Multimodal non-rigid image registration methods for therapy and surgery planning

La planificación pre-operatoria se ha convertido en una tarea esencial en cirugías y terapias de marcada complejidad, especialmente aquellas relacionadas con órgano blando. Un ejemplo donde la planificación preoperatoria tiene gran interés es la cirugía hepática. Dicha planificación comprende la detección e identificación precisa de las lesiones individuales y vasos así como la correcta segmentación y estimación volumétrica del hígado funcional. Este proceso es muy importante porque determina tanto si el paciente es un candidato adecuado para terapia quirúrgica como la definición del abordaje a seguir en el procedimiento. La radioterapia de órgano blando es un segundo ejemplo donde la planificación se requiere tanto para la radioterapia externa convencional como para la radioterapia intraoperatoria. La planificación comprende la segmentación de tumor y órganos vulnerables y la estimación de la dosimetría. La segmentación de hígado funcional y la estimación volumétrica para planificación de la cirugía se estiman habitualmente a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC). De igual modo, en la planificación de radioterapia, los objetivos de la radiación se delinean normalmente sobre TC. Sin embargo, los avances en las tecnologías de imagen de resonancia magnética (RM) están ofreciendo progresivamente ventajas adicionales. Por ejemplo, se ha visto que el ratio de detección de metástasis hepáticas es significativamente superior en RM con contraste Gd–EOB–DTPA que en TC. Por tanto, recientes estudios han destacado la importancia de combinar la información de TC y RM para conseguir el mayor nivel posible de precisión en radioterapia y para facilitar una descripción precisa de las lesiones del hígado. Con el objetivo de mejorar la planificación preoperatoria en ambos escenarios se precisa claramente de un algoritmo de registro no rígido de imagen. Sin embargo, la gran mayoría de sistemas comerciales solo proporcionan métodos de registro rígido. Las medidas de intensidad de voxel han demostrado ser criterios de similitud de imágenes robustos, y, entre ellas, la Información Mutua (IM) es siempre la primera elegida en registros multimodales. Sin embargo, uno de los principales problemas de la IM es la ausencia de información espacial y la asunción de que las relaciones estadísticas entre las imágenes son homogéneas a lo largo de su domino completo. La hipótesis de esta tesis es que la incorporación de información espacial de órganos al proceso de registro puede mejorar la robustez y calidad del mismo, beneficiándose de la disponibilidad de las segmentaciones clínicas. En este trabajo, se propone y valida un esquema de registro multimodal no rígido 3D usando una nueva métrica llamada Información Mutua Centrada en el Órgano (Organ-Focused Mutual Information metric (OF-MI)) y se compara con la formulación clásica de la Información Mutua. Esto permite mejorar los resultados del registro en áreas problemáticas incorporando información regional al criterio de similitud, beneficiándose de la disponibilidad real de segmentaciones en protocolos estándares clínicos, y permitiendo que la dependencia estadística entre las dos modalidades de imagen difiera entre órganos o regiones. El método propuesto se ha aplicado al registro de TC y RM con contraste Gd–EOB–DTPA así como al registro de imágenes de TC y MR para planificación de radioterapia intraoperatoria rectal. Adicionalmente, se ha desarrollado un algoritmo de apoyo de segmentación 3D basado en Level-Sets para la incorporación de la información de órgano en el registro. El algoritmo de segmentación se ha diseñado específicamente para la estimación volumétrica de hígado sano funcional y ha demostrado un buen funcionamiento en un conjunto de imágenes de TC abdominales. Los resultados muestran una mejora estadísticamente significativa de OF-MI comparada con la Información Mutua clásica en las medidas de calidad de los registros; tanto con datos simulados (p<0.001) como con datos reales en registro hepático de TC y RM con contraste Gd– EOB–DTPA y en registro para planificación de radioterapia rectal usando OF-MI multi-órgano (p<0.05). Adicionalmente, OF-MI presenta resultados más estables con menor dispersión que la Información Mutua y un comportamiento más robusto con respecto a cambios en la relación señal-ruido y a la variación de parámetros. La métrica OF-MI propuesta en esta tesis presenta siempre igual o mayor precisión que la clásica Información Mutua y consecuentemente puede ser una muy buena alternativa en aplicaciones donde la robustez del método y la facilidad en la elección de parámetros sean particularmente importantes. Abstract Pre-operative planning has become an essential task in complex surgeries and therapies, especially for those affecting soft tissue. One example where soft tissue preoperative planning is of high interest is liver surgery. It involves the accurate detection and identification of individual liver lesions and vessels as well as the proper functional liver segmentation and volume estimation. This process is very important because it determines whether the patient is a suitable candidate for surgical therapy and the type of procedure. Soft tissue radiation therapy is a second example where planning is required for both conventional external and intraoperative radiotherapy. It involves the segmentation of the tumor target and vulnerable organs and the estimation of the planned dose. Functional liver segmentations and volume estimations for surgery planning are commonly estimated from computed tomography (CT) images. Similarly, in radiation therapy planning, targets to be irradiated and healthy and vulnerable tissues to be protected from irradiation are commonly delineated on CT scans. However, developments in magnetic resonance imaging (MRI) technology are progressively offering advantages. For instance, the hepatic metastasis detection rate has been found to be significantly higher in Gd–EOB–DTPAenhanced MRI than in CT. Therefore, recent studies highlight the importance of combining the information from CT and MRI to achieve the highest level of accuracy in radiotherapy and to facilitate accurate liver lesion description. In order to improve those two soft tissue pre operative planning scenarios, an accurate nonrigid image registration algorithm is clearly required. However, the vast majority of commercial systems only provide rigid registration. Voxel intensity measures have been shown to be robust measures of image similarity, and among them, Mutual Information (MI) is always the first candidate in multimodal registrations. However, one of the main drawbacks of Mutual Information is the absence of spatial information and the assumption that statistical relationships between images are the same over the whole domain of the image. The hypothesis of the present thesis is that incorporating spatial organ information into the registration process may improve the registration robustness and quality, taking advantage of the clinical segmentations availability. In this work, a multimodal nonrigid 3D registration framework using a new Organ- Focused Mutual Information metric (OF-MI) is proposed, validated and compared to the classical formulation of the Mutual Information (MI). It allows improving registration results in problematic areas by adding regional information into the similitude criterion taking advantage of actual segmentations availability in standard clinical protocols and allowing the statistical dependence between the two modalities differ among organs or regions. The proposed method is applied to CT and T1 weighted delayed Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI registration as well as to register CT and MRI images in rectal intraoperative radiotherapy planning. Additionally, a 3D support segmentation algorithm based on Level-Sets has been developed for the incorporation of the organ information into the registration. The segmentation algorithm has been specifically designed for the healthy and functional liver volume estimation demonstrating good performance in a set of abdominal CT studies. Results show a statistical significant improvement of registration quality measures with OF-MI compared to MI with both simulated data (p<0.001) and real data in liver applications registering CT and Gd–EOB–DTPA-enhanced MRI and in registration for rectal radiotherapy planning using multi-organ OF-MI (p<0.05). Additionally, OF-MI presents more stable results with smaller dispersion than MI and a more robust behavior with respect to SNR changes and parameters variation. The proposed OF-MI always presents equal or better accuracy than the classical MI and consequently can be a very convenient alternative within applications where the robustness of the method and the facility to choose the parameters are particularly important.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Resistance to malathion and lambda-cyhalothrin in Ceratitis capitata (Wiedemann) (Diptera: Tephritidae)

