Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

Effects of tetrodotoxin and ion replacements on the short-circuit current induced by Escherichiacoli heat stable enterotoxin across small intestine of the gerbil (Gerbillus cheesmani)

The effects of mucosally added Escherichia coli heat stable enterotoxin (STa 30 ng ml-1) on the basal short-circuit current (Isc in µA cm-2) across stripped and unstripped sheets of jejuna and ilea taken from fed, starved (4 days, water ad lib) and undernourished (50% control food intake for 21 days) gerbil (Gerbillus cheesmani) were investigated. The effect of neurotoxin tetrodotoxin (TTX 10 µM) and the effects of replacing chloride by gluconate or the effects of removing bicarbonate from bathing buffers on the maximum increase in Isc induced by STa were also investigated. The maximum increase in Isc which resulted from the addition of STa were significantly higher in jejuna and ilea taken from starved and undernourished gerbils when compared with the fed control both using stripped and unstripped sheets. In the two regions of the small intestine taken from fed and starved animals TTX reduced the maximum increase in Isc induced by STa across unstripped sheets only. Moreover in jejuna and ilea taken from undernourished gerbils TTX reduced significantly the maximum increase in Isc induced by STa across stripped and unstripped sheets. Replacing chloride by gluconate decreased the maximum increase in Isc induced by STa across jejuna and ilea taken from undernourished gerbils only. Removing bicarbonates from bathing buffer decreased the maximum increase in Isc across the jejuna and ilea taken from starved and undernourished gerbils.

Antimalarial drugs disrupt ion homeostasis in malarial parasites

Plasmodium chabaudi malaria parasite organelles are major elements for ion homeostasis and cellular signaling and also target for antimalarial drugs. By using confocal imaging of intraerythrocytic parasites we demonstrated that the dye acridine orange (AO) is accumulated into P. chabaudi subcellular compartments. The AO could be released from the parasite organelles by collapsing the pH gradient with the K+/H+ ionophore nigericin (20 µM), or by inhibiting the H+-pump with bafilomycin (4 µM). Similarly, in isolated parasites loaded with calcium indicator Fluo 3-AM, bafilomycin caused calcium mobilization of the acidic calcium pool that could also be release with nigericin. Interestingly after complete release of the acidic compartments, addition of thapsigargin at 10 µM was still effective in releasing parasite intracellular calcium stores in parasites at trophozoite stage. The addition of antimalarial drugs chloroquine and artemisinin resulted in AO release from acidic compartments and also affected maintenance of calcium in ER store by using different drug concentrations.

Genetic male infertility and mutation of CATSPER ion channels.

A clinically significant proportion of couples experience difficulty in conceiving a child. In about half of these cases male infertility is the cause and often genetic factors are involved. Despite advances in clinical diagnostics ∼50% of male infertility cases remain idiopathic. Based on this, further analysis of infertile males is required to identify new genetic factors involved in male infertility. This review focuses on cation channel of sperm (CATSPER)-related male infertility. It is based on PubMed literature searches using the keywords 'CATSPER', 'male infertility', 'male contraception', 'immunocontraception' and 'pharmacologic contraception' (publication dates from January 1979 to December 2009). Previously, contiguous gene deletions including the CATSPER2 gene implicated the sperm-specific CATSPER channel in syndromic male infertility (SMI). Recently, we identified insertion mutations of the CATSPER1 gene in families with recessively inherited nonsyndromic male infertility (NSMI). The CATSPER channel therefore represents a novel human male fertility factor. In this review we summarize the genetic and clinical data showing the role of CATSPER mutation in human forms of NSMI and SMI. In addition, we discuss clinical management and therapeutic options for these patients. Finally, we describe how the CATSPER channel could be used as a target for development of a male contraceptive.

