Next, the background on mitochondrial morphology and heterogeneity is presented in Chapter 10, followed by the ways of imaging and tracking mitochondria within cells by conventional fluorophores and by photoactivatable fluorophores exploiting super-resolution microscopy. Chapter 11 presents the design and synthesis of four photoactivatable fluorophores for mitochondrial tracking, MitoPhotoRhod110, MitoPhotoNIR, Photo-E+, MitoPhoto-E+, along with results of biological validation of MitoPhotoNIR. The results and discussion concludes with Chapter 12, which is a summary and suggestions for future work, followed by the chemistry experimental procedures (Chapter 13), materials and methods for biological experiments (Chapter 14) and references.

Vibrational spectroscopy of phthalocyanine and naphthalocyanine in sandwich-type (na)phthalocyaninato and porphyrinato rare earth complexes : (Part 10) The infrared and Raman characteristics of phthalocyanine in heteroleptic bis(phthalocyaninato) rare earth complexes with decreased molecular symmetry

The infrared (IR) spectroscopic data for a series of eleven heteroleptic bis(phthalocyaninato) rare earth complexes MIII(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] (M = Sm–Lu, Y) [H2Pc = unsubstituted phthalocyanine, H2Pc(α-OC5H11)4 = 1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyanine] have been collected with 2 cm−1 resolution. Raman spectroscopic properties in the range of 500–1800 cm−1 for these double-decker molecules have also been comparatively studied using laser excitation sources emitting at 632.8 and 785 nm. Both the IR and Raman spectra for M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] are more complicated than those of homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth analogues due to the decreased molecular symmetry of these double-decker compounds, namely C4. For this series, the IR Pc√− marker band appears as an intense absorption at 1309–1317 cm−1, attributed to the pyrrole stretching. With laser excitation at 632.8 nm, Raman vibrations derived from isoindole ring and aza stretchings in the range of 1300–1600 cm−1 are selectively intensified. In contrast, when excited with laser radiation of 785 nm, the ring radial vibrations of isoindole moieties and dihedral plane deformations between 500 and 1000 cm−1 for M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] intensify to become the strongest scatterings. Both techniques reveal that the frequencies of pyrrole stretching, isoindole breathing, isoindole stretchings, aza stretchings and coupling of pyrrole and aza stretchings depend on the rare earth ionic size, shifting to higher energy along with the lanthanide contraction due to the increased ring-ring interaction across the series. The assignments of the vibrational bands for these compounds have been made and discussed in relation to other unsubstituted and substituted bis(phthalocyaninato) rare earth analogues, such as M(Pc)2 and M(OOPc)2 [H2OOPc = 2,3,9,10,16,17,23,24-octakis(octyloxy)phthalocyanine].