Toward One Health: are public health stakeholders aware of the field of animal health?

Motivated by the perception that human and veterinary medicines can cooperate in more ways than just fighting zoonoses, the authors organized a roundtable during the 2013 annual meeting of the International Society for Disease Surveillance (ISDS). Collaborations between human and animal health sectors were reported to often rise in response to zoonotic outbreaks (during crisis time) and be mainly based on personal networks. Ways to maintain and strengthen these links were discussed.

Mining free-text medical records for companion animal enteric syndrome surveillance.

Large amounts of animal health care data are present in veterinary electronic medical records (EMR) and they present an opportunity for companion animal disease surveillance. Veterinary patient records are largely in free-text without clinical coding or fixed vocabulary. Text-mining, a computer and information technology application, is needed to identify cases of interest and to add structure to the otherwise unstructured data. In this study EMR's were extracted from veterinary management programs of 12 participating veterinary practices and stored in a data warehouse. Using commercially available text-mining software (WordStat™), we developed a categorization dictionary that could be used to automatically classify and extract enteric syndrome cases from the warehoused electronic medical records. The diagnostic accuracy of the text-miner for retrieving cases of enteric syndrome was measured against human reviewers who independently categorized a random sample of 2500 cases as enteric syndrome positive or negative. Compared to the reviewers, the text-miner retrieved cases with enteric signs with a sensitivity of 87.6% (95%CI, 80.4-92.9%) and a specificity of 99.3% (95%CI, 98.9-99.6%). Automatic and accurate detection of enteric syndrome cases provides an opportunity for community surveillance of enteric pathogens in companion animals.

Determination of respiratory gas flow by electrical impedance tomography in an animal model of mechanical ventilation

Background A recent method determines regional gas flow of the lung by electrical impedance tomography (EIT). The aim of this study is to show the applicability of this method in a porcine model of mechanical ventilation in healthy and diseased lungs. Our primary hypothesis is that global gas flow measured by EIT can be correlated with spirometry. Our secondary hypothesis is that regional analysis of respiratory gas flow delivers physiologically meaningful results. Methods In two sets of experiments n = 7 healthy pigs and n = 6 pigs before and after induction of lavage lung injury were investigated. EIT of the lung and spirometry were registered synchronously during ongoing mechanical ventilation. In-vivo aeration of the lung was analysed in four regions-of-interest (ROI) by EIT: 1) global, 2) ventral (non-dependent), 3) middle and 4) dorsal (dependent) ROI. Respiratory gas flow was calculated by the first derivative of the regional aeration curve. Four phases of the respiratory cycle were discriminated. They delivered peak and late inspiratory and expiratory gas flow (PIF, LIF, PEF, LEF) characterizing early or late inspiration or expiration. Results Linear regression analysis of EIT and spirometry in healthy pigs revealed a very good correlation measuring peak flow and a good correlation detecting late flow. PIFEIT = 0.702 · PIFspiro + 117.4, r2 = 0.809; PEFEIT = 0.690 · PEFspiro-124.2, r2 = 0.760; LIFEIT = 0.909 · LIFspiro + 27.32, r2 = 0.572 and LEFEIT = 0.858 · LEFspiro-10.94, r2 = 0.647. EIT derived absolute gas flow was generally smaller than data from spirometry. Regional gas flow was distributed heterogeneously during different phases of the respiratory cycle. But, the regional distribution of gas flow stayed stable during different ventilator settings. Moderate lung injury changed the regional pattern of gas flow. Conclusions We conclude that the presented method is able to determine global respiratory gas flow of the lung in different phases of the respiratory cycle. Additionally, it delivers meaningful insight into regional pulmonary characteristics, i.e. the regional ability of the lung to take up and to release air.

Estima de la composición corporal en conejos de 25 a 77 días de edad mediante la técnica de impedancia bioeléctrica (BIA).