La mosca mediterránea de la fruta, Ceratitis capitata (Wiedemann, 1824) (Diptera: Tephritidae), es una de las plagas de mayor incidencia económica en cítricos y otros frutales a nivel mundial. En España las medidas de control de esta plaga en cítricos, desde mediados de los 90 hasta 2009, se basaron principalmente en el monitoreo de las poblaciones y en la aplicación de tratamientos aéreos y terrestres con malatión cebo. Sin embargo, desde la retirada en la Unión Europea en 2009 de los productos fitosanitarios que contienen malatión, los insecticidas más utilizados para el control de esta plaga han sido lambda-cihalotrina y spinosad. En 2004-2005 se detectaron poblaciones españolas de C. capitata resistentes a malatión. Esta resistencia se ha asociado a una mutación (G328A) en la acetilcolinesterasa (AChE), a una duplicación del gen de la AChE (Ccace2) (una de las copias lleva la mutación G328A) y a resistencia metabólica mediada por esterasas (posiblemente aliesterasas). Sin embargo, cuando se secuenció la aliesterasa CcE7 en individuos de una línea resistente a malatión, no se encontró ninguna de las mutaciones (G137D y/o W251L/S/G) asociadas a resistencia en otras especies, si bien se encontraron otras mutaciones al compararlos con individuos de una línea susceptible. Asimismo, mediante la selección en laboratorio de una línea resistente a malatión (W-4Km) con lambda-cihalotrina, se ha podido obtener una línea resistente a lambda-cihalotrina (W-1K). Finalmente, se ha demostrado la capacidad de esta especie para desarrollar resistencia a spinosad mediante selección en laboratorio. Los múltiples mecanismos de resistencia identificados evidencian el potencial de esta especie para desarrollar resistencia a insecticidas con diferentes modos de acción. Los objetivos de esta tesis doctoral son: 1) evaluar la susceptibilidad de poblaciones españolas de campo de C. capitata a lambda-cihalotrina y dilucidar los mecanismos de resistencia en la línea W-1Kλ; 2) comparar la herencia, el coste biológico y la estabilidad de la resistencia a malatión mediada por la mutación G328A y la duplicación del gen Ccace2 (una de las copias lleva la mutación G328A); y 3) investigar el papel de las mutaciones identificadas en la aliesterasa CcαE7 en la resistencia a malatión. Estos estudios son de utilidad para el desarrollo de estrategias de manejo de la resistencia que puedan prevenir o retrasar la aparición de resistencia y aumentar la sostenibilidad de los insecticidas disponibles para el control de esta plaga. Nuestros resultados indican que las poblaciones españolas de C. capitata analizadas han desarrollado resistencia a lambda-cihalotrina. Los valores de CL50 estimados para las poblaciones recogidas en la Comunidad Valenciana, Cataluña y Andalucía oscilaron entre 129 ppm y 287 ppm, igualando o sobrepasando la concentración recomendada para los tratamientos de campo (125 ppm). Estos resultados contrastan con los obtenidos con tres poblaciones de campo recogidas en Túnez, cuya susceptibilidad fue similar a la de la línea control (C). La línea resistente a lambda-cihalotrina W-1K se continuó seleccionando en el laboratorio alcanzándose unos niveles de resistencia de 205 veces con respecto a la línea C, siendo su CL50 (4224 ppm) más de 30 veces superior a la concentración recomendada para los tratamientos de campo. Esta línea resistente mostró altos niveles de resistencia cruzada a deltametrina (150 veces) y a etofenprox (240 veces), lo que sugiere que el desarrollo de resistencia a lambda-cihalotrina podría comprometer la eficacia de otros piretroides para el control de esta plaga. Hemos demostrado que la resistencia de la línea W-1K a lambda-cihalotrina fue casi completamente suprimida por el sinergista PBO, lo que indica que las enzimas P450 desempeñan un papel muy importante en la resistencia a este insecticida. Sin embargo, tanto las moscas de la línea susceptible C como las de la línea resistente W-1K perdieron inmediatamente la capacidad de caminar (efecto “knock-down”) al ser tratadas tópicamente con lambda-cihalotrina, lo que sugiere que la resistencia no está mediada por alteraciones en la molécula diana (resistencia tipo “kdr”). La resistencia metabólica mediada por P450 fue analizada comparando la expresión de 53 genes CYP (codifican enzimas P450) de las familias CYP4, CYP6, CYP9 y CYP12 en adultos de la línea resistente W-1K y de la línea susceptible C. Nuestros resultados muestran que el gen CYP6A51 (número de acceso GenBank XM_004534804) fue sobreexpresado (13-18 veces) en la línea W-1K. Por otra parte, la expresión del gen CYP6A51 fue inducida tanto en adultos de la línea W-1K como de la línea C al ser tratados con lambda-cihalotrina. Sin embargo, no se obtuvieron diferencias significativas entre la línea susceptible C y la línea resistente W-1K al comparar la cantidad de P450 y la actividad NADPH-citocromo c reductasa presente en fracciones microsomales obtenidas a partir de abdómenes. Asimismo, no hemos podido correlacionar el metabolismo de deltametrina, estimado in vitro mediante la incubación de este insecticida con fracciones microsomales, con el nivel de resistencia a este piretroide observado en los bioensayos con la línea W-1K. Por otro lado, no se encontró ninguna alteración en la región promotora 5'UTR del gen CYP6A51 (-500 pb desde el inicio de la traducción) que pudiera explicar su sobreexpresión en la línea W-1K. Los datos obtenidos sugieren que la resistencia a lambda-cihalotrina en la línea W-1K está mediada por P450 y que la sobreexpresión de CYP6A51 puede desempeñar un papel importante, aunque se necesitan más evidencias para establecer una asociación directa de la resistencia con este gen. Hemos estudiado la herencia, el coste biológico y la estabilidad de la resistencia a malatión mediada por la mutación G328A y la duplicación del gen Ccace2 (una de las copias lleva la mutación G328A). La línea susceptible C, donde no se encuentra la mutación G328A (genotipo S/S), se cruzó con dos isolíneas establecidas para representar genotipos únicos correspondientes a los dos mecanismos de resistencia asociados a la molécula diana: 1) la isolínea 267Y (genotipo R/R) establecida a partir de una pareja que portaba la mutación G328A en homocigosis; 2) la isolínea 306TY (genotipo RS/RS) establecida a partir de una pareja que portaba en homocigosis la duplicación del gen Ccace2. No se realizaron cruces recíprocos, ya que mediante experimentos de hibridación in situ en cromosomas politénicos se pudo comprobar que el locus de la AChE y la duplicación (probablemente en tándem) se localizan en el cromosoma autosómico 2L. La susceptibilidad al malatión de los parentales resistentes (R/R o RS/RS) y susceptibles (S/S), los cruces F1 (S/R, S/RS y R/RS) y los retrocruzamientos indican que la resistencia a malatión es semi-dominante en ambos casos. Sin embargo, nuestros resultados no fueron concluyentes con respecto a la naturaleza monogénica de la resistencia a malatión en estas isolíneas. Por lo tanto, no podemos descartar que otros genes que contribuyan a la resistencia, además de la mutación G328A (isolínea 267Y) y de la duplicación del gen Ccace2 (isolínea 306TY), puedan haber sido seleccionados durante el proceso de selección de 267Y y 306TY. Varios parámetros biológicos fueron evaluados para determinar si estos dos mecanismos de resistencia a malatión suponen un coste biológico para los genotipos resistentes. Individuos con genotipo R/R mostraron un retraso en el tiempo de desarrollo de huevo a pupa, un peso de pupa reducido y una menor longevidad de los adultos, en comparación con los individuos con genotipo S/S. Sin embargo, el peso de pupa de los individuos con genotipo RS/RS fue similar al de los individuos S/S, y su desarrollo de huevo a pupa intermedio entre S/S y R/R. Estas diferencias en el coste biológico pueden estar relacionadas con la reducción de la eficiencia catalítica de la AChE mutada en los individuos R/R, y al efecto compensatorio que la copia no mutada del gen tiene en los individuos RS/RS que portan la duplicación. La estabilidad de la resistencia a malatión mediada por la mutación G328A y la duplicación se analizó mediante el seguimiento de los caracteres de resistencia en la progenie de retrocruzamientos S/R x R/R y S/RS x RS/RS a lo largo de varias generaciones en ausencia de presión de selección con insecticidas. Nuestros resultados muestran que la frecuencia del alelo que porta la mutación G328A disminuyó desde 67,5% en la primera generación del retrocruzamiento S/R x R/R (75% esperado, asumiendo segregación mendeliana y que sólo hay dos alelos: uno mutado y otro no mutado) a 12% después de 10 generaciones. Por el contrario, la frecuencia de la duplicación sólo disminuyó desde 75% en en la primera generación del retrocruzamiento S/RS x RS/RS (75% esperado, asumiendo