Decentralized model reference control of flexible cable-stayed beam structures

A decentralized model reference controller is designed to reduce the magnitude of the transversal vibration of a flexible cable-stayed beam structure induced by a seismic excitation. The controller design is made based on the principle of sliding mode such that a priori knowledge

The neuroretina is a novel mineralocorticoid target: aldosterone up-regulates ion and water channels in Müller glial cells.

Glucocorticoids reduce diabetic macular edema, but the mechanisms underlying glucocorticoid effects are imperfectly elucidated. Glucocorticoids may bind to glucocorticoid (GR) and mineralocorticoid (MR) receptors. We hypothesize that MR activation may influence retinal hydration. The effect of the MR agonist aldosterone (24 h) on ion/water channel expression (real-time PCR, Western blot, immunofluorescence) was investigated on cultured retinal Müller glial cells (RMGs, which contribute to fluid homeostasis in the retina), in Lewis rat retinal explants, and in retinas from aldosterone-injected eyes. We evidenced cell-specific expression of MR, GR, and 11-beta-hydroxysteroid dehydrogenase type II. Aldosterone significantly enhances expression of sodium and potassium channels ENaC-alpha (6.5-fold) and Kir4.1 (1.9-fold) through MR and GR occupancy, whereas aquaporin 4 (AQP4, 2.9-fold) up-regulation is MR-selective. Aldosterone intravitreous injection induces retinal swelling (24% increase compared to sham-injected eyes) and activation of RMGs. It promotes additional localization of Kir4.1 and AQP4 toward apical microvilli of RMGs. Our results highlight the mineralocorticoid-sensitivity of the neuroretina and show that aldosterone controls hydration of the healthy retina through regulation of ion/water channels expression in RMGs. These results provide a rationale for future investigations of abnormal MR signaling in the pathological retina.

Precursor ion scans for the targeted detection of stable-isotope-labeled peptides.

Stable isotope labels are routinely introduced into proteomes for quantification purposes. Full labeling of cells in varying biological states, followed by sample mixing, fractionation and intensive data acquisition, is used to obtain accurate large-scale quantification of total protein levels. However, biological processes often affect only a small group of proteins for a short time, resulting in changes that are difficult to detect against the total proteome background. An alternative approach could be the targeted analysis of the proteins synthesized in response to a given biological stimulus. Such proteins can be pulse-labeled with a stable isotope by metabolic incorporation of 'heavy' amino acids. In this study we investigated the specific detection and identification of labeled proteins using acquisition methods based on Precursor Ion Scans (PIS) on a triple-quadrupole ion trap mass spectrometer. PIS-based methods were set to detect unique immonium ions originating from labeled peptides. Different labels and methods were tested in standard mixtures to optimize performance. We showed that, in comparison with an untargeted analysis on the same instrument, the approach allowed a several-fold increase in the specificity of detection of labeled proteins over unlabeled ones. The technique was applied to the identification of proteins secreted by human cells into growth media containing bovine serum proteins, allowing the preferential detection of labeled cellular proteins over unlabeled bovine ones. However, compared with untargeted acquisitions on two different instruments, the PIS-based strategy showed some limitations in sensitivity. We discuss possible perspectives of the technique.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Trans-scleral local resection of toxic choroidal melanoma after proton beam radiotherapy.

