O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Unsupervised classification of remote sensing images combining Self Organizing Maps and segmentation techniques

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Baseline Susceptibility of Primary HIV-2 to Entry Inhibitors

BACKGROUND: The baseline susceptibility of primary HIV-2 to maraviroc (MVC) and other entry inhibitors is currently unknown. METHODS: The susceptibility of 19 HIV-2 isolates obtained from asymptomatic and AIDS patients and seven HIV-1 clinical isolates to the fusion inhibitors enfuvirtide (ENF) and T-1249, and to the coreceptor antagonists AMD3100, TAK-779 and MVC, was measured using a TZM-bl cell-based assay. The 50% inhibitory concentration (IC(50)), 90% inhibitory concentration (IC(90)) and dose-response curve slopes were determined for each drug. RESULTS: ENF and T-1249 were significantly less active on HIV-2 than on HIV-1 (211- and 2-fold, respectively). AMD3100 and TAK-779 inhibited HIV-2 and HIV-1 CXCR4 tropic (X4) and CCR5 tropic (R5) variants with similar IC(50) and IC(90) values. MVC, however, inhibited the replication of R5 HIV-2 variants with significantly higher IC(90) values (42.7 versus 9.7 nM; P<0.0001) and lower slope values (0.7 versus 1.3; P<0.0001) than HIV-1. HIV-2 R5 variants derived from AIDS patients were significantly less sensitive to MVC than variants from asymptomatic patients, this being inversely correlated with the absolute number of CD4(+) T-cells. CONCLUSIONS: T-1249 is a potent inhibitor of HIV-2 replication indicating that new fusion inhibitors might be useful to treat HIV-2 infection. Coreceptor antagonists TAK-779 and AMD3100 are also potent inhibitors of HIV-2 replication. The reduced sensitivity of R5 variants to MVC, especially in severely immunodeficient patients, indicates that the treatment of HIV-2-infected patients with MVC might require higher dosages than those used in HIV-1 patients, and should be adjusted to the disease stage.

Ensemble classifiers in remote sensing: a comparative analysis

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Reconceptualising public spaces of (IN)equality: sensing and creating layers of visibility

Tese apresentada para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Doutor em Geografia e Planeamento Territorial - Especialidade: Geografia Humana

Spectrum sensing through software defined radio

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Applications of the indole scaffold in medicinal chemistry: development of new antioxidants, COX inhibitors and antitubercular agents

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química, especialidade Química Orgânica

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Development of novel benzimidazole- based COX Inhibitors new synthetic strategies and screening of heterocyclic structures

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química, especialidade Química Orgânica

Control system for actuation and sensing in digital microfluidics devices

Digital Microfluidics (DMF) is a second generation technique, derived from the conventional microfluidics that instead of using continuous liquid fluxes, it uses only individual droplets driven by external electric signals. In this thesis a new DMF control/sensing system for visualization, droplet control (movement, dispensing, merging and splitting) and real time impedance measurement have been developed. The software for the proposed system was implemented in MATLAB with a graphical user interface. An Arduino was used as control board and dedicated circuits for voltage switching and contacts were designed and implemented in printed circuit boards. A high resolution camera was integrated for visualization. In our new approach, the DMF chips are driven by a dual-tone signal where the sum of two independent ac signals (one for droplet operations and the other for impedance sensing) is applied to the electrodes, and afterwards independently evaluated by a lock-in amplifier. With this new approach we were able to choose the appropriated amplitudes and frequencies for the different proposes (actuation and sensing). The measurements made were used to evaluate the real time droplet impedance enabling the knowledge of its position and velocity. This new approach opens new possibilities for impedance sensing and feedback control in DMF devices.

Land cover mapping analysis and urban growth modeling using remote sensing techniques

The rapid growth of big cities has been noticed since 1950s when the majority of world population turned to live in urban areas rather than villages, seeking better job opportunities and higher quality of services and lifestyle circumstances. This demographic transition from rural to urban is expected to have a continuous increase. Governments, especially in less developed countries, are going to face more challenges in different sectors, raising the essence of understanding the spatial pattern of the growth for an effective urban planning. The study aimed to detect, analyse and model the urban growth in Greater Cairo Region (GCR) as one of the fast growing mega cities in the world using remote sensing data. Knowing the current and estimated urbanization situation in GCR will help decision makers in Egypt to adjust their plans and develop new ones. These plans should focus on resources reallocation to overcome the problems arising in the future and to achieve a sustainable development of urban areas, especially after the high percentage of illegal settlements which took place in the last decades. The study focused on a period of 30 years; from 1984 to 2014, and the major transitions to urban were modelled to predict the future scenarios in 2025. Three satellite images of different time stamps (1984, 2003 and 2014) were classified using Support Vector Machines (SVM) classifier, then the land cover changes were detected by applying a high level mapping technique. Later the results were analyzed for higher accurate estimations of the urban growth in the future in 2025 using Land Change Modeler (LCM) embedded in IDRISI software. Moreover, the spatial and temporal urban growth patterns were analyzed using statistical metrics developed in FRAGSTATS software. The study resulted in an overall classification accuracy of 96%, 97.3% and 96.3% for 1984, 2003 and 2014’s map, respectively. Between 1984 and 2003, 19 179 hectares of vegetation and 21 417 hectares of desert changed to urban, while from 2003 to 2014, the transitions to urban from both land cover classes were found to be 16 486 and 31 045 hectares, respectively. The model results indicated that 14% of the vegetation and 4% of the desert in 2014 will turn into urban in 2025, representing 16 512 and 24 687 hectares, respectively.