segregación Mendeliana y que la duplicación segrega como un único alelo) a 50% en el mismo período, lo que indica que la duplicación es más estable que la mutación. Asimismo, se analizó la presencia de la mutación y de la duplicación en poblaciones de campo recogidas en seis localidades en 2004-2007, cuando todavía se usaba el malatión, y se comparó con poblaciones recogidas en los mismos campos en 2010, un año después de la prohibición del malatión en la Unión Europea. La frecuencia media del genotipo susceptible (S/S) aumentó del 55,9% en el período 2004-2007 a 70,8% en 2010, mientras que la frecuencia de los genotipos portadores de la mutación en homocigosis o heterocigosis (R/R y S/R) disminuyó del 30,4 al 9,2%, los que llevan la duplicación en homocigosis o heterocigosis (RS/RS y S/RS) aumentaron levemente desde 12,8 hasta 13,3%, y los que llevan a la vez la mutación y la duplicación (R/RS) también aumentaron del 1 al 6,7%. Estos resultados son consistentes con que la duplicación del gen Ccace2 (con una copia con la mutación G328A y la otra copia no mutada) es más ventajosa que la mutación G328A por si sola, ya que la duplicación mantiene los niveles de resistencia a la vez que limita el coste biológico. Para investigar la asociación entre la resistencia a malatión y las mutaciones encontradas previamente en CcE7, hemos generado isolíneas con mutaciones específicas seleccionadas por su ubicación próxima a la entrada al centro activo de la enzima. La isolínea Sm2 (procedente de una hembra heterocigota para la mutación V96L y un macho homocigoto para el alelo no mutado) mantuvo altos niveles de resistencia a malatión, incluso después de 30 generaciones sin presión de selección. Por el contrario, la isolínea 267Y (compuesta por individuos homocigotos para la mutación L267Y) y la línea 306TY (compuesta por individuos homocigotos para la doble mutación R306T-N307Y) mostraron una reducción significativa en los niveles de resistencia. También hemos encontrado que la resistencia a malatión de la línea Sm2 fue parcialmente revertida por DEF y TPP, y que Sm2 mostró una reducción significativa en la actividad MTB, como se ha descrito en otras especies que muestran resistencia específica a malatión mediada por aliesterases. Además, fue posible asociar la presencia de la mutación V96L en individuos de la línea Sm2 con supervivencia a una concentración discriminante de malatión (5,000 ppm) y con una baja actividad MTB. Estos resultados sugieren una posible relación entre la mutación V96L en la aliesterasa CcE7 y la resistencia a malatión, aunque todavía no se puede concluir que la resistencia es causada por esta mutación, siendo necesarios más estudios para comprobar su contribución a la resistencia. En conclusión, se ha encontrado por primera vez resistencia a lambda-cihalotrina en poblaciones de campo de C. capitata, y nuestros resultados indican que las P450 son el principal mecanismo de resistencia en la línea W-1K. Esta situación se suma al caso previamente descrito de resistencia en campo a malatión asociada a la mutación G328A, a la duplicación del gen Ccace2 (una de las copias lleva la mutación G328A) y a resistencia metabólica mediada por esterasas. Nuestros resultados también indican que la alteración de la molécula diana AChE parece ser responsable de un cierto nivel de resistencia a malatión en C. capitata, que puede ser estimada como aproximadamente 25-40 veces para la mutación G328A y 40-60 veces para la duplicación; mientras que la resistencia mediada por esterasas y que ha sido asociada en este estudio con la mutación V96L en CcE7 puede conferir un efecto multiplicativo (por un factor de 5 a 10) aumentando la resistencia a malatión a 200-400 veces. Por otra parte, hemos demostrado que los insectos resistentes que llevan la duplicación tienen un coste biológico menor y muestran una estabilidad mayor que aquellos con la mutación G328A en ausencia de presión de selección con insecticidas. Esto representa un escenario en el que los genotipos con la duplicación permanecerán en el campo en frecuencias bajas a moderadas, pero podrían ser seleccionados rápidamente si se utilizan malatión u otros insecticidas que muestren resistencia cruzada. Estos resultados tienen importantes implicaciones para los programas de manejo de la resistencia, ya que el repertorio de insecticidas eficaces para el control de C. capitata es cada vez más limitado. Además, la coexistencia de múltiples mecanismos de resistencia en poblaciones de campo ofrece el potencial para desarrollar resistencia frente a otros insecticidas disponibles para el control de esta plaga. Estrategias para de manejo de la resistencia basadas en la alternancia de insecticidas con diferentes modos de acción, y su combinación con otros métodos de control, deben ser implementadas para evitar el desarrollo de resistencia en campo. ABSTRACT The Mediterranean fruit fly (Medfly), Ceratitis capitata (Wiedemann, 1824) (Diptera: Tephritidae), is one of the most economically damaging pests of citrus and other fruit crops worldwide. Control measures in citrus crops in Spain from the mid 90's to 2009 were mainly based on field monitoring of population levels and aerial and ground treatments with malathion bait sprays. However, since the withdrawal of phytosanitary products containing malathion in the European Union in 2009, lambda-cyhalothrin and spinosad have become the most widely used insecticides for the control of this pest. Resistance to malathion was found in Spanish field populations of C. capitata in 2004-2005. This resistance has been associated with a mutation G328A in the acetylcholinesterase (AChE), a duplication of the AChE gene (Ccace2) (one of the copies bearing the mutation G328A), and metabolic resistance mediated by esterases (probably aliesterases). However, when the gene of the aliesterase CcE7 was sequenced in individuals from a malathion resistant strain of C. capitata, none of the known G137D and/or W251L/S/G mutations associated to resistance in other species were found, though other mutations were detected when compared with individuals from a susceptible strain. Noteworthy, a lambda-cyhalothrin resistant strain (W-1K) was obtained by selecting a field-derived malathion resistant strain (W-4Km) with lambda-cyhalothrin. Moreover, it has also been demonstrated the capacity of this species to develop resistance to spinosad by laboratory selection. The multiple resistance mechanisms identified highlight the potential of this species to develop resistance to insecticides with different modes of action. The objectives of this PhD Thesis are: 1) to assess the susceptibility of Spanish field populations of C. capitata to lambda-cyhalothrin and to elucidate the resistance mechanisms in the W-1Kλ strain; 2) to compare the inheritance, fitness cost and stability of the malathion resistance mediated by the G328A mutation and the duplication of the Ccace2 gene (with one of the copies bearing the mutation G328A); and 3) to investigate the role of the aliesterase CcαE7 mutations in malathion resistance. All these studies will be of use for devising proactive resistance management strategies that could prevent or delay resistance development and would increase the sustainability of the insecticides available for Medfly control. Our results indicate that Spanish field populations of C. capitata have developed resistance to lambda-cyhalothrin. The LC50 values estimated for populations collected at Comunidad Valenciana, Cataluña and Andalucía ranged from 129 ppm to 287 ppm, equaling or overpassing the recommended concentration for field treatments (125 ppm). These results contrast with those obtained with three different Tunisian field populations, whose susceptibility was similar to that of the control (C) strain. The lambda-cyhalothrin resistant W-1K strain has been further selected to achieve a 205-fold resistance compared to the C strain, being its LC50 (4,224 ppm) more than 30 times higher than the recommended concentration for field applications. This resistant strain showed high levels of cross-resistance to deltamethrin (150-fold) and etofenprox (240-fold), suggesting that the development of resistance to lambda-cyhalothrin may compromise the effectiveness of other pyrethroids for the control of this species. We have shown that the resistance of the W-1K strain to lambda-cyhalothrin was almost completely suppressed by the synergist PBO, indicating that P450 enzymes play a very important role in resistance to this insecticide. However, both susceptible C and resistant W-1K flies were knocked down after topical treatment with lambda-cyhalothrin, suggesting that kdr resistance mediated by alterations of the target site is not playing a major role. Metabolic resistance mediated by P450 was further analyzed by comparing the expression of 53 