Positive time-frequency distributions based on joint marginal constraints

This correspondence studies the formulation of members ofthe Cohen-Posch class of positive time-frequency energy distributions.Minimization of cross-entropy measures with respect to different priorsand the case of no prior or maximum entropy were considered. It isconcluded that, in general, the information provided by the classicalmarginal constraints is very limited, and thus, the final distributionheavily depends on the prior distribution. To overcome this limitation,joint time and frequency marginals are derived based on a "directioninvariance" criterion on the time-frequency plane that are directly relatedto the fractional Fourier transform.

Methods for the analysis of two dimensional measurement data of paper web

This work is devoted to the problem of reconstructing the basis weight structure at paper web with black{box techniques. The data that is analyzed comes from a real paper machine and is collected by an o®-line scanner. The principal mathematical tool used in this work is Autoregressive Moving Average (ARMA) modelling. When coupled with the Discrete Fourier Transform (DFT), it gives a very flexible and interesting tool for analyzing properties of the paper web. Both ARMA and DFT are independently used to represent the given signal in a simplified version of our algorithm, but the final goal is to combine the two together. Ljung-Box Q-statistic lack-of-fit test combined with the Root Mean Squared Error coefficient gives a tool to separate significant signals from noise.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Measuring irregularities and surface defects from printed patterns

Quality inspection and assurance is a veryimportant step when today's products are sold to markets. As products are produced in vast quantities, the interest to automate quality inspection tasks has increased correspondingly. Quality inspection tasks usuallyrequire the detection of deficiencies, defined as irregularities in this thesis. Objects containing regular patterns appear quite frequently on certain industries and science, e.g. half-tone raster patterns in the printing industry, crystal lattice structures in solid state physics and solder joints and components in the electronics industry. In this thesis, the problem of regular patterns and irregularities is described in analytical form and three different detection methods are proposed. All the methods are based on characteristics of Fourier transform to represent regular information compactly. Fourier transform enables the separation of regular and irregular parts of an image but the three methods presented are shown to differ in generality and computational complexity. Need to detect fine and sparse details is common in quality inspection tasks, e.g., locating smallfractures in components in the electronics industry or detecting tearing from paper samples in the printing industry. In this thesis, a general definition of such details is given by defining sufficient statistical properties in the histogram domain. The analytical definition allowsa quantitative comparison of methods designed for detail detection. Based on the definition, the utilisation of existing thresholding methodsis shown to be well motivated. Comparison of thresholding methods shows that minimum error thresholding outperforms other standard methods. The results are successfully applied to a paper printability and runnability inspection setup. Missing dots from a repeating raster pattern are detected from Heliotest strips and small surface defects from IGT picking papers.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

An infrared spectral signature of human lymphocyte subpopulations from peripheral blood.

Metastatic melanomas are frequently refractory to most adjuvant therapies such as chemotherapies and radiotherapies. Recently, immunotherapies have shown good results in the treatment of some metastatic melanomas. Immune cell infiltration in the tumor has been associated with successful immunotherapy. More generally, tumor infiltrating lymphocytes (TILs) in the primary tumor and in metastases of melanoma patients have been demonstrated to correlate positively with favorable clinical outcomes. Altogether, these findings suggest the importance of being able to identify, quantify and characterize immune infiltration at the tumor site for a better diagnostic and treatment choice. In this paper, we used Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging to identify and quantify different subpopulations of T cells: the cytotoxic T cells (CD8+), the helper T cells (CD4+) and the regulatory T cells (T reg). As a proof of concept, we investigated pure populations isolated from human peripheral blood from 6 healthy donors. These subpopulations were isolated from blood samples by magnetic labeling and purities were assessed by Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS). The results presented here show that Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging followed by supervised Partial Least Square Discriminant Analysis (PLS-DA) allows an accurate identification of CD4+ T cells and CD8+ T cells (>86%). We then developed a PLS regression allowing the quantification of T reg in a different mix of immune cells (e.g. Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMCs)). Altogether, these results demonstrate the sensitivity of infrared imaging to detect the low biological variability observed in T cell subpopulations.