Analyzing Geospatial patterns of syrian refugee flows in southeastern Turkey by use of remote sensing and complementary data

Crisis-affected communities and global organizations for international aid are becoming increasingly digital as consequence geotechnology popularity. Humanitarian sector changed in profound ways by adopting new technical approach to obtain information from area with difficult geographical or political access. Since 2011, turkey is hosting a growing number of Syrian refugees along southeastern region. Turkish policy of hosting them in camps and the difficulty created by governors to international aid group expeditions to get information, made such international organizations to investigate and adopt other approach in order to obtain information needed. They intensified its remote sensing approach. However, the majority of studies used very high-resolution satellite imagery (VHRSI). The study area is extensive and the temporal resolution of VHRSI is low, besides it is infeasible only using these sensors as unique approach for the whole area. The focus of this research, aims to investigate the potentialities of mid-resolution imagery (here only Landsat) to obtain information from region in crisis (here, southeastern Turkey) through a new web-based platform called Google Earth Engine (GEE). Hereby it is also intended to verify GEE currently reliability once the Application Programming Interface (API) is still in beta version. The finds here shows that the basic functions are trustworthy. Results pointed out that Landsat can recognize change in the spectral resolution clearly only for the first settlement. The ongoing modifications vary for each case. Overall, Landsat demonstrated high limitations, but need more investigations and may be used, with restriction, as a support of VHRSI.

UAV - based imagery processing using structure from motion and remote sensing technology

With the recent advances in technology and miniaturization of devices such as GPS or IMU, Unmanned Aerial Vehicles became a feasible platform for a Remote Sensing applications. The use of UAVs compared to the conventional aerial platforms provides a set of advantages such as higher spatial resolution of the derived products. UAV - based imagery obtained by a user grade cameras introduces a set of problems which have to be solved, e. g. rotational or angular differences or unknown or insufficiently precise IO and EO camera parameters. In this work, UAV - based imagery of RGB and CIR type was processed using two different workflows based on PhotoScan and VisualSfM software solutions resulting in the DSM and orthophoto products. Feature detection and matching parameters influence on the result quality as well as a processing time was examined and the optimal parameter setup was presented. Products of the both workflows were compared in terms of a quality and a spatial accuracy. Both workflows were compared by presenting the processing times and quality of the results. Finally, the obtained products were used in order to demonstrate vegetation classification. Contribution of the IHS transformations was examined with respect to the classification accuracy.

Experimental evidence that quorum rules discourage turnout and promote election boycotts

Many democratic decision making institutions involve quorum rules. Such rules are commonly motivated by concerns about the “legitimacy” or “representativeness” of decisions reached when only a subset of eligible voters participates. A prominent example of this can be found in the context of direct democracy mechanisms, such as referenda and initiatives. We conduct a laboratory experiment to investigate the consequences of the two most common types of quorum rules: a participation quorum and an approval quorum. We find that both types of quora lead to lower participation rates, dramatically increasing the likelihood of full-fledged electoral boycotts on the part of those who endorse the Status Quo. This discouraging effect is significantly larger under a participation quorum than under an approval quorum.

Evaluation of geostatistical techniques to estimate the spatial distribution of aboveground biomass in the Amazon rainforest using high-resolution remote sensing data

ABSTRACT The spatial distribution of forest biomass in the Amazon is heterogeneous with a temporal and spatial variation, especially in relation to the different vegetation types of this biome. Biomass estimated in this region varies significantly depending on the applied approach and the data set used for modeling it. In this context, this study aimed to evaluate three different geostatistical techniques to estimate the spatial distribution of aboveground biomass (AGB). The selected techniques were: 1) ordinary least-squares regression (OLS), 2) geographically weighted regression (GWR) and, 3) geographically weighted regression - kriging (GWR-K). These techniques were applied to the same field dataset, using the same environmental variables derived from cartographic information and high-resolution remote sensing data (RapidEye). This study was developed in the Amazon rainforest from Sucumbíos - Ecuador. The results of this study showed that the GWR-K, a hybrid technique, provided statistically satisfactory estimates with the lowest prediction error compared to the other two techniques. Furthermore, we observed that 75% of the AGB was explained by the combination of remote sensing data and environmental variables, where the forest types are the most important variable for estimating AGB. It should be noted that while the use of high-resolution images significantly improves the estimation of the spatial distribution of AGB, the processing of this information requires high computational demand.