genes of the families CYP4, CYP6, CYP9 and CYP12 in adults flies from the resistant W-1K and the susceptible C strains. We found that the gene CYP6A51 (GenBank accession number XM_004534804) was overexpressed (13-18-fold) in the W-1K strain. Moreover, the expression of the CYP6A51 gene was induced when adults of the W-1K and C strains were treated with lambda-cyhalothrin. However, no significant differences were obtained between susceptible C and resistant W-1K strains for the quantity of P450 and for the activity of NADPH- cytochrome c reductase measured in microsomal fractions obtained from abdomens. Moreover, we failed to correlate the metabolism of deltamethrin, analyzed in vitro by incubating this insecticide with microsomal fractions, with the resistance level against this pyrethroid observed in bioassays with W-1K. The sequencing of the 5´UTR region of the CYP6A51 gene failed in finding an alteration in the promoter region (-500 bp from translation start site) that could explain overexpression in the W-1K strain. All data obtained suggest that resistance to lambda-cyhalothrin in the W- 1K strain is mediated by P450 and that overexpression of CYP6A51 may play a major role, although further evidences are needed to establish a direct association of resistance with this gene. We have studied the inheritance, fitness cost and stability of the malathion resistance mediated by the G328A mutation and the duplication of the Ccace2 gene (with one of the copies bearing the mutation G328A). The malathion-susceptible C strain where the G328A mutation is not found (S/S genotype) was crossed with two isolines established to represent unique genotypes corresponding to the two target-site resistance mechanisms: 1) the 267Y isoline (genotype R/R) was established from a couple bearing the mutation G328A in homozygosis; and 2) the 306TY isoline (genotype RS/RS) was established from a couple being homozygous for the duplication of the Ccace2 gene. Reciprocal crosses have not been performed, since in situ hybridization on polythene chromosomes showed that the AChE locus and the duplication (most probably in tandem) are placed at the autosomal chromosome 2L. Mortality responses to malathion of resistant isolines (R/R or RS/RS) and susceptible (S/S) genotypes, F1 crosses (S/R, S/RS, and R/RS), and the back-crosses indicated that resistance to malathion is inherited as a semi-dominant trait in both cases. However, our results were not conclusive about the monogenic nature of the resistance to malathion in these isolines. Thus, we can not discard that other genes contributing to resistance, in addition to the mutation G328A (isoline 267Y) and the duplication of the Ccace2 gene (isoline 306TY), may have been selected during the selection process of 267Y and 306TY. Several biological parameters were evaluated to determine if these two malathion resistance mechanisms impose a fitness cost for resistant genotypes. Individuals with genotype R/R have a reduced fitness in terms of developmental time from egg to pupa, pupal weight and adult longevity, when compared to susceptible individuals (genotype S/S). Interestingly, the fitness cost was substantially diminished in individuals with genotype RS/RS. These differences in fitness may be related to the reduction of the catalytic efficiency of mutated AChE in individuals R/R, and the compensatory effect that the non-mutated copy of the gene has on individuals RS/RS bearing the duplication. The stability of malathion reistance associated with the mutation G328A or the duplication was analyzed by following these resistant traits in the progeny of the back-crosses S/RS x RS/RS and S/R x R/R over consecutive generations in the absence of insecticide selection pressure. Our results show that the frequency of the allele bearing the mutation G328A decreased from 67.5% at the first generation of the back-cross S/R x R/R (75% expected, assuming Mendelian segregation and that there are only two alleles: one mutated and the other non-mutated) to 12% after 10 generations. By contrast, the frequency of the duplication only declined from 75% at the first generation of the back-cross S/RS x RS/RS (75% expected, assuming Mendelian segregation and that the duplication segregates as an unique allele) to 50% in the same period, indicating that the duplication is more stable than the mutation. The presence of the mutation and the duplication was analyzed in field populations collected in six localities in 2004-2007, when malathion was still used, and compared to populations collected in the same fields in 2010, one year after the prohibition of malathion in the European Union. The average frequency of the susceptible genotype (S/S) increased from 55.9% in the period 2004-2007 to 70.8% in 2010, whereas the frequency of those genotypes carrying the mutation in homozygosis or heterozygosis (R/R and S/R) declined from 30.4 to 9.2%, those carrying the duplication in homozygosis or heterozygosis (RS/RS and S/RS) increased slightly from 12.8 to 13.3%, and those carrying both the mutation and the duplication (R/RS) also increased from 1 to 6.7%. These results are consistent with the duplication of the Ccace2 gene (with one of the copies bearing the mutation G328A and the other copy non-mutated) being more advantageous than the G328A mutation alone by maintaining resistance while restoring part of the fitness. In order to investigate the association of malathion resistance with mutations previously found in the aliesterase CcE7, we have generated isolines bearing specific mutations selected by their putative location near the upper part of the active site gorge of the enzyme. The isoline Sm2 (originating from a female heterozygous for the mutation V96L and a male homozygous for the non-mutated allele) kept high levels of resistance to malathion, even after 30 generations without selection pressure. On the contrary, the isoline 267Y (composed by individuals homozygous for the mutation L267Y) and the strain 306TY (composed by homozygous for the double mutation R306T-N307Y) showed a significant reduction in the levels of resistance. We have found also that resistance to malathion in the Sm2 isoline was partially reverted by DEF and TPP, and that Sm2 showed a significant reduction in MTB activity, as reported for other species showing malathion-specific resistance mediated by aliesterases. Besides, it was possible to associate the presence of the mutation V96L in individuals from the Sm2 isoline with both survival to a discriminating concentration of malathion (5,000 ppm) and low MTB activity. Our results point out to a possible connection betwen the mutation V96L in the aliesterase CcE7 and resistance to malathion, though we can not yet conclude that the resistance is caused by the mutation, being needed further work to understand its contribution to resistance. In conclusion, resistance to lambda-cyhalothrin has been found for the first time in field populations of C. capitata, and metabolic resistance mediated by P450 appears to be the main resistance mechanism in the resistant strain W-1K. These findings add to the previously reported case of field resistance to malathion, associated to the G328A mutation and the duplication of the Ccace2 gene (with one of the copies bearing the mutation G328A) and to metabolic resistance mediated by esterases. Our results also indicate that altered target site AChE appears to be responsible for a certain level of resistance to malathion in C. capitata, that can be estimated as about 25-40-fold for the mutation G328A and 40-60-fold for the duplication; whereas metabolic resistance mediated by esterases and associated in this study with the mutation V96L in CcE7 may confer a multiplicative effect (by a factor of 5 to10) increasing malathion resistance to 200-400-fold. Moreover, we have shown that resistant insects carrying the duplication have better fitness and exhibit a higher stability than those with the mutation G328A in the absence of insecticide pressure. This represents a scenario where genotypes with the duplication will remain in the field at low to moderate frequencies, but could be rapidly selected if malathion or other insecticides showing cross-resistance are used. These findings have important implications for resistance management programs, as the repertoire of effective insecticides for C. capitata control is becoming very limited. Besides, multiple resistance mechanisms coexisting in field populations provide the potential to develop resistance to other available insecticides for the control of this pest. Appropriate resistance management strategies based on the alternation of insecticides with different modes of action, and their combination with other control methods, must then be implemented to avoid the evolution of resistance in the field.

