Robust model-order reduction of complex biological processes

This paper addresses robust model-order reduction of a high dimensional nonlinear partial differential equation (PDE) model of a complex biological process. Based on a nonlinear, distributed parameter model of the same process which was validated against experimental data of an existing, pilot-scale BNR activated sludge plant, we developed a state-space model with 154 state variables in this work. A general algorithm for robustly reducing the nonlinear PDE model is presented and based on an investigation of five state-of-the-art model-order reduction techniques, we are able to reduce the original model to a model with only 30 states without incurring pronounced modelling errors. The Singular perturbation approximation balanced truncating technique is found to give the lowest modelling errors in low frequency ranges and hence is deemed most suitable for controller design and other real-time applications. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Lead reduces tension development and the myosin ATPase activity of the rat right ventricular myocardium

Lead (Pb2+) poisoning causes hypertension, but little is known regarding its acute effects on cardiac contractility. To evaluate these effects, force was measured in right ventricular strips that were contracting isometrically in 45 male Wistar rats (250-300 g) before and after the addition of increasing concentrations of lead acetate (3, 7, 10, 30, 70, 100, and 300 µM) to the bath. Changes in rate of stimulation (0.1-1.5 Hz), relative potentiation after pauses of 15, 30, and 60 s, effect of Ca2+ concentration (0.62, 1.25, and 2.5 mM), and the effect of isoproterenol (20 ng/mL) were determined before and after the addition of 100 µM Pb2+. Effects on contractile proteins were evaluated after caffeine treatment using tetanic stimulation (10 Hz) and measuring the activity of the myosin ATPase. Pb2+ produced concentration-dependent force reduction, significant at concentrations greater than 30 µM. The force developed in response to increasing rates of stimulation became smaller at 0.5 and 0.8 Hz. Relative potentiation increased after 100 µM Pb2+ treatment. Extracellular Ca2+ increment and isoproterenol administration increased force development but after 100 µM Pb2+ treatment the force was significantly reduced suggesting an effect of the metal on the sarcolemmal Ca2+ influx. Concentration of 100 µM Pb2+ also reduced the peak and plateau force of tetanic contractions and reduced the activity of the myosin ATPase. Results showed that acute Pb2+ administration, although not affecting the sarcoplasmic reticulum activity, produces a concentration-dependent negative inotropic effect and reduces myosin ATPase activity. Results suggest that acute lead administration reduced myocardial contractility by reducing sarcolemmal calcium influx and the myosin ATPase activity. These results also suggest that lead exposure is hazardous and has toxicological consequences affecting cardiac muscle.

Coorte retrospectiva de crianças e adolescentes, infectados pelo HIV por transmissão vertical, no Espírito Santo : comorbidades, mortalidade e sobrevida