Hot wire configuration for depositing device grade nano-crystalline silicon at high deposition rate

The University of Barcelona is developing a pilot-scale hot wire chemical vapor deposition (HW-CVD) set up for the deposition of nano-crystalline silicon (nc-Si:H) on 10 cm × 10 cm glass substrate at high deposition rate. The system manages 12 thin wires of 0.15-0.2 mm diameter in a very dense configuration. This permits depositing very uniform films, with inhomogeneities lower than 2.5%, at high deposition rate (1.5-3 nm/s), and maintaining the substrate temperature relatively low (250 °C). The wire configuration design, based on radicals' diffusion simulation, is exposed and the predicted homogeneity is validated with optical transmission scanning measurements of the deposited samples. Different deposition series were carried out by varying the substrate temperature, the silane to hydrogen dilution and the deposition pressure. By means of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the evolution in time of the nc-Si:H vibrational modes was monitored. Particular importance has been given to the study of the material stability against post-deposition oxidation.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Assessment of the discrimination of animal fat by FT_Raman spectroscopy

In recent years, there has been an increased attention towards the composition of feeding fats. In the aftermath of the BSE crisis all animal by-products utilised in animal nutrition have been subjected to close scrutiny. Regulation requires that the material belongs to the category of animal by-products fit for human consumption. This implies the use of reliable techniques in order to insure the safety of products. The feasibility of using rapid and non-destructive methods, to control the composition of feedstuffs on animal fats has been studied. Fourier Transform Raman spectroscopy has been chosen for its advantage to give detailed structural information. Data were treated using chemometric methods as PCA and PLS-DA which have permitted to separate well the different classes of animal fats. The same methodology was applied on fats from various types of feedstock and production technology processes. PLS-DA model for the discrimination of animal fats from the other categories presents a sensitivity and a specificity of 0.958 and 0.914, respectively. These results encourage the use of FT-Raman spectroscopy to discriminate animal fats.

Control de respiració en temps real per dispositius Android

El projecte està basat en la creació d'una aplicació per dispositius mòbils android i que fent servir l'ús del micròfon capturi el so que genera l'usuari i pugui determinar si s'està respirant i en quin punt de la respiració es troba l'usuari. S'ha dut a terme una filosofia de disseny orientada a l'usuari (DCU) de manera que el primer pas ha sigut realitzar un prototip i un 'sketch'. A continuació, s'han realitzat 10 aplicacions test i en cadascuna d'elles s'ha ampliat la funcionalitat fins a arribar a obtenir una aplicació base que s'aproxima al disseny inicial generat per mitjà del prototip. El més important dels dissenys algorísmics que s'han realitzat per la aplicació es la capacitat de processar el senyal en temps real, ja que fins i tot s'ha pogut aplicar la transformada ràpida de Fourier (FFT) en temps real sense que el rendiment de l'aplicació es veies afectat. Això ha sigut possible gràcies al disseny del processament amb doble buffer i amb un fil d'execució dedicat independent del fil principal d'execució del programa 'UI Thread'

Unidirectional quantum walks: Evolution and exit times

In this paper we focus our attention on a particle that follows a unidirectional quantum walk, an alternative version of the currently widespread discrete-time quantum walk on a line. Here the walker at each time step can either remain in place or move in a fixed direction, e.g., rightward or upward. While both formulations are essentially equivalent, the present approach leads us to consider discrete Fourier transforms, which eventually results in obtaining explicit expressions for the wave functions in terms of finite sums and allows the use of efficient algorithms based on the fast Fourier transform. The wave functions here obtained govern the probability of finding the particle at any given location but determine as well the exit-time probability of the walker from a fixed interval, which is also analyzed.

The ABCG transporter PEC1/ABCG32 is required for the formation of the developing leaf cuticle in Arabidopsis.