Low initial aspect-ratio direct-drive target designs for shock- or self-ignition in the context of the laser Megajoule

Analysis of low initial aspect ratio direct-drive target designs is carried out by varying the implosion velocity and the fuel mass. Starting from two different spherical targets with a given 300?g-DT mass, optimization of laser pulse and drive power allows to obtain a set of target seeds referenced by their peak implosion velocities and initial aspect ratio (A = 3 and A = 5). Self-ignition is achieved with higher implosion velocity for A = 5-design than for A = 3-design. Then, rescaling is done to extend the set of designs to a huge amount of mass, peak kinetic energies and peak areal densities. Self-ignition kinetic energy threshold Ek is characterized by a dependance of Ek ? v? with ?-values which depart from self-ignition models. Nevertheless, self-ignition energy is seen lower for smaller initial aspect ratio. An analysis of Two-Plasmons Decay threshold and Rayleigh?Taylor instability e-folding is carried out and it is shown that two-plasmon decay threshold is always overpassed for all designs. The hydrodynamic stability analysis is performed by embedded models to deal with linear and non-linear regime. It is found that the A = 5-designs are always at the limit of disruption of the shell.

Influence of new integrated pest management strategies on aphidophagous predators in horticultural crops

El 1 de enero de 2014 entró en vigor la Directiva Europea 2009/128/CE sobre uso sostenible de plaguicidas y el Real Decreto 1311/2012 por el cual se traspone dicha normativa comunitaria al ámbito nacional. Estos reglamentos establecen el marco legal por el que las explotaciones agrícolas deben cumplir los principios generales de la Gestión Integrada de Plagas (GIP). Los principios de la GIP dan preferencia a aquellos métodos de control que sean sostenibles y respetuosos con el medio ambiente, dando prioridad al control biológico, al físico y a otros de carácter no químico. Sin embargo, el uso de insecticidas selectivos con los enemigos naturales es necesario en ocasiones para el adecuado manejo de las plagas en cultivos hortícolas. Por ello, el objetivo general de esta Tesis ha sido aportar conocimientos para la mejora del control de plagas en cultivos hortícolas, mediante la integración de estrategias de lucha biológica, física y química. La primera de las líneas de investigación de esta Tesis se centró en el estudio del efecto de la presencia dos depredadores, larvas Chrysoperla carnea y adultos de Adalia bipunctata, en la dispersión del virus de transmisión no persistente Cucumber mosaic virus (CMV) y del virus de transmisión persistente Cucurbit aphid-borne yellows virus (CABYV), transmitidos por el pulgón Aphis gosypii en cultivo de pepino. La tasa de transmisión de CMV fue baja para los dos tiempos de evaluación ensayados (1 y 5 días), debido al limitado movimiento de su vector A. gossypii. Las plantas que resultaron infectadas se localizaron próximas a la fuente de inóculo central y la presencia de ambos enemigos naturales no incrementó significativamente el porcentaje de plantas ocupadas por pulgones ni la tasa de transmisión de CMV. Los patrones de distribución de A. gossypii y de CMV tan solo fueron coincidentes en las proximidades de la planta central infectada en la que se liberaron los insectos. En los ensayos con CABYV, la presencia de C. carnea y de A. bipunctata respectivamente provocó un incremento significativo de la dispersión de A. gossypii tras 14 días, pero no tras 7 días desde la liberación de los insectos. La reducción en el número inicial de pulgones en la planta central infectada con CABYV fue siempre mayor tras la liberación de C. carnea en comparación con A. bipunctata. Sin embargo, la tasa de transmisión de CABYV y su distribución espacial no se vieron significativamente modificadas por la presencia de ninguno de los depredadores, ni tras 7 días ni tras 14 días desde el inicio de los ensayos. Al igual que se estudió el efecto de la presencia de enemigos naturales en el comportamiento de las plagas y en la epidemiología de las virosis que transmiten, en una segunda línea de investigación se evaluó el posible efecto del consumo de pulgones portadores de virus por parte de los enemigos naturales. Este trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Ecotoxicología del Departamento de Entomología de la Universidade Federal de Lavras (UFLA) (Brasil). En él se evaluó la influencia en los parámetros biológicos del enemigo natural Chrysoperla externa al alimentarse de Myzus persicae contaminados con el virus de transmisión persistente Potato leafroll virus (PLRV). El consumo de M. persicae contaminados con PLRV incrementó significativamente la duración de la fase larvaria, reduciendo también la supervivencia en comparación a otras dos dietas a base de M. persicae no contaminados con el virus y huevos del lepidóptero Ephestia kuehniella. La duración de la fase de pupa de C. externa no difirió significativamente entre las dietas a base de pulgones contaminados con PLRV y pulgones no contaminados, pero ambas fueron menores que con la dieta con huevos de E. kuehniella. Sin embargo, ni la supervivencia en la fase de pupa ni los parámetros reproductivos de los adultos emergidos mostraron diferencias significativas entre las dietas evaluadas. Por el contrario, la supervivencia de los adultos durante los 30 primeros días desde su emergencia sí se vio significativamente afectada por la dieta, siendo al término de este periodo del 54% para aquellos adultos de C. externa que durante su fase larvaria consumieron pulgones con PLRV. Dentro de la GIP, una de las estrategias de carácter físico que se emplean para el control de plagas y enfermedades en cultivos hortícolas protegidos es el uso de plásticos con propiedades fotoselectivas de absorción de la radiación ultravioleta (UV). Por ello, la tercera línea de investigación de la Tesis se centró en el estudio de los efectos directos e indirectos (mediados por la planta) de condiciones especiales de baja radiación UV sobre el crecimiento poblacional del pulgón A. gossypii y los parámetros biológicos del enemigo natural C. carnea, así como sobre las plantas de pepino en las que se liberaron los insectos. Los ensayos se realizaron en jaulones dentro de invernadero, utilizándose en el primero de ellos plantas de pepino sanas, mientras que en el segundo las plantas de pepino fueron previamente infectadas con CABYV para estudiar de qué manera afectaba la incidencia del virus en las mismas condiciones. Las condiciones de baja radiación UV (bajo plástico Térmico Antivirus®) ejercieron un efecto directo en las fases iniciales del cultivo de pepino, promoviendo su crecimiento, mientras que en fases más avanzadas del cultivo indujeron un aumento en el contenido en nitrógeno de las plantas. Las plantas de pepino que fueron sometidas a mayor intensidad de radiación UV (bajo plástico Térmico Blanco®) al inicio del cultivo mostraron un engrosamiento significativo de las paredes de las células epidérmicas del haz de las hojas, así como de la cutícula. El uso del plástico Térmico Antivirus®, utilizado como barrera fotoselectiva para crear condiciones de baja radiación UV, no alteró con respecto al plástico Térmico Blanco® (utilizado como control) el desarrollo poblacional del pulgón A. gossypii ni los parámetros biológicos evaluados en el depredador C. carnea. En el segundo experimento, realizado con plantas infectadas con CABYV, la incidencia de la virosis enmascaró las diferencias encontradas en experimento con plantas sanas, reduciendo aparentemente la influencia de las distintas condiciones de radiación UV. Por último, para el desarrollo de las estrategias de GIP es importante estudiar los posibles efectos secundarios que los plaguicidas pueden tener en los enemigos naturales de las plagas. Es por ello que en la Tesis se evaluaron la toxicidad y los efectos subletales (fecundidad y fertilidad) de flonicamida, flubendiamida, metaflumizona, spirotetramat, sulfoxaflor y deltametrina