INTRODUÇÃO: O diagnóstico e terapia antirretroviral precoce em lactentes, infectados pelo HIV por transmissão vertical, reduz a progressão do HIV e comorbidades que podem levar ao óbito. OBJETIVO GERAL: Avaliar o perfil clínico e epidemiológico em uma coorte de crianças e adolescentes com aids, infectados por transmissão vertical do HIV, por um período de onze anos, atendidos em hospital estadual de referência, no Estado do Espírito Santo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1. Descrever a frequência das comorbidades diagnosticadas após o diagnóstico de HIV e verificar sua distribuição, segundo dados demográficos, epidemiológicos e clínicos, e segundo a classificação dos casos em uma coorte de crianças e adolescentes com aids. 2. Avaliar os fatores preditores de risco de progressão para aids e óbito e causas de morte. 3. Estimar a taxa de sobrevida. MÉTODOS: Coorte retrospectiva de crianças e adolescentes infectados pelo HIV, por transmissão vertical (TV), atendidas no Serviço de Atendimento Especializado (SAE) do Hospital Infantil Nossa Senhora da Glória (HINSG), de janeiro 2001 a dezembro 2011, em Vitória – ES/Brasil. A coleta de dados foi realizada em protocolo específico padronizado, e dados sobre as comorbidades, mortalidade e sua causa básica foram obtidos dos prontuários médicos, da Declaração de Óbito e do banco de dados SIM (Sistema de Informação sobre Mortalidade). O diagnóstico de aids e comorbidades foi de acordo com CDC (Centers for Disease Control and Prevention)/1994. RESULTADOS: Foi arrolado um total de 177 pacientes, sendo 97 (55%) do sexo feminino; 60 (34%) eram menores de1ano, 67 (38%) tinham de 1 a 5 anos e 50 (28%) tinham6 anos ou mais de idade no ingresso ao serviço. A mediana das idades na admissão foi de 30 meses (Intervalo Interquartis (IIQ) 25-75%: 5-72 meses). Em relação à classificação clínico-imunológica, 146 pacientes (82,5%) apresentavam a forma moderada/grave no momento do ingresso no Serviço e 26 (14,7%) foram a óbito. Os sinais clínicos mais frequentes foram hepatomegalia (81,62%), esplenomegalia (63,8%), linfadenopatia (68,4%) e febre persistente (32,8%). As comorbidades mais frequentes foram anemia (67,2%), pneumonia/sepses/meningite - primeiro episódio (64,2%), OMA/sinusite recorrente (55,4%), infecções bacterianas graves recorrentes (47,4%) e dermatites (43,1%). Encontrou-se associação entre classificação clínico-imunológica grave e ingresso no serviço com menos de um ano de idade com algumas comorbidades (p<0,001). O tempo total do acompanhamento dos pacientes foi de 11 anos, com mediana de cinco anos (IIQ: 2-8 anos). No final do período estudado, 132 (74,6%) pacientes estavam em acompanhamento, 11 (6,2%) foram transferidos para outros serviços eem oito (4,5%) houve perda de seguimento. Quanto ao óbito, observou-se uma redução de casos ao longo do tempo. A maioria dos pacientes que foram a óbito deu entrada no serviço com classificação clínica imunológica grave (77%-20/26), apresentava anemia moderada/grave e estava em uso de terapia antirretroviral (TARV) por mais de 3 meses (17/24-71%).Os principais fatores de risco para o óbito foram: faixa etária < 1 ano (p=0,005), pneumonia por P. jirovecii (p=0,010), percentual de linfócito T CD4+ nadir <15% (p=0,012), anemia crônica (p=0,012), estágio clínico imunológico grave (p=0,003), infecções bacterianas graves recorrentes(p=0,003) e tuberculose (p=0,037). Ter iniciado TARV antes dos 6 meses de vida (diagnóstico e tratamento precoces) foi associado à sobrevida(OR 2,86, [Intervalo de Confiança (IC) de 95%: 1,12-7,25] p=0,027).O principal diagnóstico registrado para os óbitos foram infecções bacterianas graves (12/21-57%). Foi encontrada uma elevada taxa de sobrevida, com 85,3% de probabilidade de sobrevivência por mais de 10 anos (IC 95% 9,6-10,7). CONCLUSÕES: A maioria das crianças teve diagnóstico tardio da infecção pelo HIV aumentando o risco de progressão para aids e óbito por falta de tratamento precoce. A tendência de mortalidade das crianças infectadas pelo HIV se mostrou uma constante com queda nos dois últimos anos do estudo, e ainda persistem as infecções bacterianas como maior causa de óbito. Portanto, melhoria no cuidado pré-natal e acompanhamento pediátrico com vista ao diagnóstico precoce das crianças infectadas verticalmente devem fazer parte do cuidado integral à criança com aids, o que poderia reduzir a mortalidade destas crianças.

Constructing good deals in discrete time arbitrage-free dynamic pricing models

Recent literature has proved that many classical pricing models (Black and Scholes, Heston, etc.) and risk measures (V aR, CV aR, etc.) may lead to “pathological meaningless situations”, since traders can build sequences of portfolios whose risk leveltends to −infinity and whose expected return tends to +infinity, i.e., (risk = −infinity, return = +infinity). Such a sequence of strategies may be called “good deal”. This paper focuses on the risk measures V aR and CV aR and analyzes this caveat in a discrete time complete pricing model. Under quite general conditions the explicit expression of a good deal is given, and its sensitivity with respect to some possible measurement errors is provided too. We point out that a critical property is the absence of short sales. In such a case we first construct a “shadow riskless asset” (SRA) without short sales and then the good deal is given by borrowing more and more money so as to invest in the SRA. It is also shown that the SRA is interested by itself, even if there are short selling restrictions.