AIM: To report on trans-scleral local resection of choroidal melanoma for exudative retinal detachment and neovascular glaucoma (toxic tumour syndrome) after proton beam radiotherapy (PBR). METHODS: A non-randomised, prospective study of secondary trans-scleral local resection of choroidal melanoma for exudative retinal detachment with or without neovascular glaucoma after PBR. The patients were treated at the Liverpool Ocular Oncology Centre between February 2000 and April 2008. The trans-scleral local resection was performed with a lamellar-scleral flap, using systemic hypotension to reduce haemorrhage. RESULTS: 12 patients (six women, six men) with a mean age of 51 years (range 20-75) were included in this study. The tumour margins extended anterior to ora serrata in six patients. On ultrasonography, the largest basal tumour dimension averaged 12.4 mm (range 6.8-18.1) and the tumour height averaged 7.1 mm (range 4.2-10.7). The retinal detachment was total in seven patients. Neovascular glaucoma was present in four patients. The time between PBR and local resection had a mean of 17.4 months (range 1-84). The ophthalmic follow-up time after the local resection had a mean of 46.2 months (range 14-99). At the latest known status, the eye was conserved in 10 patients, with a flat retina in all these patients and visual acuity equal or better than 6/30 in four patients. The reasons for enucleation were: patient request for enucleation when rhegmatogenous retinal detachment complicated the resection (one patient) and phthisis (one patient). CONCLUSIONS: Exudative retinal detachment, rubeosis and neovascular glaucoma after PBR of a choroidal melanoma can resolve after trans-scleral local resection of the tumour. Our findings suggest that these complications are caused by the persistence of the irradiated tumour within the eye ('toxic tumour syndrome').

Detection of possible variant forms of hemoglobin in HbA1c measurements by chromatography liquid ion exchange high resolution (HPLC)

Background: The glycosylated hemoglobin (HbA1c) is used to help monitor the degree of a diabetic’s hyperglycemia. Security and accuracy of the methods used in its detection are affected by variants forms of Hb or elevations in levels of Fetal Hb (HbF). These interference are the result of a change in the haemoglobin total net charge of the variant due of a substitution of one amino acid in the remaining amino terminal of the beta chain. International Standardization for HbA1c values (NGSP) not include interference assessment as part of the certification program. Therefore, the effect of each variant or the lifting of the HbF on HbA1c result should be examined in each sample depending on the detected variant and the method used for the detection of the same. The objectives were: to describe the possible variants of Hb and their interference in HbA1c measurement by our method, after the implementation of a computer program for their detection. To identify some variants detected by chromatography liquid ion exchange high resolution (HPLC) with DNA molecular sequencing.

Transpalpebral proton beam radiotherapy of choroidal melanoma.

BACKGROUND: Collateral damage to upper eyelid margin during proton beam radiotherapy (PBR) for choroidal melanoma may cause squamous metaplasia of the tarsal conjunctiva with keratinisation, corneal irritation, discomfort and, rarely, corneal perforation. We evaluated transpalpebral PBR as a means of avoiding collateral damage to the upper eyelid margin without increasing the risk of failure of local tumour control. METHODS: Retrospective study of consecutive patients who underwent PBR for choroidal melanoma between 1992 and 2007 at the Royal Liverpool University Hospital and the Douglas Cyclotron at Clatterbridge Cancer Centre, UK. RESULTS: Sixty-three patients were included in this study. Mean basal tumour diameter and tumour thickness were 11.8 mm and 3.6 mm, respectively. PBR mean beam range and modulation were 26.5 mm and 16.9 mm respectively. The eyelid margin was included in the radiation field in 15 (24%) eyes. The median follow-up was 2.5 years. Local tumour recurrence developed in 2 (3.2%) patients. In these two cases that developed tumour recurrence the transpalpebral treatment did not involve the eyelid margin. Six (9.5%) patients died of metastatic disease. No eyelid or ocular surface problems developed in any of the 48 patients who were treated without eyelid rim involvement, while 7 of the 15 patients with unavoidable irradiation of the eyelid rim developed some degree of madarosis. These seven patients all received more than 26.55 proton Gy to the eyelid margin. Symptoms, such as grittiness occurred in 12% of 48 patients without eyelid margin irradiation as compared with 53% of 15 patients whose lid margin was irradiated. CONCLUSIONS: Transpalpebral PBR of choroidal melanoma avoids eyelid and ocular surface complications without increasing failure of local tumour control.