The cuticle is an essential diffusion barrier on aerial surfaces of land plants whose structural component is the polyester cutin. The PERMEABLE CUTICLE1/ABCG32 (PEC1) transporter is involved in plant cuticle formation in Arabidopsis. The gpat6 pec1 and gpat4 gapt8 pec1 double and triple mutants are characterized. Their PEC1-specific contributions to aliphatic cutin composition and cuticle formation during plant development are revealed by gas chromatography/mass spectrometry and Fourier-transform infrared spectroscopy. The composition of cutin changes during rosette leaf expansion in Arabidopsis. C16:0 monomers are in higher abundance in expanding than in fully expanded leaves. The atypical cutin monomer C18:2 dicarboxylic acid is more prominent in fully expanded leaves. Findings point to differences in the regulation of several pathways of cutin precursor synthesis. PEC1 plays an essential role during expansion of the rosette leaf cuticle. The reduction of C16 monomers in the pec1 mutant during leaf expansion is unlikely to cause permeability of the leaf cuticle because the gpat6 mutant with even fewer C16:0 monomers forms a functional rosette leaf cuticle at all stages of development. PEC1/ABCG32 transport activity affects cutin composition and cuticle structure in a specific and non-redundant fashion.

Wavelets in real-time paper web analysis

Online paper web analysis relies on traversing scanners that criss-cross on top of a rapidly moving paper web. The sensors embedded in the scanners measure many important quality variables of paper, such as basis weight, caliper and porosity. Most of these quantities are varying a lot and the measurements are noisy at many different scales. The zigzagging nature of scanning makes it difficult to separate machine direction (MD) and cross direction (CD) variability from one another. For improving the 2D resolution of the quality variables above, the paper quality control team at the Department of Mathematics and Physics at LUT has implemented efficient Kalman filtering based methods that currently use 2D Fourier series. Fourier series are global and therefore resolve local spatial detail on the paper web rather poorly. The target of the current thesis is to study alternative wavelet based representations as candidates to replace the Fourier basis for a higher resolution spatial reconstruction of these quality variables. The accuracy of wavelet compressed 2D web fields will be compared with corresponding truncated Fourier series based fields.

