Development of an animal model for allergic conjunctivitis: influence of genetic factors and allergen concentration on immune response

Purpose: Animal models of diseases are extremely important in the study of the physiopathogenesis of human diseases and for testing novel therapeutic interventions. The present study aimed to develop an animal model that simulates human allergic conjunctivitis and to study how allergic response may be influenced by the allergen dose used for immunization and by genetic factors. Methods: Sixty C57Bl/6 mice and 60 BALB/c mice were immunized with placebo, or 5 mu g or 500 mu g of allergen derived from Dermatophagoides pteronyssinus. After ocular challenge, the mice were examined in order to clinically verify the occurrence or not of conjunctivitis. Material obtained from animals was used for total and specific IgE and IgG1 dosage, for assays of Der p-specific lymphocyte proliferation and supernatant cytokine dosage, and for histopathological evaluation of conjunctiva. Results: We developed a murine model of allergic conjunctivitis induced by D. pteronyssinus. The model is similar to human disease both clinically and according to laboratory findings. In mouse, conjunctivitis was associated with a Th2 cytokine profile. However, IL-10 appeared to be involved with disease blockade. Mice of different strains have distinct immune responses, depending on the sensitization dose. Conclusions: The murine model developed is suitable for the study of immunopathogenesis and as a template for future therapies. Using BALB/c and C57BL/6 mice, we demonstrated that genetic factors play a role in determining susceptibility and resistance, as well as in establishing the allergen concentration needed to induce or to block disease development.

Equivalent Neurogenic Potential of Wild-Type and GFP-Labeled Fetal-Derived Neural Progenitor Cells Before and After Transplantation Into the Rodent Hippocampus

Introduction. The hippocampal formation is a specific structure in the brain where neurogenesis occurs throughout adulthood and in which the neuronal cell loss causes various demential states. The main goal of this study was to verify whether fetal neural progenitor cells (NPCs) from transgenic rats expressing green fluorescent protein (GFP) retain the ability to differentiate into neuronal cells and to integrate into the hippocampal circuitry after transplantation. Methods. NPCs were isolated from E14 (gestational age: 14 days postconception) transgenic-Lewis and wild-type Sprague-Dawley rat embryos. Wild-type and transgenic cells were expanded and induced to differentiate into a neuronal lineage in vitro. Immunocytochemical and electrophysiological analysis were performed in both groups. GFP-expressing cells were implanted into the hippocampus and recorded electrophysiologically 3 months thereafter. Immunohistochemical analysis confirmed neuronal differentiation, and the yield of neuronal cells was determined stereologically. Results. NPCs derived from wild-type and transgenic animals are similar regarding their ability to generate neuronal cells in vitro. Neuronal maturity was confirmed by immunocytochemistry and electrophysiology, with demonstration of voltage-gated ionic currents, firing activity, and spontaneous synaptic currents. GFP-NPCs were also able to differentiate into mature neurons after implantation into the hippocampus, where they formed functional synaptic contacts. Conclusions. GFP-transgenic cells represent an important tool in transplantation studies. Herein, we demonstrate their ability to generate functional neurons both in vitro and in vivo conditions. Neurons derived from fetal NPCs were able to integrate into the normal hippocampal circuitry. The high yield of mature neurons generated render these cells important candidates for restorative approaches based on cell therapy.

Genetic association and cellular function of MC1R variant alleles in human pigmentation

We have examined MC1R variant allele frequencies in the general population of South East Queensland and in a collection of adolescent dizygotic and monozygotic twins and family members to define statistical associations with hair and skin color, freckling, and mole count. Results of these studies are consistent with a linear recessive allelic model with multiplicative penetrance in the inheritance of red hair. Four alleles, D84E, R151C, R160W, and D294H, are strongly associated with red hair and fair skin with multinomial regression analysis showing odds ratios of 63, 118, 50, and 94, respectively. An additional three low-penetrance alleles V60L, V92M, and R163Q have odds ratios 6, 5, and 2 relative to the wild-type allele. To address the cellular effects of MC1R variant alleles in signal transduction, we expressed these receptors in permanently transfected HEK293 cells. Measurement of receptor activity via induction of a cAMP-responsive luciferase reporter gene found that the R151C and R160W receptors were active in the presence of NDP-MSH ligand, but at much reduced levels compared with that seen with the wild-type receptor. The ability to stimulate phosphorylation of the cAMP response element binding protein (CREB) transcription factor was also apparent in all stimulated MC1R variant allele-expressing HEK293 cell extracts as assessed by immunoblotting. In contrast, human melanoma cell lines showed wide variation in the their ability to undergo cAMP-mediated CREB phosphorylation. Culture of human melanocytes of known MC1R genotype may provide the best experimental approach to examine the functional consequences for each MC1R variant allele. With this objective, we have established more than 300 melanocyte cell strains of defined MC1R genotype.

