Assessing dystrophies and other muscle diseases at the nanometer scale by atomic force microscopy.

AIM: Atomic force microscopy nanoindentation of myofibers was used to assess and quantitatively diagnose muscular dystrophies from human patients. MATERIALS & METHODS: Myofibers were probed from fresh or frozen muscle biopsies from human dystrophic patients and healthy volunteers, as well as mice models, and Young's modulus stiffness values were determined. RESULTS: Fibers displaying abnormally low mechanical stability were detected in biopsies from patients affected by 11 distinct muscle diseases, and Young's modulus values were commensurate to the severity of the disease. Abnormal myofiber resistance was also observed from consulting patients whose muscle condition could not be detected or unambiguously diagnosed otherwise. DISCUSSION & CONCLUSION: This study provides a proof-of-concept that atomic force microscopy yields a quantitative read-out of human muscle function from clinical biopsies, and that it may thereby complement current muscular dystrophy diagnosis.

Therapeutisches Drug-Monitoring in der Psychiatrie : Kurze Zusammenfassung des neuen Konsensuspapiers der Arbeitsgruppe TDM der AGNP [Therapeutic drug monitoring in psychiatry : A brief summary of the new consensus paper by the task force on TDM of the AGNP].

In October 2011 the Task Force Therapeutic Drug Monitoring of the Association for Neuropsychopharmacology and Pharmacopsychiatry (AGNP) published an update (Pharmacopsychiatry 2011, 44: 195-235) of the first version of the consensus paper on therapeutic drug monitoring (TDM) published in 2004. This article summarizes the essential statements to make them accessible to a wider readership in German speaking countries.

The Effect of Adding CO2 to Hypoxic Inspired Gas on Cerebral Blood Flow Velocity and Breathing during Incremental Exercise

Hypoxia increases the ventilatory response to exercise, which leads to hyperventilation-induced hypocapnia and subsequent reduction in cerebral blood flow (CBF). We studied the effects of adding CO2 to a hypoxic inspired gas on CBF during heavy exercise in an altitude naïve population. We hypothesized that augmented inspired CO2 and hypoxia would exert synergistic effects on increasing CBF during exercise, which would improve exercise capacity compared to hypocapnic hypoxia. We also examined the responsiveness of CO2 and O2 chemoreception on the regulation ventilation (E) during incremental exercise. We measured middle cerebral artery velocity (MCAv; index of CBF), E, end-tidal PCO2, respiratory compensation threshold (RC) and ventilatory response to exercise (E slope) in ten healthy men during incremental cycling to exhaustion in normoxia and hypoxia (FIO2 = 0.10) with and without augmenting the fraction of inspired CO2 (FICO2). During exercise in normoxia, augmenting FICO2 elevated MCAv throughout exercise and lowered both RC onset andE slope below RC (P<0.05). In hypoxia, MCAv and E slope below RC during exercise were elevated, while the onset of RC occurred at lower exercise intensity (P<0.05). Augmenting FICO2 in hypoxia increased E at RC (P<0.05) but no difference was observed in RC onset, MCAv, or E slope below RC (P>0.05). The E slope above RC was unchanged with either hypoxia or augmented FICO2 (P>0.05). We found augmenting FICO2 increased CBF during sub-maximal exercise in normoxia, but not in hypoxia, indicating that the 'normal' cerebrovascular response to hypercapnia is blunted during exercise in hypoxia, possibly due to an exhaustion of cerebral vasodilatory reserve. This finding may explain the lack of improvement of exercise capacity in hypoxia with augmented CO2. Our data further indicate that, during exercise below RC, chemoreception is responsive, while above RC the ventilatory response to CO2 is blunted.

Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.

Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Comprehensive Study of Crystal Growth from Solution

Crystal growth is an essential phase in crystallization kinetics. The rate of crystal growth provides significant information for the design and control of crystallization processes; nevertheless, obtaining accurate growth rate data is still challenging due to a number of factors that prevail in crystal growth. In industrial crystallization, crystals are generally grown from multi-componentand multi-particle solutions under complicated hydrodynamic conditions; thus, it is crucial to increase the general understanding of the growth kinetics in these systems. The aim of this work is to develop a model of the crystal growth rate from solution. An extensive literature review of crystal growth focuses on themodelling of growth kinetics and thermodynamics, and new measuring techniques that have been introduced in the field of crystallization. The growth of a singlecrystal is investigated in binary and ternary systems. The binary system consists of potassium dihydrogen phosphate (KDP, crystallizing solute) and water (solvent), and the ternary system includes KDP, water and an organic admixture. The studied admixtures, urea, ethanol and 1-propanol, are employed at relatively highconcentrations (of up to 5.0 molal). The influence of the admixtures on the solution thermodynamics is studied using the Pitzer activity coefficient model. Theprediction method of the ternary solubility in the studied systems is introduced and verified. The growth rate of the KDP (101) face in the studied systems aremeasured in the growth cell as a function of supersaturation, the admixture concentration, the solution velocity over a crystal and temperature. In addition, the surface morphology of the KDP (101) face is studied using ex situ atomic force microscopy (AFM). The crystal growth rate in the ternary systems is modelled on the basis of the two-step growth model that contains the Maxwell-Stefan (MS) equations and a surface-reaction model. This model is used together with measuredcrystal growth rate data to develop a new method for the evaluation of the model parameters. The validation of the model is justified with experiments. The crystal growth rate in an imperfectly mixed suspension crystallizer is investigatedusing computational fluid dynamics (CFD). A solid-liquid suspension flow that includes multi-sized particles is described by the multi-fluid model as well as by a standard k-epsilon turbulence model and an interface momentum transfer model. The local crystal growth rate is determined from calculated flow information in a diffusion-controlled crystal growth regime. The calculated results are evaluated experimentally.

Effect of water velocity on the uptake of polychlorinatedd biphenyls (PCBs) by silicone rubber (SR) and low-density polyethylene (LDPE) passive samplers: an assessment of the efficiency of performance reference compounds (PRCs) in river-like flow conditions

One aim of this study is to determine the impact of water velocity on the uptake of indicator polychlorinated biphenyls (iPCBs) by silicone rubber (SR) and low-density polyethylene (LDPE) passive samplers. A second aim is to assess the efficiency of performance reference compounds (PRCs) to correct for the impact of water velocity. SR and LDPE samplers were spiked with 11 or 12 PRCs and exposed for 6 weeks to four different velocities (in the range of 1.6 to 37.7 cm s−1) in river-like flow conditions using a channel system supplied with river water. A relationship between velocity and the uptakewas found for each iPCB and enables to determine expected changes in the uptake due to velocity variations. For both samplers, velocity increases from 2 to 10 cm s−1, 30 cm s−1 (interpolated data) and 100 cm s−1 (extrapolated data) lead to increases of the uptake which do not exceed a factor of 2, 3 and 4.5, respectively. Results also showed that the influence of velocity decreased with increasing the octanol-water coefficient partition (log Kow) of iPCBs when SR is used whereas the opposite effect was observed for LDPE. Time-weighted average (TWA) concentrations of iPCBs in water were calculated from iPCB uptake and PRC release. These calculations were performed using either a single PRC or all the PRCs. The efficiency of PRCs to correct the impact of velocity was assessed by comparing the TWA concentrations obtained at the four tested velocities. For SR, a good agreement was found among the four TWA concentrations with both methods (average RSD b 10%). Also for LDPE, PRCs offered a good correction of the impact of water velocity (average RSD of about 10 to 20%). These results contribute to the process of acceptance of passive sampling in routine regulatory monitoring programs.