El objetivo de este trabajo fue determinar y validar con datos independientes las ecuaciones de predicción obtenidas para estimar in vivo la composición corporal de conejos en crecimiento utilizando la técnica de impedancia bioeléctrica (BIA). Las ecuaciones se calcularon mediante un análisis de regresión múltiple a partir de las medidas de impedancia presentadas en el trabajo anterior (Saiz et al., 2011) y de otras variables independientes que fueron incluidas en el modelo, tras hacer un análisis de selección de variables, como la edad, el peso y la longitud del animal. Los coeficientes de determinación (R2) de las ecuaciones para estimar la humedad (g), la proteína (g), la grasa (g), las cenizas (g) y la energía (MJ) fueron: 0,99, 0,99, 0,97, 0,98 y 0,99, y los errores medios de predicción relativos (EMPR): 2,24, 5,99, 16,3, 8,56 y 7,81%, respectivamente. El R2 y EMPR para estimar el porcentaje de humedad corporal fueron de 0,85 y 1,98%, respectivamente. Para predecir los contenidos, expresados sobre materia seca (MS), de proteína (%), grasa (%), cenizas (%) y energía (kJ/100g), el R2 obtenido fue 0,79, 0,83, 0,71 y 0,86, respectivamente y el EMPR 4,78, 12,2, 8,39 y 3,26%, respectivamente. La reactancia estuvo negativamente correlacionada con el contenido en humedad, cenizas y proteína bruta (r=-0,32, Pmenor que0,0001; r=-0,20, Pmenor que0,05; r=-0,26, Pmenor que0,01) pero positivamente con el de grasa y energía (r=0,23 y r=0,24; Pmenor que0,01). Al contrario ocurrió con la resistencia, que estuvo positivamente correlacionada con el contenido en humedad, cenizas y proteína bruta (r=0,31, Pmenor que0,001; r=0,28, Pmenor que0,001; r=0,37, Pmenor que0,0001) pero negativamente con el de grasa y energía (r=-0,36 y r=-0,35; Pmenor que0,0001). Así mismo, la edad del animal, estuvo negativamente correlacionada con el contenido en humedad, proteína y cenizas (r=-0,79, r=-0,67 y r=-0,80; Pmenor que0,0001) y positivamente con la grasa y energía (r=0,78 y r=0,81; Pmenor que0,0001). Se puede considerar la técnica BIA como una técnica útil para estimar in vivo la composición corporal de los conejos en crecimiento de 25 a 77 días de edad.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Análisis de micromovilidad en vástagos femorales mediante ensayo dinámico de oscilaciones libres