Understanding the genetic diversity, spatial genetic structure and mating system at the hierarchical levels of fruits and individuals of a continuous Theobroma cacao population from the Brazilian Amazon

Understanding the mating patterns of populations of tree species is a key component of ex situ genetic conservation. In this study, we analysed the genetic diversity, spatial genetic structure (SGS) and mating system at the hierarchical levels of fruits and individuals as well as pollen dispersal patterns in a continuous population of Theobroma cacao in Para State, Brazil. A total of 156 individuals in a 0.56 ha plot were mapped and genotyped for nine microsatellite loci. For the mating system analyses, 50 seeds were collected from nine seed trees by sampling five fruits per tree (10 seeds per fruit). Among the 156 individuals, 127 had unique multilocus genotypes, and the remaining were clones. The population was spatially aggregated; it demonstrated a significant SGS up to 15m that could be attributed primarily to the presence of clones. However, the short seed dispersal distance also contributed to this pattern. Population matings occurred mainly via outcrossing, but selfing was observed in some seed trees, which indicated the presence of individual variation for self-incompatibility. The matings were also correlated, especially within ((r) over cap (p(m)) = 0.607) rather than among the fruits ((r) over cap (p(m)) = 0.099), which suggested that a small number of pollen donors fertilised each fruit. The paternity analysis suggested a high proportion of pollen migration (61.3%), although within the plot, most of the pollen dispersal encompassed short distances (28m). The determination of these novel parameters provides the fundamental information required to establish long-term ex situ conservation strategies for this important tropical species. Heredity (2011) 106, 973-985; doi:10.1038/hdy.2010.145; published online 8 December 2010

HLA-DRB1*allele-associated genetic susceptibility and protection against multiple sclerosis in Brazilian patients

Multiple sclerosis (MS) is a chronic autoimmune demyelinating disease of the central nervous system that causes neurological disorders in young adults. Previous studies in various populations highlighted an association between the HLA-DRB1*1.5 allele and MS. This study investigated the association between HLA-DRB1*15 and other HLA-DRB1 alleles and MS in a Brazilian Caucasian population sample from Londrina, Southern Brazil. HLA-DRB1 alleles were analyzed by polymerase chain reaction with specific sequence oligonucleotide primers in 119 MS patients and in 305 healthy blood donors as a control. Among the MS patients, 89 (75.0%) presented with relapsing remitting MS, 24 (20.0%) with secondary progressive MS and 6 (5.0%) with primary progressive MS. The frequency of the HLA-DRB1*15 allele observed in the MS Brazilian patients was similar to findings reported in previous studies carried out in populations worldwide. However, the results showed a higher frequency of the HLA-DRB1*15 allele in the MS patients compared to the controls, with a relative frequency of 0.1050 (10.50%) and 0.0443 (4.4%), respectively (OR=2.53; 95% CI 1.43-4.46; p=0.0009). A protector allele was also detected. The frequency of the HLA-DRB1*11 allele was reduced in the MS patients compared to the controls, with a relative frequency of 0.1345 (13.4%) and 0.1869 (18.7%), respectively (OR=0.67; 95% CI 0.44-1.03; p=0.0692). The results demonstrated that the HLA-DRB1*15 allele in heterozygosity is positively associated with MS (p=0.0079), and may be considered a genetic marker of susceptibility to the disease. A negative association between the HLA-DRB1*11 allele in homozygosity and MS was also verified (p=0.0418); this allele may be considered a genetic marker of resistance to MS in the Brazilian population.

Supervisory control of wastewater treatment plants by combining principal component analysis and fuzzy c-means clustering

In this paper a methodology for integrated multivariate monitoring and control of biological wastewater treatment plants during extreme events is presented. To monitor the process, on-line dynamic principal component analysis (PCA) is performed on the process data to extract the principal components that represent the underlying mechanisms of the process. Fuzzy c-means (FCM) clustering is used to classify the operational state. Performing clustering on scores from PCA solves computational problems as well as increases robustness due to noise attenuation. The class-membership information from FCM is used to derive adequate control set points for the local control loops. The methodology is illustrated by a simulation study of a biological wastewater treatment plant, on which disturbances of various types are imposed. The results show that the methodology can be used to determine and co-ordinate control actions in order to shift the control objective and improve the effluent quality.