en los enemigos naturales C. carnea y A. bipunctata. Los efectos secundarios fueron evaluados por contacto residual tanto para larvas como para adultos de ambos enemigos naturales en condiciones de laboratorio. Flonicamida, flubendiamida, metaflumizona y spirotetramat fueron inocuos para larvas de último estadio y adultos de C. carnea y A. bipunctata. Por este motivo, estos insecticidas se presentan como buenos candidatos para ser incorporados dentro de programas de GIP en combinación con estos enemigos naturales para el control de plagas de cultivos hortícolas. Sulfoxaflor fue ligeramente tóxico para adultos de C. carnea y altamente tóxico para larvas de último estadio de A. bipunctata. Para A. bipunctata, sulfoxaflor y deltametrina fueron los compuestos más dañinos. Deltametrina fue también el compuesto más tóxico para larvas y adultos de C. carnea. Por tanto, el uso de deltametrina y sulfoxaflor en programas de GIP debería tomarse en consideración cuando se liberasen cualquiera de estos dos enemigos naturales debido al comportamiento tóxico que mostraron en condiciones de laboratorio. ABSTRACT On 1 January 2014 came into effect the Directive 2009/128/EC of the European Parliament about sustainable use of pesticides and the Royal Decree 1311/2012 that transposes the regulation to the Spanish level. These regulations establish the legal framework that agricultural holdings must adhere to in order to accomplish the general principles of Integrated Pest Management (IPM). The guidelines of IPM give priority to sustainable and eco-friendly pest control techniques, such as biological and physical measures. Nevertheless, the use of pesticides that are selective to natural enemies is sometimes a necessary strategy to implement accurate pest management programs in horticultural protected crops. Therefore, the general objective of this Thesis was to contribute to the improvement of pest management strategies in horticultural crops, by means of the integration of biological, physical and chemical techniques. The first research line of this Thesis was focused on the evaluation of the effects of two aphidophagous predators, Chrysoperla carnea larvae and Adalia bipunctata adults, on the spread of the non-persistently transmitted Cucumber mosaic virus (CMV, Cucumovirus) and the persistently transmitted Cucurbit aphid-borne yellows virus (CABYV, Polerovirus), by the aphid vector Aphis gossypii in a cucumber crop under greenhouse conditions. The CMV transmission rate was generally low, both after 1 and 5 days, due to the limited movement of its aphid vector A. gossypii. Infected plants were mainly located around the central virusinfected source plant, and the percentage of aphid occupation and CMV-infected plants did not differ significantly in absence and presence of natural enemies. The distribution patterns of A. gossypii and CMV were only coincident close to the central plant where insects were released. In the CABYV experiments, the presence of C. carnea larvae and A. bipunctata adults induced significant A. gossypii dispersal after 14 days but not after 7 days. The reduction in the initial aphid population established in the central plant was always higher for C. carnea than for A. bipunctata. Nevertheless, CABYV spread was not significantly modified by the presence of each predator either in the short term (7 days) or in the long term (14 days). Furthermore, the percentage of CABYV-infected plants did not significantly differ when each natural enemy was present in any evaluation period. It is important to evaluate the influence that natural enemies have on pest dynamics and on the spread of viral diseases, but it should be also taken into account the possible effect on the performance of natural enemies when they feed on preys that act as vectors of viruses. Thus, in a second research line developed in the Laboratory of Ecotoxicology, Department of Entomology, of the Universidade Federal de Lavras (UFLA) (Brazil), it was evaluated the performance of Chrysoperla externa under the condition of consuming Myzus persicae acting as vector of Potato leafroll virus (PLRV). The diet composed of PLRV-infected M. persicae significantly increased the length and reduced the survival rate, of the larval period in regard to the other two diets, composed of non-infected M. persicae and Ephestia kuehniella eggs. The lengths of the pupal stage were not significantly different between the aphid diets, but both were significantly shorter than that of E. kuehniella eggs. Neither pupal survival nor reproductive parameters revealed significant differences among the diets. Nevertheless, the adult survival curves during the first 30 days after emergence showed significant differences, reaching at the end of this interval a value of 54% for those C. externa adults fed on PLRVinfected aphids during their larval period. According to the IPM guidelines, one of the physical strategies for the control of pests and diseases in horticultural protected crops is the use of plastic films with photoselective properties that act as ultraviolet (UV) radiation blocking barriers. In this sense, the third research line of the Thesis dealt with the study of the direct and plant-mediated influence of low UV radiation conditions on the performance of the aphid A. gossypii and on the biological parameters of the natural enemy C. carnea, as well as on the cucumber plants where insects were released. The experiments were conducted inside cages under greenhouse conditions, using for the first one healthy cucumber plants, while for the second experiment the cucumber plants were previously infected with CABYV in order to assess the influence of the virus in the same conditions. The low UV radiation conditions (under Térmico Antivirus® plastic film) seemed to exert a direct effect in the early stages of cucumber plants, enhancing their growth, and in an increasing nitrogen content at further developmental stages. The higher UV radiation exposure (under Térmico Blanco® plastic film) in the early stages of the cucumber crop induced the thickening of the adaxial epidermal cell walls and the cuticle of leaves. The use of Térmico Antivirus® plastic film as a photoselective barrier to induce low UV radiation conditions did not modify, in regard to Térmico Blanco® plastic film (used as control), neither the population development of A. gossypii nor the studied biological parameters of the predator C. carnea. In the second experiment, done with CABYV-infected cucumber plants, the incidence of the virus seemed to mask the direct and plant-mediated influence of the different UV radiation conditions. In last term, for the development of IPM strategies it is important to study the potential side effects that pesticides might have on natural enemies. For this reason, in the Thesis were tested the toxicity and sublethal effects (fecundity and fertility) of flonicamid, flubendiamide, metaflumizone, spirotetramat, sulfoxaflor and deltamethrin on the natural enemies C. carnea and A. bipunctata. The side effects of the active ingredients of the insecticides were evaluated with residual contact tests for the larvae and adults of these predators under laboratory conditions. Flonicamid, flubendiamide, metaflumizone and spirotetramat were innocuous to last instar larvae and adults of C. carnea and A. bipunctata. Therefore, these pesticides are promising candidates for being incorporated into IPM programs in combination with these natural enemies for the control of particular greenhouse pests. In contrast, sulfoxaflor was slightly toxic to adults of C. carnea and was highly toxic to last instar larvae of A. bipunctata. For A. bipunctata, sulfoxaflor and deltamethrin were the most damaging compounds. Deltamethrin was also the most toxic compound to larvae and adults of C. carnea. In accordance with this fact, the use of sulfoxaflor and deltamethrin in IPM strategies should be taken into consideration when releasing either of these biological control agents, due to the toxic behavior observed under laboratory conditions.