Characterization of local and systemic immune-modulation in melanoma patients

Le mélanome cutané est un des cancers les plus agressifs et dont l'incidence augmente le plus en Suisse. Une fois métastatique, le pronostic de survie moyenne avec les thérapies actuelles est d'environ huit mois, avec moins de 5% de survie à cinq ans. Les récents progrès effectués dans la compréhension de la biologie de la cellule tumorale mais surtout dans l'importance du système immunitaire dans le contrôle de ce cancer ont permis le développement de nouveaux traitements novateurs et prometteurs. Ces thérapies, appelées immunothérapies, reposent sur la stimulation et l'augmentation de la réponse immunitaire à la tumeur. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré l'efficacité de ces traitements chez les patients avec des stades avancés de la maladie, le contrôle de la maladie à long- terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression locale et systémique de la réponse immunitaire spécifique anti-tumorale apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Des études sur les souris ont montré que les vaisseaux lymphatiques joueraient un rôle primordial dans ce processus en induisant une tolérance immune, ce qui permettrait à la tumeur d'échapper au contrôle du système immunitaire et métastatiser plus facilement. Ces excitantes découvertes n'ont pas encore été établi et prouvé chez l'homme. Dans cette thèse, nous montrons pour la première fois que les vaisseaux lymphatiques sont directement impliqués dans la modulation de la réponse immunitaire au niveau local et systémique dans le mélanome chez l'homme. Ces récentes découvertes montrent le potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec les immunothérapies actuellement utilisées afin d'améliorer le pronostic des patients atteint du mélanome. -- Cutaneous melanoma is one of the most invasive and metastatic human cancers and causes 75% of skin cancer mortality. Current therapies such as surgery and chemotherapy fail to control metastatic disease, and relapse occurs frequently due to microscopic residual lesions. It is, thus, essential to develop and optimize novel therapeutic strategies to improve curative responses in these patients. In recent decades, tumor immunologists have revealed the development of spontaneous adaptive immune responses in melanoma patients, leading to the accumulation of highly differentiated tumor-specific T cells at the tumor site. This remains one of the most powerful prognostic markers to date. Immunotherapies that augment the natural function of these tumor-specific T cells have since emerged as highly attractive therapeutic approaches to eliminate melanoma cells. While recent clinical trials have demonstrated great progress in the treatment of advanced stage melanoma, long-term disease control is still only achieved in a minority of patients. Local and systemic immune suppression by the tumor appears to be responsible, in part, for this poor clinical evolution. These facts underscore the need for a better analysis and characterization of immune- related pathways within the tumor microenvironment (TME), as well as at the systemic level. The overall goal of this thesis is, thus, to obtain greater insight into the complexity and heterogeneity of the TME in human melanoma, as well as to investigate immune modulation beyond the TME, which ultimately influences the immune system throughout the whole body. To achieve this, we established two main objectives: to precisely characterize local and systemic immune modulation (i) in untreated melanoma patients and (ii) in patients undergoing peptide vaccination or checkpoint blockade therapy with anti-cytotoxic T- lymphocyte-asisctaed protein-4 (CTLA-4) antibody. In the first and main part of this thesis, we analyzed lymphatic vessels in relation to anti-tumor immune responses in tissues from vaccinated patients using a combination of immunohistochemistry (IHC) techniques, whole slide scanning/analysis, and an automatic quantification system. Strikingly, we found that increased lymphatic vessel density was associated with high expression of immune suppressive molecules, low functionality of tumor-infiltrating CD8+ T cells and decreased cytokine production by tumor-antigen specific CD8+ T cells in the blood. These data revealed a previously unappreciated local and systemic role of lymphangiogenesis in modulating T cell responses in human cancer and support the use of therapies that target lymphatic vessels combined with existing and future T cell based therapies. In the second objective, we describe a metastatic melanoma patient who developed pulmonary sarcoid-like granulomatosis following repetitive vaccination with peptides and CpG. We demonstrated that the onset of this pulmonary autoimmune adverse event was related to the development of a strong and long-lasting tumor-specific CD8+ T cell response. This constitutes the first demonstration that a new generation tumor vaccine can induce the development of autoimmune adverse events. In the third objective, we assessed the use of Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging to identify melanoma cells and lymphocyte subpopulations in lymph node (LN) metastasis tissues, thanks to a fruitful collaboration with researchers in Brussels. We demonstrated that the different cell types in metastatic LNs have different infrared spectral features allowing automated identification of these cells. This technic is therefore capable of distinguishing known and novel biological features in human tissues and has, therefore, significant potential as a tool for histopathological diagnosis and biomarker assessment. Finally, in the fourth objective, we investigated the role of colony- stimulating factor-1 (CSF-1) in modulating the anti-tumor response in ipilimumab-treated patients using IHC and in