La artroplastia de cadera se considera uno de los mayores avances quirúrgicos de la Medicina. La aplicación de esta técnica de Traumatología se ha incrementado notablemente en los últimos anos, a causa principalmente del progresivo incremento de la esperanza de vida. En efecto, con la edad aumentan los problemas de artrosis y osteoporosis, enfermedades típicas de las articulaciones y de los huesos que requieren en muchos casos la sustitución protésica total o parcial de la articulación. El buen comportamiento funcional de una prótesis depende en gran medida de la estabilidad primaria, es decir, el correcto anclaje de la prótesis en el momento de su implantación. Las prótesis no cementadas basan su éxito a largo plazo en la osteointegración que tiene lugar entre el material protésico y el tejido óseo, y para lograrla es imprescindible conseguir unas buenas condiciones de estabilidad primaria. El aflojamiento aséptico es la principal causa de fallo de artroplastia total de cadera. Este es un fenómeno en el que, debido a complejas interacciones de factores mecánicos y biológicos, se producen movimientos relativos que comprometen la funcionalidad del implante. La minimización de los correspondientes danos depende en gran medida de la detección precoz del aflojamiento. Para lograr la detección temprana del aflojamiento aséptico del vástago femoral se han ensayado diferentes técnicas, tanto in vivo como in vitro: análisis numéricos y técnicas experimentales basadas en sensores de movimientos provocados por cargas transmitidas natural o artificialmente, tales como impactos o vibraciones de distintas frecuencias. Los montajes y procedimientos aplicados son heterogéneos y, en muchas ocasiones, complejos y costosos, no existiendo acuerdo sobre una técnica simple y eficaz de aplicación general. Asimismo, en la normativa vigente que regula las condiciones que debe cumplir una prótesis previamente a su comercialización, no hay ningún apartado referido específicamente a la evaluación de la bondad del diseño del vástago femoral con respecto a la estabilidad primaria. El objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología para el análisis, in vitro, de la estabilidad de un vástago femoral implantado, a fin de poder evaluar las técnicas de implantación y los diferentes diseños de prótesis previamente a su oferta en el mercado. Además se plantea como requisito fundamental que el método desarrollado sea sencillo, reversible, repetible, no destructivo, con control riguroso de parámetros (condiciones de contorno de cargas y desplazamientos) y con un sistema de registro e interpretación de resultados rápido, fiable y asequible. Como paso previo, se ha realizado un análisis cualitativo del problema de contacto en la interfaz hueso-vástago aplicando una técnica optomecánica del campo continuo (fotoelasticidad). Para ello se han fabricado tres modelos en 2D del conjunto hueso-vástago, simulando tres tipos de contactos en la interfaz: contacto sin adherencia y con holgura, contacto sin adherencia y sin holgura, y contacto con adherencia y homogéneo. Aplicando la misma carga a cada modelo, y empleando la técnica de congelación de tensiones, se han visualizado los correspondientes estados tensionales, siendo estos más severos en el modelo de unión sin adherencia, como cabía esperar. En todo caso, los resultados son ilustrativos de la complejidad del problema de contacto y confirman la conveniencia y necesidad de la vía experimental para el estudio del problema. Seguidamente se ha planteado un ensayo dinámico de oscilaciones libres con instrumentación de sensores resistivos tipo galga extensométrica. Las muestras de ensayo han sido huesos fémur en todas sus posibles variantes: modelos simplificados, hueso sintético normalizado y hueso de cadáver, seco y fresco. Se ha diseñado un sistema de empotramiento del extremo distal de la muestra (fémur) con control riguroso de las condiciones de anclaje. La oscilación libre de la muestra se ha obtenido mediante la liberación instantánea de una carga estética determinada y aplicada previamente, bien con una maquina de ensayo o bien por gravedad. Cada muestra se ha instrumentado con galgas extensométricas convencionales cuya señal se ha registrado con un equipo dinámico comercial. Se ha aplicado un procedimiento de tratamiento de señal para acotar, filtrar y presentar las respuestas de los sensores en el dominio del tiempo y de la frecuencia. La interpretación de resultados es de tipo comparativo: se aplica el ensayo a una muestra de fémur Intacto que se toma de referencia, y a continuación se repite el ensayo sobre la misma muestra con una prótesis implantada; la comparación de resultados permite establecer conclusiones inmediatas sobre los efectos de la implantación de la prótesis. La implantación ha sido realizada por un cirujano traumatólogo utilizando las mismas técnicas e instrumental empleadas en el quirófano durante la práctica clínica real, y se ha trabajado con tres vástagos femorales comerciales. Con los resultados en el dominio del tiempo y de la frecuencia de las distintas aplicaciones se han establecido conclusiones sobre los siguientes aspectos: Viabilidad de los distintos tipos de muestras sintéticas: modelos simplificados y fémur sintético normalizado. Repetibilidad, linealidad y reversibilidad del ensayo. Congruencia de resultados con los valores teóricos deducidos de la teoría de oscilaciones libres de barras. Efectos de la implantación de tallos femorales en la amplitud de las oscilaciones, amortiguamiento y frecuencias de oscilación. Detección de armónicos asociados a la micromovilidad. La metodología se ha demostrado apta para