Demand response in electrical energy supply: an optimal real time pricing approach

In competitive electricity markets with deep concerns for the efficiency level, demand response programs gain considerable significance. As demand response levels have decreased after the introduction of competition in the power industry, new approaches are required to take full advantage of demand response opportunities. This paper presents DemSi, a demand response simulator that allows studying demand response actions and schemes in distribution networks. It undertakes the technical validation of the solution using realistic network simulation based on PSCAD. The use of DemSi by a retailer in a situation of energy shortage, is presented. Load reduction is obtained using a consumer based price elasticity approach supported by real time pricing. Non-linear programming is used to maximize the retailer’s profit, determining the optimal solution for each envisaged load reduction. The solution determines the price variations considering two different approaches, price variations determined for each individual consumer or for each consumer type, allowing to prove that the approach used does not significantly influence the retailer’s profit. The paper presents a case study in a 33 bus distribution network with 5 distinct consumer types. The obtained results and conclusions show the adequacy of the used methodology and its importance for supporting retailers’ decision making.

Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Estudo da obtenção de gelatina a partir de raspa Wet-Blue da indústria de curtumes

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Copper and lead removal by peanut hulls: equilibrium and kinetic studies

This research work aims to study the use of peanut hulls, an agricultural and food industry waste, for copper and lead removal through equilibrium and kinetic parameters evaluation. Equilibrium batch studies were performed in a batch adsorber. The influence of initial pH was evaluated (3–5) and it was selected between 4.0 and 4.5. The maximum sorption capacities obtained for the Langmuir model were 0.21 ± 0.03 and 0.18 ± 0.02 mmol/g, respectively for copper and lead. In bi-component systems, competitive sorption of copper and lead was verified, the total amount adsorbed being around 0.21 mmol of metal per gram of material in both mono and bi-component systems. In the kinetic studies equilibrium was reached after 200 min contact time using a 400 rpm stirring rate, achieving 78% and 58% removal, in mono-component system, for copper and lead respectively. Their removal follows a pseudo-second-order kinetics. These studies show that most of the metals removal occurred in the first 20 min of contact, which shows a good uptake rate in all systems.

Heterogeneous kinetics of the reduction of chromium (VI) by elemental iron

Zero valent iron (ZVI) has been extensively used as a reactive medium for the reduction of Cr(VI) to Cr(III) in reactive permeable barriers. The kinetic rate depends strongly on the superficial oxidation of the iron particles used and the preliminary washing of ZVI increases the rate. The reaction has been primarily modelled using a pseudo-first-order kinetics which is inappropriate for a heterogeneous reaction. We assumed a shrinking particle type model where the kinetic rate is proportional to the available iron surface area, to the initial volume of solution and to the chromium concentration raised to a power ˛ which is the order of the chemical reaction occurring at surface. We assumed α= 2/3 based on the likeness to the shrinking particle models with spherical symmetry. Kinetics studies were performed in order to evaluate the suitability of this approach. The influence of the following parameters was experimentally studied: initial available surface area, chromium concentration, temperature and pH. The assumed order for the reaction was confirmed. In addition, the rate constant was calculated from data obtained in different operating conditions. Digital pictures of iron balls were periodically taken and the image treatment allowed for establishing the time evolution of their size distribution.