Neural restrictive silencer factor recruits mSin3 and histone deacetylase complex to repress neuron-specific target genes

Accumulative evidence suggests that more than 20 neuron-specific genes are regulated by a transcriptional cis-regulatory element known as the neural restrictive silencer (NRS). A trans-acting repressor that binds the NRS, NRSF [also designated RE1-silencing transcription factor (REST)] has been cloned, but the mechanism by which it represses transcription is unknown. Here we show evidence that NRSF represses transcription of its target genes by recruiting mSin3 and histone deacetylase. Transfection experiments using a series of NRSF deletion constructs revealed the presence of two repression domains, RD-1 and RD-2, within the N- and C-terminal regions, respectively. A yeast two-hybrid screen using the RD-1 region as a bait identified a short form of mSin3B. In vitro pull-down assays and in vivo immunoprecipitation-Western analyses revealed a specific interaction between NRSF-RD1 and mSin3 PAH1-PAH2 domains. Furthermore, NRSF and mSin3 formed a complex with histone deacetylase 1, suggesting that NRSF-mediated repression involves histone deacetylation. When the deacetylation of histones was inhibited by tricostatin A in non-neuronal cells, mRNAs encoding several neuronal-specific genes such as SCG10, NMDAR1, and choline acetyltransferase became detectable. These results indicate that NRSF recruits mSin3 and histone deacetylase 1 to silence neural-specific genes and suggest further that repression of histone deacetylation is crucial for transcriptional activation of neural-specific genes during neuronal terminal differentiation.

Induction of resistance to diabetes in non-obese diabetic mice by targeting CD44 with a specific monoclonal antibody

Inflammatory destruction of insulin-producing β cells in the pancreatic islets is the hallmark of insulin-dependent diabetes mellitus, a spontaneous autoimmune disease of non-obese diabetic mice resembling human juvenile (type I) diabetes. Histochemical analysis of diabetic pancreata revealed that mononuclear cells infiltrating the islets and causing autoimmune insulitis, as well as local islet cells, express the CD44 receptor; hyaluronic acid, the principal ligand of CD44, is detected in the islet periphery and islet endothelium. Injection of anti-CD44 mAb 1 hr before cell transfer of diabetogenic splenocytes and subsequently on alternate days for 4 weeks induced considerable resistance to diabetes in recipient mice, reflected by reduced insulitis. Contact sensitivity to oxazolone was not influenced by this treatment. A similar antidiabetic effect was observed even when the anti-CD44 mAb administration was initiated at the time of disease onset: i.e., 4–7 weeks after cell transfer. Administration of the enzyme hyaluronidase also induced appreciable resistance to insulin-dependent diabetes mellitus, suggesting that the CD44–hyaluronic acid interaction is involved in the development of the disease. These findings demonstrate that CD44-positive inflammatory cells may be a potential therapeutic target in insulin-dependent diabetes.

SfiI endonuclease activity is strongly influenced by the non-specific sequence in the middle of its recognition site

The SfiI endonuclease cleaves DNA at the sequence GGCCNNNN↓NGGCC, where N is any base and ↓ is the point of cleavage. Proteins that recognise discontinuous sequences in DNA can be affected by the unspecified sequence between the specified base pairs of the target site. To examine whether this applies to SfiI, a series of DNA duplexes were made with identical sequences apart from discrete variations in the 5 bp spacer. The rates at which SfiI cleaved each duplex were measured under steady-state conditions: the steady-state rates were determined by the DNA cleavage step in the reaction pathway. SfiI cleaved some of these substrates at faster rates than other substrates. For example, the change in spacer sequence from AACAA to AAACA caused a 70-fold increase in reaction rate. In general, the extrapolated values for kcat and Km were both higher on substrates with inflexible spacers than those with flexible structures. The dinucleotide at the site of cleavage was largely immaterial. SfiI activity is thus highly dependent on conformational variations in the spacer DNA.

Alterazione della proteostasi a livello del reticolo endoplasmatico: un potenziale target terapeutico nel carcinoma prostatico

Nel sesso maschile il carcinoma della prostata (CaP) è la neoplasia più frequente ed è tra le prime cause di morte per tumore. Ad oggi, sono disponibili diverse strategie terapeutiche per il trattamento del CaP, ma, come comprovato dall’ancora alta mortalità, spesso queste sono inefficaci, a causa soprattutto dello sviluppo di fenomeni di resistenza da parte delle cellule tumorali. La ricerca si sta quindi focalizzando sulla caratterizzazione di tali meccanismi di resistenza e, allo stesso tempo, sull’individuazione di combinazioni terapeutiche che siano più efficaci e capaci di superare queste resistenze. Le cellule tumorali sono fortemente dipendenti dai meccanismi connessi con l’omeostasi proteica (proteostasi), in quanto sono sottoposte a numerosi stress ambientali (ipossia, carenza di nutrienti, esposizione a chemioterapici, ecc.) e ad un’aumentata attività trascrizionale, entrambi fattori che causano un accumulo intracellulare di proteine anomale e/o mal ripiegate, le quali possono risultare dannose per la cellula e vanno quindi riparate o eliminate efficientemente. La cellula ha sviluppato diversi sistemi di controllo di qualità delle proteine, tra cui gli chaperon molecolari, il sistema di degradazione associato al reticolo endoplasmatico (ERAD), il sistema di risposta alle proteine non ripiegate (UPR) e i sistemi di degradazione come il proteasoma e l’autofagia. Uno dei possibili bersagli in cellule tumorali secretorie, come quelle del CaP, è rappresentato dal reticolo endoplasmatico (RE), organello intracellulare deputato alla sintesi, al ripiegamento e alle modificazioni post-traduzionali delle proteine di membrana e secrete. Alterazioni della protestasi a livello del RE inducono l’UPR, che svolge una duplice funzione nella cellula: primariamente funge da meccanismo omeostatico e di sopravvivenza, ma, quando l’omeostasi non è più ripristinabile e lo stimolo di attivazione dell’UPR cronicizza, può attivare vie di segnalazione che conducono alla morte cellulare programmata. La bivalenza, tipica dell’UPR, lo rende un bersaglio particolarmente interessante per promuovere la morte delle cellule tumorali: si può, infatti, sfruttare da una parte l’inibizione di componenti dell’UPR per abrogare i meccanismi adattativi e di sopravvivenza e dall’altra si può favorire il sovraccarico dell’UPR con conseguente induzione della via pro-apoptotica. Le catechine del tè verde sono composti polifenolici estratti dalle foglie di Camellia sinesis che possiedono comprovati effetti antitumorali: inibiscono la proliferazione, inducono la morte di cellule neoplastiche e riducono l’angiogenesi, l’invasione e la metastatizzazione di diversi tipi tumorali, tra cui il CaP. Diversi studi hanno osservato come il RE sia uno dei bersagli molecolari delle catechine del tè verde. In particolare, recenti studi del nostro gruppo di ricerca hanno messo in evidenza come il Polyphenon E (estratto standardizzato di catechine del tè verde) sia in grado, in modelli animali di CaP, di causare un’alterazione strutturale del RE e del Golgi, un deficit del processamento delle proteine secretorie e la conseguente induzione di uno stato di stress del RE, il quale causa a sua volta l’attivazione delle vie di segnalazione dell’UPR. Nel presente studio su due diverse linee cellulari di CaP (LNCaP e DU145) e in un nostro precedente studio su altre due linee cellulari (PNT1a e PC3) è stato confermato che il Polyphenon E è capace di indurre lo stress del RE e di determinare l’attivazione delle vie di segnalazione dell’UPR, le quali possono fungere da meccanismo di sopravvivenza, ma anche contribuire a favorire la morte cellulare indotta dalle catechine del tè verde (come nel caso delle PC3). Considerati questi effetti delle catechine del tè verde in qualità di induttori dell’UPR, abbiamo ipotizzato che la combinazione di questi polifenoli bioattivi e degli inibitori del proteasoma, anch’essi noti attivatori dell’UPR, potesse comportare un aggravamento dell’UPR stesso tale da innescare meccanismi molecolari di morte cellulare programmata. Abbiamo quindi studiato l’effetto di tale combinazione in cellule PC3 trattate con epigallocatechina-3-gallato (EGCG, la principale tra le catechine del tè verde) e due diversi inibitori del proteasoma, il bortezomib (BZM) e l’MG132. I risultati hanno dimostrato, diversamente da quanto ipotizzato, che l’EGCG quando associato agli inibitori del proteasoma non produce effetti sinergici, ma che anzi, quando viene addizionato al BZM, causa una risposta simil-antagonistica: si osserva infatti una riduzione della citotossicità e dell’effetto inibitorio sul proteasoma (accumulo di proteine poliubiquitinate) indotti dal BZM, inoltre anche l’induzione dell’UPR (aumento di GRP78, p-eIF2α, CHOP) risulta ridotta nelle cellule trattate con la combinazione di EGCG e BZM rispetto alle cellule trattate col solo BZM. Gli stessi effetti non si osservano invece nelle cellule PC3 trattate con l’EGCG in associazione con l’MG132, dove non si registra alcuna variazione dei parametri di vitalità cellulare e dei marcatori di inibizione del proteasoma e di UPR (rispetto a quelli osservati nel singolo trattamento con MG132). Essendo l’autofagia un meccanismo compensativo che si attiva in seguito all’inibizione del proteasoma o allo stress del RE, abbiamo valutato che ruolo potesse avere tale meccanismo nella risposta simil-antagonistica osservata in seguito al co-trattamento con EGCG e BZM. I nostri risultati hanno evidenziato, in cellule trattate con BZM, l’attivazione di un flusso autofagico che si intensifica quando viene addizionato l’EGCG. Tramite l’inibizione dell’autofagia mediante co-somministrazione di clorochina, è stato possibile stabilire che l’autofagia indotta dall’EGCG favorisce la sopravvivenza delle cellule sottoposte al trattamento combinato tramite la riduzione dell’UPR. Queste evidenze ci portano a concludere che per il trattamento del CaP è sconsigliabile associare le catechine del tè verde con il BZM e che in futuri studi di combinazione di questi polifenoli con composti antitumorali sarà importante valutare il ruolo dell’autofagia come possibile meccanismo di resistenza.