ser incorporada a la normativa de prótesis, es de aplicación universal y abre vías para el análisis de la detección y caracterización de la micromovilidad de una prótesis frente a las cargas de servicio. ABSTRACT Total hip arthroplasty is considered as one of the greatest surgical advances in medicine. The application of this technique on Traumatology has increased significantly in recent years, mainly due to the progressive increase in life expectancy. In fact, advanced age increases osteoarthritis and osteoporosis problems, which are typical diseases of joints and bones, and in many cases require full or partial prosthetic replacement on the joint. Right functional behavior of prosthesis is highly dependent on the primary stability; this means it depends on the correct anchoring of the prosthesis at the time of implantation. Uncemented prosthesis base their long-term success on the quality of osseointegration that takes place between the prosthetic material and bone tissue, and to achieve this good primary stability conditions is mandatory. Aseptic loosening is the main cause of failure in total hip arthroplasty. This is a phenomenon in which relative movements occur, due to complex interactions of mechanical and biological factors, and these micromovements put the implant functionality at risk. To minimize possible damage, it greatly depends on the early detection of loosening. For this purpose, various techniques have been tested both in vivo and in vitro: numerical analysis and experimental techniques based on sensors for movements caused by naturally or artificially transmitted loads, such as impacts or vibrations at different frequencies. The assemblies and methods applied are heterogeneous and, in many cases, they are complex and expensive, with no agreement on the use of a simple and effective technique for general purposes. Likewise, in current regulations for governing the conditions to be fulfilled by the prosthesis before going to market, there is no specific section related to the evaluation of the femoral stem design in relation to primary stability. The aim of this thesis is to develop a in vitro methodology for analyzing the stability of an implanted femoral stem, in order to assess the implantation techniques and the different prosthesis designs prior to its offer in the market. We also propose as a fundamental requirement that the developed testing method should be simple, reversible, repeatable, non-destructive, with close monitoring of parameters (boundary conditions of loads and displacements) and with the availability of a register system to record and interpret results in a fast, reliable and affordable manner. As a preliminary step, we have performed a qualitative analysis of the contact problems in the bone-stem interface, through the application of a continuous field optomechanical technique (photoelasticity). For this proposal three 2D models of bone–stem set, has been built simulating three interface contact types: loosened an unbounded contact, unbounded and fixed contact, and bounded homogeneous contact. By means of applying the same load to each model, and using the stress freezing technique, it has displayed the corresponding stress states, being more severe as expected, in the unbounded union model. In any case, the results clearly show the complexity of the interface contact problem, and they confirm the need for experimental studies about this problem. Afterward a free oscillation dynamic test has been done using resistive strain gauge sensors. Test samples have been femur bones in all possible variants: simplified models, standardized synthetic bone, and dry and cool cadaveric bones. An embedding system at the distal end of the sample with strong control of the anchoring conditions has been designed. The free oscillation of the sample has been obtained by the instantaneous release of a static load, which was previously determined and applied to the sample through a testing machine or using the gravity force. Each sample was equipped with conventional strain gauges whose signal is registered with a marketed dynamic equipment. Then, it has applied a signal processing procedure to delimit, filter and present the time and frequency response signals from the sensors. Results are interpreted by comparing different trials: the test is applied to an intact femur sample which is taken as a reference, and then this test is repeated over the same sample with an implanted prosthesis. From comparison between results, immediate conclusions about the effects of the implantation of the prosthesis can be obtained. It must be said that the implementation has been made by an expert orthopedic surgeon using the same techniques and instruments as those used in clinical surgery. He has worked with three commercial femoral stems. From the results obtained in the time and frequency domains for the different applications the following conclusions have been established: Feasibility of the different types of synthetic samples: simplified models and standardized synthetic femur. Repeatability, linearity and reversibility of the testing method. Consistency of results with theoretical values deduced from the bars free oscillations theory. Effects of introduction of femoral stems in the amplitude, damping and frequencies of oscillations Detection of micromobility associated harmonics. This methodology has been proved suitable to be included in the standardization process of arthroplasty prosthesis, it is universally applicable and it allows establishing new methods for the analysis, detection and characterization of prosthesis micromobility due to functional loads.

