Design of nonlinear regenerative transmission systems with high capacity

We present the design of nonlinear regenerative communication channels that have capacity above the classical Shannon capacity of the linear additive white Gaussian noise channel. The upper bound for regeneration efficiency is found and the asymptotic behavior of the capacity in the saturation regime is derived. © 2013 IEEE.

Information theory analysis of regenerative channels

In this paper we summarize our recently proposed work on the information theory analysis of regenerative channels. We discuss how the design and the transfer function properties of the regenerator affect the noise statistics and enable Shannon capacities higher than that of the corresponding linear channels (in the absence of regeneration).

Restaurant Customer Loyalty: A Qualitative Assessment of Niche Brands

Using the Loyalty Triangle framework developed by Lewis and Shoemaker (1999) and focus group methodology, the study examined how a niche brand restaurant best achieved long-term loyalty. Results indicate that customers are loyal to a niche brand because of the unique characteristics inherent to the brand. Customers have higher perceptions of such qualities as the presentation of service, consistency of product, and the benefits offered by the loyalty program than characteristics that are shared across all brands. Niche brand restaurants can be more effective in developing these qualities to promote customer loyalty.

Relative roles of dispersal dynamics and competition in determining the isotopic niche breadth of a wetland fish

1. The niche variation hypothesis predicts that among-individual variation in niche use will increase in the presence of intraspecific competition and decrease in the presence of interspecific competition. We sought to determine whether the local isotopic niche breadth of fish inhabiting a wetland was best explained by competition for resources and the niche variation hypothesis, by dispersal of individuals from locations with different prey resources or by a combination of the two. We analysed stable isotopes of carbon and nitrogen as indices of feeding niche and compared metrics of within-site spread to characterise site-level isotopic niche breadth. We then evaluated the explanatory power of competing models of the direct and indirect effects of several environmental variables spanning gradients of disturbance, competition strength and food availability on among-individual variation of the eastern mosquitofish (Gambusia holbrooki). 2. The Dispersal model posits that only the direct effect of disturbance (i.e. changes in water level known to induce fish movement) influences among-individual variation in isotopic niche. The Partitioning model allows for only direct effects of local food availability on among-individual variation. The Combined model allows for both hypotheses by including the direct effects of disturbance and food availability. 3. A linear regression of the Combined model described more variance than models limited to the variables of either the Dispersal or Partitioning models. Of the independent variables considered, the food availability variable (per cent edible periphyton) explained the most variation in isotopic niche breadth, followed closely by the disturbance variable (days since last drying event). 4. Structural equation modelling provided further evidence that the Combined model was best supported by the data, with the Partitioning and the Dispersal models only modestly less informative. Again, the per cent edible periphyton was the variable with the largest direct effect on niche variability, with other food availability variables and the disturbance variable only slightly less important. Indirect effects of heterospecific and conspecific competitor densities were also important, through their effects on prey density. 5. Our results support the Combined hypotheses, although partitioning mechanisms appear to explain the most diet variation among individuals in the eastern mosquitofish. The results also support some predictions of the niche variation hypothesis, although both conspecific and interspecific competition appeared to increase isotopic niche breadth in contrast to predictions that interspecific competition would decrease it. We think this resulted from high diet overlap of co-occurring species, most of which consume similar macroinvertebrates.

Latitudinal shift in thermal niche breadth results from thermal release during a climate-mediated range expansion

Funded by Biodiversity and Ecosystem Services in a Changing Climate Wenner-Gren Foundation Swedish Research Council The Royal Swedish Academy of Sciences Stiftelsen Anna-Greta Holger Crafoords Fund The Crafoord Foundation

Latitudinal shift in thermal niche breadth results from thermal release during a climate-mediated range expansion

Funded by Biodiversity and Ecosystem Services in a Changing Climate Wenner-Gren Foundation Swedish Research Council The Royal Swedish Academy of Sciences Stiftelsen Anna-Greta Holger Crafoords Fund The Crafoord Foundation

Model updating using genetic algorithms with sequential niche technique

The authors would like to express their gratitude to organizations and people that supported this research. Piotr Omenzetter’s work within the Lloyd’s Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research. Ben Ryder of Aurecon and Graeme Cummings of HEB Construction assisted in obtaining access to the bridge and information for modelling. Luke Williams and Graham Bougen, undergraduate research students, assisted with testing.