vitro co-cultures, revealing that melanoma cells produce CSF-1 via CTL-derived cytokines when attacked by cytotoxic T lymphocytes (CTLs), resulting in the recruitment of immunosuppressive monocytes. These findings support the combined use of CSF-1R blockade with T cell based immunotherapy for melanoma patients. Taken together, our results reveal the existence of novel mechanisms of immune modulation and thus promote the optimization of combination immunotherapies against melanoma. -- Le mélanome cutané est un des cancers humains les plus invasifs et métastatiques et est responsable de 75% de la mortalité liée aux cancers de la peau. Les thérapies comme la chirurgie et la chimiothérapie ont échoué à contrôler le mélanome métastatique, par ailleurs les rechutes sous ces traitements ont été montrées fréquentes. Il est donc essentiel de développer et d'optimiser de nouvelles stratégies thérapeutiques pour améliorer les réponses thérapeutiques de ces patients. Durant les dernières décennies, les immunologistes spécialisés dans les tumeurs ont démontré qu'un patient atteint du mélanome pouvait développer spontanément une réponse immune adaptative à sa tumeur et que l'accumulation de cellules T spécifiques tumorales au sein même de la tumeur était un des plus puissants facteurs pronostiques. Les immunothérapies qui ont pour but d'augmenter les fonctions naturelles de ces cellules T spécifiques tumorales ont donc émergé comme des approches thérapeutiques très attractives pour éliminer les cellules du mélanome. Alors que les derniers essais cliniques ont démontré un progrès important dans le traitement des formes avancées du mélanome, le contrôle de la maladie à long-terme est seulement atteint chez une minorité des patients. La suppression immune locale et systémique apparaitrait comme une des raisons expliquant la persistance d'un mauvais pronostic clinique chez ces patients. Ces considérations soulignent la nécessité de mieux analyser et caractériser les voies immunitaires non seulement au niveau local dans le microenvironement tumoral mais aussi au niveau systémique dans le sang des patients. Le but de cette thèse est d'obtenir une plus grande connaissance de la complexité et de l'hétérogénéité du microenvironement tumoral dans les mélanomes mais aussi d'investiguer la modulation immunitaire au delà du microenvironement tumoral au niveau systémique. Afin d'atteindre ce but, nous avons établi deux objectifs principaux : caractériser précisément la modulation locale et systémique du système immunitaire (i) chez les patients atteints du mélanome qui n'ont pas reçu de traitement et (ii) chez les patients qui ont été traités soit par des vaccins soit par des thérapies qui bloquent les points de contrôles. Dans la première et majeure partie de cette thèse, nous avons analysé les vaisseaux lymphatiques en relation avec la réponse immunitaire anti-tumorale dans les tissus des patients vaccinés grâce à des techniques d'immunohistochimie et de quantification informatisé et automatique des marquages. Nous avons trouvé qu'une densité élevée de vaisseaux lymphatiques dans la tumeur était associée à une plus grande expression de molécules immunosuppressives ainsi qu'à une diminution de la fonctionnalité des cellules T spécifiques tumoral dans la tumeur et dans le sang des patients. Ces résultats révèlent un rôle jusqu'à là inconnu des vaisseaux lymphatiques dans la modulation directe du système immunitaire au niveau local et systémique dans les cancers de l'homme. Cette recherche apporte finalement des preuves du potentiel de combiner des thérapies visant le système lymphatique avec des autres immunothérapies déjà utilisées en clinique. Dans le second objectif, nous rapportons le cas d'un patient atteint d'un mélanome avec de multiples métastases qui a développé à la suite de plusieurs vaccinations répétées et consécutives avec des peptides et du CpG, un évènement indésirable sous la forme d'une granulomatose pulmonaire sarcoid-like. Nous avons démontré que l'apparition de cet évènement était intimement liée au développement d'une réponse immunitaire durable et spécifique contre les antigènes de la tumeur. Par là- même, nous prouvons pour la première fois que la nouvelle génération de vaccins est aussi capable d'induire des effets indésirables auto-immuns. Pour le troisième objectif, nous avons voulu savoir si l'utilisation de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) était capable d'identifier les cellules du mélanome ainsi que les différents sous-types cellulaires dans les ganglions métastatiques. Grâce à nos collaborateurs de Bruxelles, nous avons pu établir que les diverses composantes cellulaires des ganglions atteints par des métastases du mélanome présentaient des spectres infrarouges différents et qu'elles pouvaient être identifiées d'une façon automatique. Cette nouvelle technique permettrait donc de distinguer des caractéristiques biologiques connues ou nouvelles dans les tissus humains qui auraient des retombées pratiques importantes dans le diagnostic histopathologique et dans l'évaluation des biomarqueurs. Finalement dans le dernier objectif, nous avons investigué le rôle du facteur de stimulation des colonies (CSF-1) dans la modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale chez les patients qui ont été traités par l'Ipilimumab. Nos expériences in vivo au niveau des tissus tumoraux et nos co-cultures in vitro nous ont permis de démontrer que les cytokines secrétées par les cellules T spécifiques anti-tumorales induisaient la sécrétion de CSF-1 dans les cellules du mélanome ce qui résultait en un recrutement de monocytes immunosuppresseurs. Dans son ensemble, cette thèse révèle donc l'existence de nouveaux mécanismes de modulation de la réponse immunitaire anti-tumorale et propose de nouvelles optimisations de combinaison d'immunothérapies contre le mélanome.