Metallic and nonmetallic shine in luster: An elastic ion backscattering study

Luster is a metal glass nanocomposite layer first produced in the Middle East in early Islamic times ( 9th AD) made of metal copper or silver nanoparticles embedded in a silica-based glassy matrix. These nanoparticles are produced by ion exchange between Cu+ and Ag+ and alkaline ions from the glassy matrix and further growth in a reducing atmosphere. The most striking property of luster is its capability of reflecting light like a continuous metal layer and it was unexpectedly found to be linked to one single production parameter: the presence of lead in the glassy matrix composition. The purpose of this article is to describe the characteristics and differences of the nanoparticle layers developed on lead rich and lead free glasses. Copper luster layers obtained using the ancient recipes and methods are analyzed by means of elastic ion backscattering spectroscopy associated with other analytical techniques. The depth profile of the different elements is determined, showing that the luster layer formed in lead rich glasses is 5–6 times thinner and 3–4 times Cu richer. Therefore, the metal nanoparticles are more densely packed in the layer and this fact is related to its higher reflectivity. It is shown that lead influences the structure of the metal nanoparticle layer through the change of the precipitation kinetics

Dose reconstruction in the context of tomotherapy

In vivo dosimetry is a way to verify the radiation dose delivered to the patient in measuring the dose generally during the first fraction of the treatment. It is the only dose delivery control based on a measurement performed during the treatment. In today's radiotherapy practice, the dose delivered to the patient is planned using 3D dose calculation algorithms and volumetric images representing the patient. Due to the high accuracy and precision necessary in radiation treatments, national and international organisations like ICRU and AAPM recommend the use of in vivo dosimetry. It is also mandatory in some countries like France. Various in vivo dosimetry methods have been developed during the past years. These methods are point-, line-, plane- or 3D dose controls. A 3D in vivo dosimetry provides the most information about the dose delivered to the patient, with respect to ID and 2D methods. However, to our knowledge, it is generally not routinely applied to patient treatments yet. The aim of this PhD thesis was to determine whether it is possible to reconstruct the 3D delivered dose using transmitted beam measurements in the context of narrow beams. An iterative dose reconstruction method has been described and implemented. The iterative algorithm includes a simple 3D dose calculation algorithm based on the convolution/superposition principle. The methodology was applied to narrow beams produced by a conventional 6 MV linac. The transmitted dose was measured using an array of ion chambers, as to simulate the linear nature of a tomotherapy detector. We showed that the iterative algorithm converges quickly and reconstructs the dose within a good agreement (at least 3% / 3 mm locally), which is inside the 5% recommended by the ICRU. Moreover it was demonstrated on phantom measurements that the proposed method allows us detecting some set-up errors and interfraction geometry modifications. We also have discussed the limitations of the 3D dose reconstruction for dose delivery error detection. Afterwards, stability tests of the tomotherapy MVCT built-in onboard detector was performed in order to evaluate if such a detector is suitable for 3D in-vivo dosimetry. The detector showed stability on short and long terms comparable to other imaging devices as the EPIDs, also used for in vivo dosimetry. Subsequently, a methodology for the dose reconstruction using the tomotherapy MVCT detector is proposed in the context of static irradiations. This manuscript is composed of two articles and a script providing further information related to this work. In the latter, the first chapter introduces the state-of-the-art of in vivo dosimetry and adaptive radiotherapy, and explains why we are interested in performing 3D dose reconstructions. In chapter 2 a dose calculation algorithm implemented for this work is reviewed with a detailed description of the physical parameters needed for calculating 3D absorbed dose distributions. The tomotherapy MVCT detector used for transit measurements and its characteristics are described in chapter 3. Chapter 4 contains a first article entitled '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', which