Latitudinal shift in thermal niche breadth results from thermal release during a climate-mediated range expansion

Funded by Biodiversity and Ecosystem Services in a Changing Climate Wenner-Gren Foundation Swedish Research Council The Royal Swedish Academy of Sciences Stiftelsen Anna-Greta Holger Crafoords Fund The Crafoord Foundation

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.

Targeted Gene Repression Technologies for Regenerative Medicine, Genomics, and Gene Therapy

Gene regulation is a complex and tightly controlled process that defines cell function in physiological and abnormal states. Programmable gene repression technologies enable loss-of-function studies for dissecting gene regulation mechanisms and represent an exciting avenue for gene therapy. Established and recently developed methods now exist to modulate gene sequence, epigenetic marks, transcriptional activity, and post-transcriptional processes, providing unprecedented genetic control over cell phenotype. Our objective was to apply and develop targeted repression technologies for regenerative medicine, genomics, and gene therapy applications. We used RNA interference to control cell cycle regulation in myogenic differentiation and enhance the proliferative capacity of tissue engineered cartilage constructs. These studies demonstrate how modulation of a single gene can be used to guide cell differentiation for regenerative medicine strategies. RNA-guided gene regulation with the CRISPR/Cas9 system has rapidly expanded the targeted repression repertoire from silencing single protein-coding genes to modulation of genes, promoters, and other distal regulatory elements. In order to facilitate its adaptation for basic research and translational applications, we demonstrated the high degree of specificity for gene targeting, gene silencing, and chromatin modification possible with Cas9 repressors. The specificity and effectiveness of RNA-guided transcriptional repressors for silencing endogenous genes are promising characteristics for mechanistic studies of gene regulation and cell phenotype. Furthermore, our results support the use of Cas9-based repressors as a platform for novel gene therapy strategies. We developed an in vivo AAV-based gene repression system for silencing endogenous genes in a mouse model. Together, these studies demonstrate the utility of gene repression tools for guiding cell phenotype and the potential of the RNA-guided CRISPR/Cas9 platform for applications such as causal studies of gene regulatory mechanisms and gene therapy.

Engineering Highly-functional, Self-regenerative Skeletal Muscle Tissues with Enhanced Vascularization and Survival in Vivo

Tissue engineering of biomimetic skeletal muscle may lead to development of new therapies for myogenic repair and generation of improved in vitro models for studies of muscle function, regeneration, and disease. For the optimal therapeutic and in vitro results, engineered muscle should recreate the force-generating and regenerative capacities of native muscle, enabled respectively by its two main cellular constituents, the mature myofibers and satellite cells (SCs). Still, after 20 years of research, engineered muscle tissues fall short of mimicking contractile function and self-repair capacity of native skeletal muscle. To overcome this limitation, we set the thesis goals to: 1) generate a highly functional, self-regenerative engineered skeletal muscle and 2) explore mechanisms governing its formation and regeneration in vitro and survival and vascularization in vivo.

By studying myogenic progenitors isolated from neonatal rats, we first discovered advantages of using an adherent cell fraction for engineering of skeletal muscles with robust structure and function and the formation of a SC pool. Specifically, when synergized with dynamic culture conditions, the use of adherent cells yielded muscle constructs capable of replicating the contractile output of native neonatal muscle, generating >40 mN/mm2 of specific force. Moreover, tissue structure and cellular heterogeneity of engineered muscle constructs closely resembled those of native muscle, consisting of aligned, striated myofibers embedded in a matrix of basal lamina proteins and SCs that resided in native-like niches. Importantly, we identified rapid formation of myofibers early during engineered muscle culture as a critical condition leading to SC homing and conversion to a quiescent, non-proliferative state. The SCs retained natural regenerative capacity and activated, proliferated, and differentiated to rebuild damaged myofibers and recover contractile function within 10 days after the muscle was injured by cardiotoxin (CTX). The resulting regenerative response was directly dependent on the abundance of SCs in the engineered muscle that we varied by expanding starting cell population under different levels of basic fibroblast growth factor (bFGF), an inhibitor of myogenic differentiation. Using a dorsal skinfold window chamber model in nude mice, we further demonstrated that within 2 weeks after implantation, initially avascular engineered muscle underwent robust vascularization and perfusion and exhibited improved structure and contractile function beyond what was achievable in vitro.

