Foraging at the Edge of Chaos: Internal Clock versus External Forcing

Activity rhythms in animal groups arise both from external changes in the environment, as well as from internal group dynamics. These cycles are reminiscent of physical and chemical systems with quasiperiodic and even chaotic behavior resulting from “autocatalytic” mechanisms. We use nonlinear differential equations to model how the coupling between the self-excitatory interactions of individuals and external forcing can produce four different types of activity rhythms: quasiperiodic, chaotic, phase locked, and displaying over or under shooting. At the transition between quasiperiodic and chaotic regimes, activity cycles are asymmetrical, with rapid activity increases and slower decreases and a phase shift between external forcing and activity. We find similar activity patterns in ant colonies in response to varying temperature during the day. Thus foraging ants operate in a region of quasiperiodicity close to a cascade of transitions leading to chaos. The model suggests that a wide range of temporal structures and irregularities seen in the activity of animal and human groups might be accounted for by the coupling between collectively generated internal clocks and external forcings.

Visible range plasmonic effect produced by aluminium nanoparticles embedded in amorphous silicon

We present results, obtained by means of an analytic study and a numerical simulation, about the resonant condition necessary to produce a Localized Surface Plasmonic Resonance (LSPR) effect at the surface of metal nanospheres embedded in an amorphous silicon matrix. The study is based on a Lorentz dispersive model for a-Si:H permittivity and a Drude model for the metals. Considering the absorption spectra of a-Si:H, the best choice for the metal nanoparticles appears to be aluminium, indium or magnesium. No difference has been observed when considering a-SiC:H. Finite-difference time-domain (FDTD) simulation of an Al nanosphere embedded into an amorphous silicon matrix shows an increased scattering radius and the presence of LSPR induced by the metal/semiconductor interaction under green light (560 nm) illumination. Further results include the effect of the nanoparticles shape (nano-ellipsoids) in controlling the wavelength suitable to produce LSPR. It has been shown that is possible to produce LSPR in the red part of the visible spectrum (the most critical for a-Si:H solar cells applications in terms of light absorption enhancement) with aluminium nano-ellipsoids. As an additional results we may conclude that the double Lorentz-Lorenz model for the optical functions of a-Si:H is numerically stable in 3D simulations and can be used safely in the FDTD algorithm. A further simulation study is directed to determine an optimal spatial distribution of Al nanoparticles, with variable shapes, capable to enhance light absorption in the red part of the visible spectrum, exploiting light trapping and plasmonic effects. © 2015 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Immune reconstitution after autologous hematopoietic stem cell transplantation

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

Utilização de PAM's e Medicamentos e/ou Produtos à base de Plantas pela População do Concelho de Bragança

Introdução: Entende-se por fitoterapia a terapêutica caracterizada pelo uso de plantas medicinais nas diferentes formas farmacêuticas com finalidade terapêutica, usada assim para prevenir, atenuar ou curar um estado patológico. Objetivos: Caracterizar a utilização de plantas aromáticas e medicinais (PAM´s), medicamentos e produtos à base de plantas pela população do concelho de Bragança, conhecer a fonte de indicação deste tipo de produtos, apurar a relação entre a fonte de indicação e o estado de saúde após a utilização, verificar a sua correta utilização relativa à indicação terapêutica, modo e frequência de utilização, identificar potenciais interacções medicamentosas, averiguar se os utentes informam o médico do seu uso, investigar a ocorrência de efeitos adversos e apurar a relação entre os efeitos adversos ocorridos e o género dos inquiridos. Métodos: Trata-se de um estudo observacional analítico-transversal. Nele participaram 404 indivíduos de ambos os géneros e com idades compreendidas entre os 18 e os 89 anos. A recolha de dados foi realizada entre os meses de abril e junho de 2014, através de um questionário estruturado de autopreenchimento, formado por 30 perguntas. Após a recolha dos dados procedeu-se à leitura óptica dos questionários, sendo os dados posteriormente exportados para SPSS permitindo assim o tratamento dos mesmos. Para análise estatística utilizou-se o teste do qui-quadrado considerando o nível de significância p <0,05. Resultados: Verificou-se que 53,7% dos inquiridos recorre terapeuticamente a PAM´s que inclui principalmente o uso de cidreira e camomila enquanto 33,8% faz uso de medicamentos e/ou produtos àbase de plantas nomeadamente Valdispert e Daflon. A utilização de PAM,s é motivada por autoconhecimento e indicação de familiares, amigos e vizinhos. Já os medicamentos e/ou produtos à base de plantas são utilizados maioritariamente por prescrição médica e indicação na farmácia. A ocorrência de efeitos indesejáveis foi sentida unicamente com a utilização de PAM´s e em pequena escala. Conclusão: O recurso a este tipo de produtos é uma prática bastante comum entre os moradores do concelho de Bragança, que utilizam uma grande diversidade de plantas e produtos à base de plantas para um variado leque de indicações terapêuticas, apontando a percentagem de respostas para um conhecimento dos seus efeitos terapêuticos.