Future contributions of crop modelling - from heuristics and supporting decision making to understanding genetic regulation and aiding crop improvement

Crop modelling has evolved over the last 30 or so years in concert with advances in crop physiology, crop ecology and computing technology. Having reached a respectable degree of acceptance, it is appropriate to review briefly the course of developments in crop modelling and to project what might be major contributions of crop modelling in the future. Two major opportunities are envisioned for increased modelling activity in the future. One opportunity is in a continuing central, heuristic role to support scientific investigation, to facilitate decision making by crop managers, and to aid in education. Heuristic activities will also extend to the broader system-level issues of environmental and ecological aspects of crop production. The second opportunity is projected as a prime contributor in understanding and advancing the genetic regulation of plant performance and plant improvement. Physiological dissection and modelling of traits provides an avenue by which crop modelling could contribute to enhancing integration of molecular genetic technologies in crop improvement. Crown Copyright (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Special twin environments, genetic influences and their effects on the handedness of twins and their siblings

It has been suggested that twinning may influence handedness through the effects of birth order, intra-uterine crowding and mirror imaging. The influence of these effects on handedness (for writing and throwing) was examined in 3657 Monozygotic (MZ) and 3762 Dizygotic (DZ) twin pairs (born 1893-1992). Maximum likelihood analyses revealed no effects of birth order on the incidence of left-handedness. Twins were no more likely to be left-handed than their singleton siblings (n = 1757), and there were no differences between the DZ co-twin and sibling-twin covariances, suggesting that neither intra-uterine crowding nor the experience of being a twin affects handedness. There was no evidence of mirror imaging; the co-twin correlations of monochorionic and dichorionic MZ twins did not differ. Univariate genetic analyses revealed common environmental factors to be the most parsimonious explanation of familial aggregation for the writing-hand measure, while additive genetic influences provided a better interpretation of the throwing hand data.