To enhance translational value of our approach, we transitioned to use of adult rat myogenic cells, but found that despite similar function to that of neonatal constructs, adult-derived muscle lacked regenerative capacity. Using a novel platform for live monitoring of calcium transients during construct culture, we rapidly screened for potential enhancers of regeneration to establish that many known pro-regenerative soluble factors were ineffective in stimulating in vitro engineered muscle recovery from CTX injury. This led us to introduce bone marrow-derived macrophages (BMDMs), an established non-myogenic contributor to muscle repair, to the adult-derived constructs and to demonstrate remarkable recovery of force generation (>80%) and muscle mass (>70%) following CTX injury. Mechanistically, while similar patterns of early SC activation and proliferation upon injury were observed in engineered muscles with and without BMDMs, a significant decrease in injury-induced apoptosis occurred only in the presence of BMDMs. The importance of preventing apoptosis was further demonstrated by showing that application of caspase inhibitor (Q-VD-OPh) yielded myofiber regrowth and functional recovery post-injury. Gene expression analysis suggested muscle-secreted tumor necrosis factor-α (TNFα) as a potential inducer of apoptosis as common for muscle degeneration in diseases and aging in vivo. Finally, we showed that BMDM incorporation in engineered muscle enhanced its growth, angiogenesis, and function following implantation in the dorsal window chambers in nude mice.

In summary, this thesis describes novel strategies to engineer highly contractile and regenerative skeletal muscle tissues starting from neonatal or adult rat myogenic cells. We find that age-dependent differences of myogenic cells distinctly affect the self-repair capacity but not contractile function of engineered muscle. Adult, but not neonatal, myogenic progenitors appear to require co-culture with other cells, such as bone marrow-derived macrophages, to allow robust muscle regeneration in vitro and rapid vascularization in vivo. Regarding the established roles of immune system cells in the repair of various muscle and non-muscle tissues, we expect that our work will stimulate the future applications of immune cells as pro-regenerative or anti-inflammatory constituents of engineered tissue grafts. Furthermore, we expect that rodent studies in this thesis will inspire successful engineering of biomimetic human muscle tissues for use in regenerative therapy and drug discovery applications.

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.

Modelled niche centres and niche breadths of open ocean phytoplankton taxa

This data contains realized ecological niche estimates of phytoplankton taxa within the mixed layer of the open ocean. The estimates are based on data from the MARine Ecosystem DATa (MAREDAT) initiative, and cover five phytoplankton functional types: coccolithophores (40 species), diatoms (87 species), diazotrophs (two genera), Phaeocystis (two species) and picophytoplankton (two genera). Considered as major niche dimensions were temperature (°C), mixed layer depth (MLD; m), nitrate concentration (µmoles/L), mean photosynthetically active radiation in the mixed layer (MLPAR; µmoles/m**2/s), salinity, and the excess of phosphate versus nitrate relative to the Redfield ratio (P*; µmoles/L). For each niche dimension at a time, conditions at presence locations of the taxa were contrasted with conditions in 12 000 randomly sampled points from the open ocean using MaxEnt models. We used the quartiles of the response curves of these models to parameterize realized niche centers and niche breadths: the median (q50) of the response curves was considered to be the niche center and the distance between the lower quartile (q25) and the upper quartile (q75) was used as a rough estimate of niche breadth. We only reported meaningful niche estimates, i.e., estimates based on MaxEnt models that perform significantly better than random, as indicated by an area under the curve (AUC) score significantly larger than 0.5.

Evolution of lactase persistence: an example of human niche construction

Niche construction is the process by which organisms construct important components of their local environment in ways that introduce novel selection pressures. Lactase persistence is one of the clearest examples of niche construction in humans. Lactase is the enzyme responsible for the digestion of the milk sugar lactose and its production decreases after the weaning phase in most mammals, including most humans. Some humans, however, continue to produce lactase throughout adulthood, a trait known as lactase persistence. In European populations, a single mutation (−13910*T) explains the distribution of the phenotype, whereas several mutations are associated with it in Africa and the Middle East. Current estimates for the age of lactase persistence-associated alleles bracket those for the origins of animal domestication and the culturally transmitted practice of dairying. We report new data on the distribution of −13910*T and summarize genetic studies on the diversity of lactase persistence worldwide. We review relevant archaeological data and describe three simulation studies that have shed light on the evolution of this trait in Europe. These studies illustrate how genetic and archaeological information can be integrated to bring new insights to the origins and spread of lactase persistence. Finally, we discuss possible improvements to these models.