Eficiência energética em edifícios residenciais da cidade do Porto

O consumo de energia a nível mundial tem atingido valores históricos, devido ao crescimento da população mundial e ao aumento do consumo per capita. Nesta medida é extremamente importante existirem alternativas para que a redução do consumo de energia de todos os países seja uma realidade, evitando também as consequências ambientais, em particular as alterações climáticas, resultantes da utilização intensiva de combustíveis fósseis. Portugal, tal como outros países da União Europeia, tem que cumprir metas, pelo que é urgente encontrarem-se soluções de forma a diminuir o consumo de energia sem interferir com o nosso dia-a-dia. A cidade do Porto, tal como qualquer cidade, precisa de imensa energia desde os transportes até à indústria, passando pelos edifícios. Os edifícios, residenciais e de serviços, são responsáveis por mais de 50% de energia primária consumida no concelho do Porto, sendo que aos edifícios residenciais corresponde um consumo de 1.473 GWh/ano de energia primária, o que é um valor elevado. Numa primeira parte deste trabalho foi efetuado um levantamento de informação caracterizando a cidade do Porto relativamente ao seu edificado e consumos energéticos. Numa segunda parte propuseram-se medidas para reduzir o consumo para cada tipo de utilização de energia, nomeadamente preparação de refeições, AQS (água quente sanitária), aquecimento ambiente, frio (frigorífico, arcas, etc.), outros e iluminação. Para cada um destes tipos de utilização estudou-se, sempre que possível, a evolução do longo do tempo (2004 a 2012) e possíveis cenários de evolução para o futuro. Para além disso, também se estudou a evolução do mix de produção de energia elétrica de 2004 até 2012 e previsões da evolução do mix para o futuro. Nesta análise foi tido em conta o aspeto ambiental contabilizando-se, sempre que possível, as emissões de poluentes resultantes do consumo de energia. Por fim, efetuou-se uma avaliação técnica, ambiental e económica das medidas propostas. Pode dizer-se que a maioria das medidas propostas a serem implementadas conduziria a uma redução do consumo de energia e consequentemente a uma diminuição das emissões de poluentes, em particular dos gases com efeito de estufa (CO2). Em termos técnicos a maioria das medidas pode ser aplicada embora algumas delas envolvam custos de investimento significativos. Dada a conjuntura atual, seria importante obter o financiamento necessário para a implementação das medidas propostas e a divulgação de medidas já existentes, tais como os programas para AQS e janelas eficientes.

Gestão de instalações eléctricas para optimização do desempenho, eficiência e qualidade de energia em grandes edifícios com integração de Miniprodução

As alterações climáticas e as emissões de CO2 são questões que suscitam a nível internacional e nacional o desenvolvimento de estratégias que atenuem os seus impactes. A Eficiência Energética (EE) é essencial para que num futuro próximo não haja impactes significativos no meio ambiente devido a elevado e ineficiente consumo energético. A União Europeia (UE) e Portugal têm desenvolvido políticas e programas que estimulam a eficiência energética, bem como a diminuição de gases com efeito de estufa (GEE) e a promoção da utilização de fontes de energia renovável. Por outro lado vivemos numa sociedade que passa cerca de 80% do seu tempo em edifícios e, nestes, é consumida 40% da energia mundial. Com uma dependência energética superior a 80%, Portugal tem vindo a apostar, nos últimos anos, em fontes de energia renovável. Esta aposta serve como substituição de fontes, mas não leva directamente à redução de consumos. A redução da factura de energia só pode ser atingida com uma maior eficiência energética e melhores práticas de gestão de energia em edifícios, transportes e industria. Esta dissertação centra-se especificamente num conjunto de edifícios públicos, património municipal da autarquia de Matosinhos, cujo modelo de fornecimento da energia eléctrica é passível de análise crítica no sentido de uma optimização radical ao nível da concepção da rede e exploração, com consequente redução de custos ao nível da facturação. Esta nova metodologia de exploração e gestão de sistemas eléctricos incidirá na criação de um “campus” energético autárquico resultante do novo layout da rede e respectivo fornecimento de energia a partir da rede de distribuição pública. O estudo permitirá fornecer ferramentas fundamentais para a gestão municipal e empresarial ao nível da sustentabilidade energética nos edifícios públicos com abrangência aos serviços empresariais. De referir que a gestão das instalações eléctricas para optimização do desempenho, eficiência e qualidade de energia é aplicável aos 308 municípios nacionais com relevância para as empresas que apresentam consumos significativos nos seus edifícios. Enquanto funcionário da Câmara Municipal de Matosinhos, este município foi uma escolha natural como referência, na análise da relação existente entre a administração local e a gestão da energia. Para ajudar à análise foi efectuado um benchmarketing a cinco edifícios municipais: Edifício dos Paços do Concelho, Biblioteca Municipal Florbela Espanca, Palacete Visconde Trevões, ex-Edifício dos SMAS e Edifício do ex-Tribunal, visando potenciar a correcta gestão de energia destes edifícios por parte das entidades que os gerem, perante novas oportunidades de melhoria e soluções encontradas. Como contributo às metas impostas pela Directiva 2009/28/CE para 2020, a qual prevê uma redução de 20% no consumo final de energia através da eficiência energética, a incorporação de 20% de energia renovável no consumo energético global e a consequente redução em 20% da emissão de GEE, é apresentado um estudo ao nível de um parque fotovoltaico com a componente técnica e económica.