Application of neural networks for pavement evaluation

As vias de comunicação são indispensáveis para o desenvolvimento de uma nação, económica e socialmente. Num mundo globalizado, onde tudo deve chegar ao seu destino no menor espaço de tempo, as vias de comunicação assumem um papel vital. Assim, torna-se essencial construir e manter uma rede de transportes eficiente. Apesar de não ser o método mais eficiente, o transporte rodoviário é muitas vezes o mais económico e possibilita o transporte porta-a-porta, sendo em muitos casos o único meio de transporte possível. Por estas razões, o modo rodoviário tem uma quota significativa no mercado dos transportes, seja de passageiros ou mercadorias, tornando-o extremamente importante na rede de transportes de um país. Os países europeus fizeram um grande investimento na criação de extensas redes de estradas, cobrindo quase todo o seu território. Neste momento, começa-se a atingir o ponto onde a principal preocu+ação das entidades gestoras de estradas deixa de ser a construção de novas vias, passando a focar-se na necessidade de manutenção e conservação das vias existentes. Os pavimentos rodoviários, como todas as outras construções, requerem manutenção de forma a garantir bons níveis de serviço com qualidade, conforto e segurança. Devido aos custos inerentes às operações de manutenção de pavimentos, estas devem rigorosamente e com base em critérios científicos bem definidos. Assim, pretende-se evitar intervenções desnecessárias, mas também impedir que os danos se tornem irreparáveis e economicamente prejudiciais, com repercussões na segurança dos utilizadores. Para se estimar a vida útil de um pavimento é essencial realizar primeiro a caracterização estrutural do mesmo. Para isso, torna-se necessário conhecer o tipo de estrutura de um pavimento, nomeadamente a espessura e o módulo de elasticidade constituintes. A utilização de métodos de ensaio não destrutivos é cada vez mais reconhecida como uma forma eficaz para obter informações sobre o comportamento estrutural de pavimentos. Para efectuar estes ensaios, existem vários equipamentos. No entanto, dois deles, o Deflectómetro de Impacto e o Radar de Prospecção, têm demonstrado ser particularmente eficientes para avaliação da capacidade de carga de um pavimento, sendo estes equipamentos utilizados no âmbito deste estudo. Assim, para realização de ensaios de carga em pavimentos, o equipamento Deflectómetro de Impacto tem sido utilizado com sucesso para medir as deflexões à superfície de um pavimento em pontos pré-determinados quando sujeito a uma carga normalizada de forma a simular o efeito da passagem da roda de um camião. Complementarmente, para a obtenção de informações contínuas sobre a estrutura de um pavimento, o equipamento Radar de Prospecção permite conhecer o número de camadas e as suas espessuras através da utilização de ondas electromagnéticas. Os dados proporcionam, quando usados em conjunto com a realização de sondagens à rotação e poços em alguns locais, permitem uma caracterização mais precisa da condição estrutural de um pavimento e o estabelecimento de modelos de resposta, no caso de pavimentos existentes. Por outro lado, o processamento dos dados obtidos durante os ensaios “in situ” revela-se uma tarefa morosa e complexa. Actualmente, utilizando as espessuras das camadas do pavimento, os módulos de elasticidade das camadas são calculados através da “retro-análise” da bacia de deflexões medida nos ensaios de carga. Este método é iterativo, sendo que um engenheiro experiente testa várias estruturas diferentes de pavimento, até se obter uma estrutura cuja resposta seja o mais próximo possível da obtida durante os ensaios “in Situ”. Esta tarefa revela-se muito dependente da experiência do engenheiro, uma vez que as estruturas de pavimento a serem testadas maioritariamente do seu raciocínio. Outra desvantagem deste método é o facto de apresentar soluções múltiplas, dado que diferentes estruturas podem apresentar modelos de resposta iguais. A solução aceite é, muitas vezes, a que se julga mais provável, baseando-se novamente no raciocínio e experiência do engenheiro. A solução para o problema da enorme quantidade de dados a processar e das múltiplas soluções possíveis poderá ser a utilização de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para auxiliar esta tarefa. As redes neuronais são elementos computacionais virtuais, cujo funcionamento é inspirado na forma como os sistemas nervosos biológicos, como o cérebro, processam a informação. Estes elementos são compostos por uma série de camadas, que por sua vez são compostas por neurónios. Durante a transmissão da informação entre neurónios, esta é modificada pela aplicação de um coeficiente, denominado “peso”. As redes neuronais apresentam uma habilidade muito útil, uma vez que são capazes de mapear uma função sem conhecer a sua fórmula matemática. Esta habilidade é utilizada em vários campos científicos como o reconhecimento de padrões, classificação ou compactação de dados. De forma a possibilitar o uso desta característica, a rede deverá ser devidamente “treinada” antes, processo realizado através da introdução de dois conjuntos de dados: os valores de entrada e os valores de saída pretendidos. Através de um processo cíclico de propagação da informação através das ligações entre neurónios, as redes ajustam-se gradualmente, apresentando melhores resultados. Apesar de existirem vários tipos de redes, as que aparentam ser as mais aptas para esta tarefa são as redes de retro-propagação. Estas possuem uma característica importante, nomeadamente o treino denominado “treino supervisionado”. Devido a este método de treino, as redes funcionam dentro da gama de variação dos dados fornecidos para o “treino” e, consequentemente, os resultados calculados também se encontram dentro da mesma gama, impedindo o aparecimento de soluções matemáticas com impossibilidade prática. De forma a tornar esta tarefa ainda mais simples, foi desenvolvido um programa de computador, NNPav, utilizando as RNA como parte integrante do seu processo de cálculo. O objectivo é tornar o processo de “retro-análise” totalmente automático e prevenir erros induzidos pela falta de experiência do utilizador. De forma a expandir ainda mais as funcionalidades do programa, foi implementado um processo de cálculo que realiza uma estimativa da capacidade de carga e da vida útil restante do pavimento, recorrendo a dois critérios de ruína. Estes critérios são normalmente utilizados no dimensionamento de pavimentos, de forma a prevenir o fendilhamento por fadiga e as deformações permanentes. Desta forma, o programa criado permite a estimativa da vida útil restante de um pavimento de forma eficiente, directamente a partir das deflexões e espessuras das camadas, medidas nos ensaios “in situ”. Todos os passos da caracterização estrutural do pavimento são efectuados pelo NNPav, seja recorrendo à utilização de redes neuronais ou a processos de cálculo matemático, incluindo a correcção do módulo de elasticidade da camada de misturas betuminosas para a temperatura de projecto e considerando as características de tráfego e taxas de crescimento do mesmo. Os testes efectuados às redes neuronais revelaram que foram alcançados resultados satisfatórios. Os níveis de erros na utilização de redes neuronais são semelhantes aos obtidos usando modelos de camadas linear-elásticas, excepto para o cálculo da vida útil com base num dos critérios, onde os erros obtidos foram mais altos. No entanto, este processo revela-se bastante mais rápido e possibilita o processamento dos dados por pessoal com menos experiência. Ao mesmo tempo, foi assegurado que nos ficheiros de resultados é possível analisar todos os dados calculados pelo programa, em várias fases de processamento de forma a permitir a análise detalhada dos mesmos. A possibilidade de estimar a capacidade de carga e a vida útil restante de um pavimento, contempladas no programa desenvolvido, representam também ferramentas importantes. Basicamente, o NNPav permite uma análise estrutural completa de um pavimento, estimando a sua vida útil com base nos ensaios de campo realizados pelo Deflectómetro de Impacto e pelo Radar de Prospecção, num único passo. Complementarmente, foi ainda desenvolvido e implementado no NNPav um módulo destinado ao dimensionamento de pavimentos novos. Este módulo permite que, dado um conjunto de estruturas de pavimento possíveis, seja estimada a capacidade de carga e a vida útil daquele pavimento. Este facto permite a análise de uma grande quantidade de estruturas de pavimento, e a fácil comparação dos resultados no ficheiro exportado. Apesar dos resultados obtidos neste trabalho serem bastante satisfatórios, os desenvolvimentos futuros na aplicação de Redes Neuronais na avaliação de pavimentos são ainda mais promissores. Uma vez que este trabalho foi limitado a uma moldura temporal inerente a um trabalho académico, a possibilidade de melhorar ainda mais a resposta das RNA fica em aberto. Apesar dos vários testes realizados às redes, de forma a obter as arquitecturas que apresentassem melhores resultados, as arquitecturas possíveis são virtualmente ilimitadas e pode ser uma área a aprofundar. As funcionalidades implementadas no programa foram as possíveis, dentro da moldura temporal referida, mas existem muitas funcionalidades a serem adicinadas ou expandidas, aumentando a funcionalidade do programa e a sua produtividade. Uma vez que esta é uma ferramenta que pode ser aplicada ao nível de gestão de redes rodoviárias, seria necessário estudar e desenvolver redes similares de forma a avaliar outros tipos de estruturas de pavimentos. Como conclusão final, apesar dos vários aspectos que podem, e devem ser melhorados, o programa desenvolvido provou ser uma ferramenta bastante útil e eficiente na avaliação estrutural de pavimentos com base em métodos de ensaio não destrutivos.