High speed imaging and algorithms for non invasive vibrations measurement

Comunicación presentada en EVACES 2011, 4th International Conference on Experimental Vibration Analysis for Civil Engineering Structures, Varenna (Lecco), Italy, October 3-5, 2011.

Robotic Outcome Assessment in a Non-Human Primate Model of Middle Cerebral Artery Stroke

Stroke is a prevalent disorder with immense socioeconomic impact. A variety of chronic neurological deficits result from stroke. In particular, sensorimotor deficits are a significant barrier to achieving post-stroke independence. Unfortunately, the majority of pre-clinical studies that show improved outcomes in animal stroke models have failed in clinical trials. Pre-clinical studies using non-human primate (NHP) stroke models prior to initiating human trials are a potential step to improving translation from animal studies to clinical trials. Robotic assessment tools represent a quantitative, reliable, and reproducible means to assess reaching behaviour following stroke in both humans and NHPs. We investigated the use of robotic technology to assess sensorimotor impairments in NHPs following middle cerebral artery occlusion (MCAO). Two cynomolgus macaques underwent transient MCAO for 90 minutes. Approximately 1.5 years following the procedure these NHPs and two non-stroke control monkeys were trained in a reaching task with both arms in the KINARM exoskeleton. This robot permits elbow and shoulder movements in the horizontal plane. The task required NHPs to make reaching movements from a centrally positioned start target to 1 of 8 peripheral targets uniformly distributed around the first target. We analyzed four movement parameters: reaction time, movement time (MT), initial direction error (IDE), and number of speed maxima to characterize sensorimotor deficiencies. We hypothesized reduced performance in these attributes during a neurobehavioural task with the paretic limb of NHPs following MCAO compared to controls. Reaching movements in the non-affected limbs of control and experimental NHPs showed bell-shaped velocity profiles. In contrast, the reaching movements with the affected limbs were highly variable. We found distinctive patterns in MT, IDE, and number of speed peaks between control and experimental monkeys and between limbs of NHPs with MCAO. NHPs with MCAO demonstrated more speed peaks, longer MTs, and greater IDE in their paretic limb compared to controls. These initial results qualitatively match human stroke subjects’ performance, suggesting that robotic neurobehavioural assessment in NHPs with stroke is feasible and could have translational relevance in subsequent human studies. Further studies will be necessary to replicate and expand on these preliminary findings.

Traitement du cancer pulmonaire non à petites cellules par radiothérapie stéréotaxique d’ablation

Les néoplasies pulmonaires demeurent la première cause de décès par cancer au Québec représentant près de 6000 décès par année. Au cours des dernières années, la radiothérapie stéréotaxique d’ablation (SABR) s’est imposée comme un traitement alternatif à la résection anatomique pour les patients inopérables atteints d’un cancer pulmonaire non à petites cellules de stade précoce. Il s’agit d’une modalité de traitement qui permet d’administrer des doses élevées, typiquement 30-60 Gy en 1-8 fractions, dans le but de cibler précisément le volume de traitement tout en épargnant les tissus sains. Le Centre Hospitalier de l’Université de Montréal s’est muni en 2009 d’un appareil de SABR de fine pointe, le CyberKnife™ (CK), un accélérateur linéaire produisant un faisceau de photons de 6 MV dirigé par un bras robotisé, permettant d’administrer des traitements non-coplanaires avec une précision infra-millimétrique. Ce mémoire est dédié à la caractérisation de certains enjeux cliniques et physiques associés au traitement par CK. Il s’articule autour de deux articles scientifiques revus par les pairs. D’une part, une étude prospective clinique présentant les avantages de la SABR pulmonaire, une technique qui offre un excellent contrôle tumoral à long terme et aide au maintien de la qualité de vie et de la fonction pulmonaire. D’autre part, une étude de physique médicale illustrant les limites de l’acquisition d’images tomodensitométriques en auto-rétention respiratoire lors de la planification de traitement par CK.

MicroRNAs in pathology and as therapeutic target in gene therapy?

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

An intergenic non-coding RNA targets and regulates the ribosome in H. volcanii.

As translation is the final step in gene expression it is particularly important to understand the processes involved in translation regulation. It was shown in the last years that a class of RNA, the nonprotein-coding RNAs (ncRNAs), is involved in regulation of gene expression via various mechanisms (e.g. gene silencing by microRNAs). Almost all of these ncRNA discovered so far target the mRNA in order to modulate protein biosynthesis, this is rather unexpected considering the crucial role of the ribosome during gene expression. However, recent data from our laboratory showed that there is a new class of ncRNAs, which target the ribosome itself [Gebetsberger et al., 2012/ Pircher et al, 2014]. These so called ribosome-associated ncRNAs (rancRNAs) have an impact on translation regulation, mainly by interfering / modulating the rate of protein biosynthesis. The main goal of this project is to identify and describe novel potential regulatory rancRNAs in H. volcanii with the focus on intergenic candidates. Northern blot analyses already revealed interactions with the ribosome and showed differential expression of rancRNAs during different growth phases or under specific stress conditions. To investigate the biological relevance of these rancRNAs, knock-outs were generated in H. volcanii which were used for phenotypic characterization studies. The rancRNA s194 showed association with the 50S ribosomal subunit in vitro and in vivo and was capable of inhibiting peptide bond formation. These preliminary data for the rancRNA s194 make it an interesting candidate for further functional studies to identify the molecular mechanisms by which rancRNAs can modulate protein biosynthesis. Characterization of further rancRNA candidates are also underway.

Accounting for residential and non-residential environments to measure contextual effects on health behavior : the case of recreational walking behavior

Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université Pierre et Marie Curie, Paris 06, Sorbonne Universités.