Glucose-6-phosphate dehydrogenase and glutathione reductase activity in methemoglobin reduction by methylene blue and cyst amine: study on glucose-6-phosphate dehydrogenase-deficient individuals, on normal subjects and on riboflavin-treated subjects

The authors have standardized methods for evaluation of the activity of the glucose-6-phosphate dehydrogenase and of glutathione reductase. The general principle of the first method was based on methemoglobin formation by sodium nitrite followed by stimulation of the glucose-6-phosphate dehydrogenase with methylene blue. Forty six adults (23 males and 23 females) were studied. Subjects were not G6PD deficient and were aged 20 to 30 years. The results showed that methemoglobin reduction by methylene blue was 154.40 and 139.90 mg/min (p<0.05) for males and females, respectively, in whole blood, and 221.10 and 207.85 mg/min (n.s.), respectively, in washed red cells. These data showed that using washed red cells and 0.7g% sodium nitrite concentration produced no differences between sexes and also shortened reading time for the residual amount of methemoglobin to 90 minutes. Glutathione reductase activity was evaluated on the basis of the fact that cystamine (a thiol agent) binds to the SH groups of hemoglobin, forming complexes. These complexes are reversed by the action of glutathione reductase, with methemoglobin reduction occurring simultaneously with this reaction. Thirty two adults (16 males and 16 females) were studied. Subjects were not G6PD deficient and were aged 20 to 30 years. Methemoglobin reduction by cystamine was 81.27 and 91.13 mg/min (p<0.01) for males and females, respectively. These data showed that using washed red cells and 0.1 M cystamine concentration permits a reading of the residual amount of methemoglobin at 180 minutes of incubation. Glutathione reductase activity was evaluated by methemoglobin reduction by cystamine in 14 females before and after treatment with 10 mg riboflavin per day for 8 days. The results were 73.69 and 94.26 jug/min (p<0.01) before and after treatment, showing that riboflavin treatment increase glutathione reductase activity even in normal individuals. Three Black G6PD-deficient individuals (2 males and 1 female) were also studied. The G6PD and glutathione reductase were partially activated, the change being more intense in males. On the basis of race and of the laboratory characteristics observed, it is possible to suggest that the G6PD deficiency of these individuals is of the African type and that the female is heterozygous for this deficiency. Analysis of the results as a whole permitted us to conclude that the methods proposed here were efficient for evaluating the activity of the glucose-6-phosphate dehydrogenase and of glutathione reductase. The latter is dependent on the pentose pathway, which generates NADPH, and on riboflavin, a FAD precursor vitamin.

Materials selection for a set of multiple parts considering manufacturing costs and weight reduction with structural isoperformance using direct multisearch optimization

Materials selection is a matter of great importance to engineering design and software tools are valuable to inform decisions in the early stages of product development. However, when a set of alternative materials is available for the different parts a product is made of, the question of what optimal material mix to choose for a group of parts is not trivial. The engineer/designer therefore goes about this in a part-by-part procedure. Optimizing each part per se can lead to a global sub-optimal solution from the product point of view. An optimization procedure to deal with products with multiple parts, each with discrete design variables, and able to determine the optimal solution assuming different objectives is therefore needed. To solve this multiobjective optimization problem, a new routine based on Direct MultiSearch (DMS) algorithm is created. Results from the Pareto front can help the designer to align his/hers materials selection for a complete set of materials with product attribute objectives, depending on the relative importance of each objective.