Modern cancer epidemiological research: genetic polymorphisms and environment

Individual cancer susceptibility seems to be related to factors such as changes in oncogenes and tumor suppressor genes expression, and differences in the action of metabolic enzymes and DNA repair regulated by specific genes. Epidemiological studies on genetic polymorphisms of human xenobiotics metabolizing enzymes and cancer have revealed low relative risks. Research considering genetic polymorphisms prevalence jointly with environmental exposures could be relevant for a better understanding of cancer etiology and the mechanisms of carcinogenesis and also for new insights on cancer prognosis. This study reviews the approaches of molecular epidemiology in cancer research, stressing case-control and cohort designs involving genetic polymorphisms, and factors that could introduce bias and confounding in these studies. Similarly to classical epidemiological research, genetic polymorphisms requires considering aspects of precision and accuracy in the study design.

Algoritmo neurogenético com vistas para o planejamento de rotas de robôs móveis autônomos

Pós-graduação em Ciência da Computação - IBILCE

A framework for programming sensor networks with scheduling and resource-sharing optimizations

Several projects in the recent past have aimed at promoting Wireless Sensor Networks as an infrastructure technology, where several independent users can submit applications that execute concurrently across the network. Concurrent multiple applications cause significant energy-usage overhead on sensor nodes, that cannot be eliminated by traditional schemes optimized for single-application scenarios. In this paper, we outline two main optimization techniques for reducing power consumption across applications. First, we describe a compiler based approach that identifies redundant sensing requests across applications and eliminates those. Second, we cluster the radio transmissions together by concatenating packets from independent applications based on Rate-Harmonized Scheduling.

Control of baker’s yeast fermentation: PID and fuzzy algorithms

A MATLAB/SIMULINK-based simulator was employed for studies concerning the control of baker’s yeast fed-batch fermentation. Four control algorithms were implemented and compared: the classical PID control, two discrete versions- modified velocity and position algorithms, and a fuzzy law. The simulation package was seen to be an efficient tool for the simulation and tests of control strategies of the nonlinear process.