Characterization of Pinus spp. needles by gas chromatography and mass spectrometry: Application to plant-insect interactions

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Ciências do Ambiente pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecn

Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Gold nanoparticle to antibody conjugates for diagnosis applications: molecular interactions and immunoassay development

Thesis for the Master degree in Structural and Functional Biochemistry

CANDi: context-aware node discovery for short-range cooperation

Multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the benefits gained from multiple interfaces come at an expense—that being higher energy consumption in an era where mobile devices need to be energy compliant. One promising solution is the usage of short-range cooperative communication as an overlay for infrastructure-based networks taking advantage of its context information. However, the node discovery mechanism, which is pivotal to the bearer establishment process, still represents a major burden in terms of the total energy budget. In this paper, we propose a technology agnostic approach towards enhancing the MAC energy ratings by presenting a context-aware node discovery (CANDi) algorithm, which provides a priori knowledge towards the node discovery mechanism by allowing it to search nodes in the near vicinity at the ‘right time and at the right place’. We describe the different beacons required for establishing the cooperation, as well as the context information required, including battery level, modes, location and so on. CANDi uses the long-range network (WiMAX and WiFi) to distribute the context information about cooperative clusters (Ultra-wideband-based) in the vicinity. The searching nodes can use this context in locating the cooperative clusters/nodes, which facilitates the establishing of short-range connections. Analytical and simulation results are obtained, and the energy saving gains are further demonstrated in the laboratory using a customised testbed. CANDi saves up to 50% energy during the node discovery process, while the demonstrative testbed shows up to 75% savings in the total energy budget, thus validating the algorithm, as well as providing viable evidence to support the usage of short-range cooperative communications for energy savings.

Biomimetic sensors of molecularly-imprinted polymers for chlorpromazine determination

A new man-tailored biomimetic sensor for Chlorpromazine host-guest interactions and potentiometric transduction is presented. The artificial host was imprinted within methacrylic acid, 2-vinyl pyridine and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid based polymers. Molecularly imprinted particles were dispersed in 2-nitrophenyloctyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. Slopes and detection limits ranged 51–67 mV/decade and 0.46–3.9 μg/mL, respectively, in steady state conditions. Sensors were independent from the pH of test solutions within 2.0–5.5. Good selectivity was observed towards oxytetracycline, doxytetracycline, ciprofloxacin, enrofloxacin, nalidixic acid, sulfadiazine, trimethoprim, glycine, hydroxylamine, cysteine and creatinine. Analytical features in flowing media were evaluated on a double-channel manifold, with a carrier solution of 5.0 × 10−2 mol/L phosphate buffer. Near-Nernstian response was observed over the concentration range 1.0 × 10−4 to 1.0 × 10−2 mol/L. Average slopes were about 48 mV/decade. The sensors were successfully applied to field monitoring of CPZ in fish samples, offering the advantages of simplicity, accuracy, automation feasibility and applicability to complex samples.

Biomimetic norfloxacin sensors made of molecularly-imprinted materials for potentiometric transduction

A biomimetic sensor for norfloxacin is presented that is based on host-guest interactions and potentiometric transduction. The artificial host was imprinted into polymers made from methacrylic acid and/or 2-vinyl pyridine. The resulting particles were entrapped in a plasticized poly(vinyl chloride) (PVC) matrix. The sensors exhibit near-Nernstian response in steady state evaluations, and detection limits range from 0.40 to 1.0 μg mL−1, respectively, and are independent of pH values at between 2 and 6, and 8 and 11, respectively. Good selectivity was observed over several potential interferents. In flowing media, the sensors exhibit fast response, a sensitivity of 68.2 mV per decade, a linear range from 79 μM to 2.5 mM, a detection limit of 20 μg mL−1, and a stable baseline. The sensors were successfully applied to field monitoring of norfloxacin in fish samples, biological samples, and pharmaceutical products.

Power Law Behavior and Self-similarity in Modern Industrial Accidents

Advances in technology have produced more and more intricate industrial systems, such as nuclear power plants, chemical centers and petroleum platforms. Such complex plants exhibit multiple interactions among smaller units and human operators, rising potentially disastrous failure, which can propagate across subsystem boundaries. This paper analyzes industrial accident data-series in the perspective of statistical physics and dynamical systems. Global data is collected from the Emergency Events Database (EM-DAT) during the time period from year 1903 up to 2012. The statistical distributions of the number of fatalities caused by industrial accidents reveal Power Law (PL) behavior. We analyze the evolution of the PL parameters over time and observe a remarkable increment in the PL exponent during the last years. PL behavior allows prediction by extrapolation over a wide range of scales. In a complementary line of thought, we compare the data using appropriate indices and use different visualization techniques to correlate and to extract relationships among industrial accident events. This study contributes to better understand the complexity of modern industrial accidents and their ruling principles.

Recent advances into vanadyl, vanadate and decavanadate interactions with actin

Metallomics. 2012 Jan 3;4(1):16-22

Decavanadate interactions with actin: cysteine oxidation and vanadyl formation

Dalton Trans., 2009, 7985–7994