Immune reconstitution after autologous hematopoietic stem cell transplantation

Abstract The investigation of the web of relationships between the different elements of the immune system has proven instrumental to better understand this complex biological system. This is particularly true in the case of the interactions between B and T lymphocytes, both during cellular development and at the stage of cellular effectors functions. The understanding of the B–T cells interdependency and the possibility to manipulate this relationship may be directly applicable to situations where immunity is deficient, as is the case of cancer or immune suppression after radio and chemotherapy. The work presented here started with the development of a novel and accurate tool to directly assess the diversity of the cellular repertoire (Chapter III). Contractions of T cell receptor diversity have been related with a deficient immune status. This method uses gene chips platforms where nucleic acids coding for lymphocyte receptors are hybridized and is based on the fact that the frequency of hybridization of nucleic acids to the oligonucleotides on a gene chip varies in direct proportion to diversity. Subsequently, and using this new method and other techniques of cell quantification I examined, in an animal model, the role that polyclonal B cells and immunoglobulin exert upon T cell development in the thymus, specifically on the acquisition of a broader repertoire diversity by the T cell receptors (Chapter IV and V). The hypothesis tested was if the presence of more diverse peptides in the thymus, namely polyclonal immunoglobulin, would induce the generation of more diverse T cells precursors. The results obtained demonstrated that the diversity of the T cell compartment is increased by the presence of polyclonal immunoglobulin. Polyclonal immunoglobulin, and particularly the Fab fragments of the molecule, represent the most diverse self-molecules in the body and its peptides are presented by antigen presenting cells to precursor T cells in the thymus during its development. This probably contributes significantly to the generation of receptor diversity. Furthermore, we also demonstrated that a more diverse repertoire of T lymphocytes is associated with a more effective and robust T cell immune function in vivo, as mice with a more diverse T cell receptors reject minor histocompatiblility discordant skin grafts faster than mice with a shrunken T cell receptor repertoire (Chapter V). We believe that a broader T cell receptor diversity allows a more efficient recognition and rejection of a higher range of external and internal aggressions. In this work it is demonstrated that a reduction of TCR diversity by thymectomy in wild type mice significantly increased survival of H-Y incompatible skin grafts, indicating decrease on T cell function. In addiction reconstitution of T-cell diversity in mice with a decreased T cell repertoire diversity with immunoglobulin Fab fragments, lead to a increase on TCR diversity and to a significantly decreased survival of the skin grafts (Chapter V). These results strongly suggest that increases on T cell repertoire diversity contribute to improvement of T cell function. Our results may have important implications on therapy and immune reconstitution in the context of AIDS, cancer, autoimmunity and post myeloablative treatments. Based on the previous results, we tested the clinical hypothesis that patients with haematological malignancies subjected to stem cell transplantation who recovered a robust immune system would have a better survival compared to patients who did not recover such a robust immune system. This study was undertaken by the examination of the progression and overall survival of 42 patients with mantle cell non-Hodgkin lymphoma receiving autologous hematopoietic stem cell transplantation (Chapter VI). The results obtained show that patients who recovered higher numbers of lymphocytes soon after autologous transplantation had a statistically significantly longer progression free and overall survivals. These results demonstrate the positive impact that a more robust immune system reconstitution after stem cell transplantation may have upon the survival of patients with haematological malignancies. In a similar clinical research framework, this dissertation also includes the study of the impact of recovering normal serum levels of polyclonal immunoglobulin on the survival of patients with another B cell haematological malignancy, multiple myeloma, after autologous stem cell transplantation (Chapter VII). The relapse free survival of the 110 patients with multiple myeloma analysed was associated with their ability to recover normal serum levels of the polyclonal compartment of immunoglobulin. These results suggest again the important effect of polyclonal immunoglobulin for the (re)generation of the immune competence. We also studied the impact of a robust immunity for the response to treatment with the antibody anti CD20, rituximab, in patients with