describes the dose reconstruction method and presents tests of the methodology on phantoms irradiated with 6 MV narrow photon beams. Chapter 5 contains a second article 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations. A dose reconstruction process specific to the use of the tomotherapy MVCT detector is presented in chapter 6. A discussion and perspectives of the PhD thesis are presented in chapter 7, followed by a conclusion in chapter 8. The tomotherapy treatment device is described in appendix 1 and an overview of 3D conformai- and intensity modulated radiotherapy is presented in appendix 2. - La dosimétrie in vivo est une technique utilisée pour vérifier la dose délivrée au patient en faisant une mesure, généralement pendant la première séance du traitement. Il s'agit de la seule technique de contrôle de la dose délivrée basée sur une mesure réalisée durant l'irradiation du patient. La dose au patient est calculée au moyen d'algorithmes 3D utilisant des images volumétriques du patient. En raison de la haute précision nécessaire lors des traitements de radiothérapie, des organismes nationaux et internationaux tels que l'ICRU et l'AAPM recommandent l'utilisation de la dosimétrie in vivo, qui est devenue obligatoire dans certains pays dont la France. Diverses méthodes de dosimétrie in vivo existent. Elles peuvent être classées en dosimétrie ponctuelle, planaire ou tridimensionnelle. La dosimétrie 3D est celle qui fournit le plus d'information sur la dose délivrée. Cependant, à notre connaissance, elle n'est généralement pas appliquée dans la routine clinique. Le but de cette recherche était de déterminer s'il est possible de reconstruire la dose 3D délivrée en se basant sur des mesures de la dose transmise, dans le contexte des faisceaux étroits. Une méthode itérative de reconstruction de la dose a été décrite et implémentée. L'algorithme itératif contient un algorithme simple basé sur le principe de convolution/superposition pour le calcul de la dose. La dose transmise a été mesurée à l'aide d'une série de chambres à ionisations alignées afin de simuler la nature linéaire du détecteur de la tomothérapie. Nous avons montré que l'algorithme itératif converge rapidement et qu'il permet de reconstruire la dose délivrée avec une bonne précision (au moins 3 % localement / 3 mm). De plus, nous avons démontré que cette méthode permet de détecter certaines erreurs de positionnement du patient, ainsi que des modifications géométriques qui peuvent subvenir entre les séances de traitement. Nous avons discuté les limites de cette méthode pour la détection de certaines erreurs d'irradiation. Par la suite, des tests de stabilité du détecteur MVCT intégré à la tomothérapie ont été effectués, dans le but de déterminer si ce dernier peut être utilisé pour la dosimétrie in vivo. Ce détecteur a démontré une stabilité à court et à long terme comparable à d'autres détecteurs tels que les EPIDs également utilisés pour l'imagerie et la dosimétrie in vivo. Pour finir, une adaptation de la méthode de reconstruction de la dose a été proposée afin de pouvoir l'implémenter sur une installation de tomothérapie. Ce manuscrit est composé de deux articles et d'un script contenant des informations supplémentaires sur ce travail. Dans ce dernier, le premier chapitre introduit l'état de l'art de la dosimétrie in vivo et de la radiothérapie adaptative, et explique pourquoi nous nous intéressons à la reconstruction 3D de la dose délivrée. Dans le chapitre 2, l'algorithme 3D de calcul de dose implémenté pour ce travail est décrit, ainsi que les paramètres physiques principaux nécessaires pour le calcul de dose. Les caractéristiques du détecteur MVCT de la tomothérapie utilisé pour les mesures de transit sont décrites dans le chapitre 3. Le chapitre 4 contient un premier article intitulé '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', qui décrit la méthode de reconstruction et présente des tests de la méthodologie sur des fantômes irradiés avec des faisceaux étroits. Le chapitre 5 contient un second article intitulé 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations'. Un procédé de reconstruction de la dose spécifique pour l'utilisation du détecteur MVCT de la tomothérapie est présenté au chapitre 6. Une discussion et les perspectives de la thèse de doctorat sont présentées au chapitre 7, suivies par une conclusion au chapitre 8. Le concept de la tomothérapie est exposé dans l'annexe 1. Pour finir, la radiothérapie «informationnelle 3D et la radiothérapie par modulation d'intensité sont présentées dans l'annexe 2.