non- Hodgkin’s lymphoma (NHL) (Chapter VIII). Patients with higher absolute counts of CD4+ T lymphocytes respond better (in terms of longer progression free survival) to rituximab compared to patients with lower number of CD4+ T lymphocytes. These observations highlight again the fact that a competent immune system is required for the clinical benefit of rituximab therapy in NHL patients. In conclusion, the work presented in this dissertation demonstrates, for the first time, that diverse B cells and polyclonal immunoglobulin promote T cell diversification in the thymus and improve T lymphocyte function. Also, it shows that in the setting of immune reconstitution, as after autologous stem cell transplantation for mantle cell lymphoma and in the setting of immune therapy for NHL, the absolute lymphocyte counts are an independent factor predicting progression free and overall survival. These results can have an important application in the clinical practice since the majority of the current treatments for cancer are immunosuppressive and implicate a subsequent immune recovery. Also, the effects of a number of antineoplastic treatments, including biological agents, depend on the immune system activity. In this way, studies similar to the ones presented here, where methods to improve the immune reconstitution are examined, may prove to be instrumental for a better understanding of the immune system and to guide more efficient treatment options and the design of future clinical trials. Resumo O estudo da rede de inter-relações entre os diversos elementos do sistema immune tem-se mostrado um instrumento essencial para uma melhor compreensão deste complexo sistema biológico. Tal é particularmente verdade no caso das interacções entre os linfócitos B e T, quer durante o desenvolvimento celular, quer ao nível das funções celulares efectoras. A compreensão da interdependência entre linfócitos B e T e a possibilidade de manipular esta relação pode ser directamente aplicável a situações em que a imunidade está deficiente, como é o caso das doenças neoplásicas ou da imunossupressão após radio ou quimioterapia. O trabalho apresentado nesta dissertação iniciou-se com o desenvolvimento de um novo método laboratorial para medir directamente a diversidade do reportório celular (Capítulo III). Reduções da diversidade do reportório dos receptores de células T têm sido relacionadas com um estado de imunodeficiência. O método desenvolvido utiliza “gene chips”, aos quais hibridizam os ácidos nucleicos codificantes das cadeias proteicas dos receptores linfocitários. A diversidade é calculada com base na frequência de hibridização do ácido nucleico da amostra aos oligonucleótidos presentes no “gene chip”. De seguida, e utilizando este novo método e outras técnicas de quantificação celular examinei, num modelo animal, o papel que as células policlonais B e a imunoglobulina exercem sobre o desenvolvimento linfocitário T no timo, especificamente na aquisição de um reportório diverso de receptores T (Capítulos IV e V). Testei, então, a hipótese de que a presença no timo de péptidos mais diversos, como a imunoglobulna policlonal, induzisse a génese de precursores T mais diversos. Demonstrámos que a diversidade do compartimento T é aumentado pela presença de imunoglobulina policlonal. A imunoglobulina policlonal, e particularmente os fragmentos Fab desta molécula, representam as moléculas autólogas mais diversas presentes nos organismos vertebrados. Estes péptidos são apresentados por células apresentadoras de antigénio às células precursoras T no timo, durante o desenvolvimento celular T. Tal, provavelmente, contribui para a génese da diversidade dos receptores. Também demonstrámos que a presença de um reportório mais diverso de linfócitos T se associa a um incremento da função imunológica T in vivo. Uma diversidade de receptores T mais extensa parece permitir um reconhecimento e rejeição mais eficientes de um maior número de agressores internos e externos. Demonstrámos que ratinhos com receptores de células T (RCT) com maior diversidade rejeitam transplantes cutâneos discordantes para antigénios minor de histocompatibilidade mais rapidamente do que ratinhos com um menor reportório T (Capítulo V). Por outro lado, uma redução da diversidade do RCT, causada por timectomia de ratinhos de estirpes selvagens, mostrou aumentar significativamente a sobrevivência de transplantes cutâneos incompatíveis para o antigénio H-Y (antigénio minor de histocompatibilidade), indicando uma diminuição da função linfocitária T. Além disso, a reconstituição da diversidade dos linfócitos T em ratinhos com uma diversidade de reportório T diminuída, induzida pela administração de fragmentos Fab de imunoglobulina, conduz a um aumento da diversidade dos RCT e a uma diminuição significativa da sobrevivência dos enxertos cutâneos (Capítulo V). Estes resultados sugerem que o aumento do reportório de células T contribui para uma melhoria das funções celulares T e poderão ter implicações importantes na terapêutica e reconstitutição imunológica em contexto de SIDA, neoplasias, autoimunidade e após tratamentos mieloablativos. Baseado nos resultados anteriores, decidimos testar a hipótese clínica de que doentes com neoplasias hematológicas sujeitos a transplantação de precursores hematopoiéticos e com recuperação imunológica precoce após transplante teriam uma sobrevivência mais longa do que doentes que não recuperassem tão bem a sua imunidade. Analisámos a sobrevivência global e sobrevivência sem doença de 42 doentes com linfoma não Hodgkin de células do manto sujeitos a transplante autólogo de precursores hematopoiéticos (Capítulo VI). Os resultados obtidos mostraram que os doentes que recuperaram contagens mais elevadas de linfócitos imediatamente após o transplante autólogo, apresentaram uma sobrevivência global e sem progressão mais longa do que doentes que não recuperaram contagens linfocitárias tão precocemente. Estes resultados demonstram o efeito positivo de uma reconstitutição imunológica robusta após transplante de presursores hematopoiéticos, sobre a sobrevivência de doentes com neoplasias hematológicas. Do mesmo modo, estudámos o efeito que a recuperação de níveis séricos normais de imunoglobulina policlonal tem na sobrevivência de doentes com outras neoplasias hematológicas de linfócitos B, como o mieloma múltiplo,após transplante autólogo de precursos hematopoiéticos (Capítulo VII). A sobrevivência livre de doença dos 110 doentes com mieloma múltiplo analizados está associada com a sua capacidade de recuperar níveis séricos normais do compartmento policlonal de imunoglobulina. Estes resultados pioneiros indicam a importância da imunoglobulina policlonal para a génese de competência imunológica. Também estudámos o impacto de um sistema imunitário eficiente sobre a resposta ao tratamento com o anticorpo anti CD20, ituximab, em doentes com linfoma não Hodgkin (LNH) (Capítulo VIII). Os resultados mostram que doentes com valores mais elevados de linfócitos T CD4+ respondem melhor (em termos de maior sobrevida livre de doença) ao rituximab, do que doentes com valores mais baixos. Estas observações ilustram a necessidade de um sistema imunitário competente para o benefício clínico da terapêutica com rituximab em doentes com LNH. Em conclusão, o trabalho apresentado nesta dissertação demonstra que as células B e a imunoglobulina policlonal promovem a diversidade das células T no timo e melhoram a função linfocitária T periférica. Concomitantemente, também demonstrámos que, no contexto de reconstituição imune, por exemplo, após transplante autólogo de precursores hematopoiéticos em doentes com linfomas de células do manto, o número absoluto de linfócitos é uma factor independente da sobrevivência. Os resultados demonstram, também, a importância dos valores de linfocitos T na resposta ao tratamento com rituximab no caso de doentes com LNH. O mesmo princípio se prova pelo facto de que doentes com mieloma múltiplo sujeitos a transplante autólogo de precursores hematopoiéticos que recuperam valores normais séricos de imunoglobulinas policlonais, terem melhores taxas de resposta em comparação com doentes que não recuperam valores normais de imunoglobulinas policlonais. Estes resultados podem ter importantes aplicações na prática clínica dado que a maioria dos tratamentos de doenças neoplásicas implica imunossupressão e, subsequente, recuperação imunológica. Estes estudos podem ser um instrumento fundamental para uma melhor compreensão do sistema imune e guiar uma escolha mais eficiente de opções terapêuticas bem como contribuir para a concepção de futuros estudos clínicos.

System-on-chip field-programmable gate array design for onboard real-time hyperspectral unmixing

Hyperspectral instruments have been incorporated in satellite missions, providing large amounts of data of high spectral resolution of the Earth surface. This data can be used in remote sensing applications that often require a real-time or near-real-time response. To avoid delays between hyperspectral image acquisition and its interpretation, the last usually done on a ground station, onboard systems have emerged to process data, reducing the volume of information to transfer from the satellite to the ground station. For this purpose, compact reconfigurable hardware modules, such as field-programmable gate arrays (FPGAs), are widely used. This paper proposes an FPGA-based architecture for hyperspectral unmixing. This method based on the vertex component analysis (VCA) and it works without a dimensionality reduction preprocessing step. The architecture has been designed for a low-cost Xilinx Zynq board with a Zynq-7020 system-on-chip FPGA-based on the Artix-7 FPGA programmable logic and tested using real hyperspectral data. Experimental results indicate that the proposed implementation can achieve real-time processing, while maintaining the methods accuracy, which indicate the potential of the proposed platform to implement high-performance, low-cost embedded systems, opening perspectives for onboard hyperspectral image processing.