Chaperonas moleculares y tolerancia a estrés abiótico en especies arbóreas

Las temperaturas extremas, la sequía y otros estreses abióticos limitan la producción forestal de forma significativa, causando grandes pérdidas económicas en el sector. Los árboles, al ser organismos sésiles, han desarrollado una serie de estrategias para percibir dichos factores, activando respuestas defensivas apropiadas. Entre ellas ocupa un lugar preeminente la síntesis de proteínas con actividad chaperona molecular. Las chaperonas moleculares interaccionan con proteínas desnaturalizadas total o parcialmente, promoviendo su correcto plegamiento y ensamblaje. Las chaperonas moleculares que se sintetizan de forma predominante en plantas, pero no en otros eucariotas, pertenecen a la familia sHSP (small heat-shock proteins). Se trata de una familia inusualmente compleja y heterogénea, cuyos miembros son de pequeño tamaño (16-42 kD) y poseen un dominio “alfa-cristalina” muy conservado. Estas proteínas están implicadas en protección frente a estrés abiótico mediante la estabilización de proteínas y membranas, si bien su mecanismo de acción se conoce de forma incompleta. A pesar del evidente potencial aplicado de las proteínas sHSP, son muy escasos los estudios realizados hasta el momento con un enfoque netamente biotecnológico. Por otra parte, casi todos ellos se han llevado a cabo en especies herbáceas de interés agronómico o en especies modelo, como Arabidopsis thaliana. De ahí que las sHSP de arbóreas hayan sido mucho menos caracterizadas estructural y funcionalmente, y ello a pesar del interés económico y ecológico de los árboles y de su prolongada exposición vital a múltiples factores estresantes. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de sHSP de varias especies arbóreas de interés económico. El escrutinio exhaustivo de genotecas de cDNA de órganos vegetativos nos ha permitido identificar y caracterizar los componentes mayoritarios de tallo en dos especies productoras de madera noble: nogal y cerezo. También hemos caracterizado la familia completa en chopo, a partir de su secuencia genómica completa. Mediante expresión heteróloga en bacterias, hemos analizado el efecto protector de estas proteínas in vivo frente a distintos tipos de estrés abiótico, relevantes para el sector productivo. Los resultados demuestran que las proteínas sHSP-CI: (i) aumentan la viabilidad celular de E.coli frente a casi todos estos factores, aplicados de forma individual o combinada; (ii) ejercen un rol estabilizador de las membranas celulares frente a condiciones adversas; (iii) sirven para mejorar la producción de otras proteínas recombinantes de interés comercial. El efecto protector de las proteínas sHSP-CI también ha sido analizado in planta, mediante la expresión ectópica de CsHSP17.5-CI en chopos. En condiciones normales de crecimiento no se han observado diferencias fenotípicas entre las líneas transgénicas y los controles, lo que demuestra que se pueden sobre-expresar estas proteínas sin efectos pleiotrópicos deletéreos. En condiciones de estrés térmico, por el contrario, los chopos transgénicos mostraron menos daños y un mejor crecimiento neto. En línea con lo anterior, las actividades biológicas de varias enzimas resultaron más protegidas frente a la inactivación por calor, corroborando la actividad chaperona propuesta para la familia sHSP y su conexión con la tolerancia al estrés abiótico. En lo que respecta a la multiplicación y propagación de chopo in vitro, una forma de cultivo que comporta estrés para las plantas, todas las líneas transgénicas se comportaron mejor que los controles en términos de producción de biomasa (callos) y regeneración de brotes, incluso en ausencia de estrés térmico. También se comportaron mejor durante su cultivo ex vitro. Estos resultados tienen gran potencial aplicado, dada la recalcitrancia de muchas especies vegetales de interés económico a la micropropagación y a la manipulación in vitro en general. Los resultados derivados de esta Tesis, aparte de aportar datos nuevos sobre el efecto protector de las proteínas sHSP citosólicas mayoritarias (clase CI), demuestran por vez primera que la termotolerancia de los árboles puede ser manipulada racionalmente, incrementando los niveles de sHSP mediante técnicas de ingeniería genética. Su interés aplicado es evidente, especialmente en un escenario de calentamiento global. ABSTRACT Abiotic stress produces considerable economic losses in the forest sector, with extreme temperature and drought being amongst the most relevant factors. As sessile organisms, plants have acquired molecular strategies to detect and recognize stressful factors and activate appropriate responses. A wealth of evidence has correlated such responses with the massive induction of proteins belonging to the molecular chaperone family. Molecular chaperones are proteins which interact with incorrectly folded proteins to help them refold to their native state. In contrast to other eukaryotes, the most prominent stress-induced molecular chaperones of plants belong to the sHSP (small Heat Shock Protein) family. sHSPs are a widespread and diverse class of molecular chaperones that range in size from 16 to 42k Da, and whose members have a highly conserved “alpha-crystallin” domain. sHSP proteins play an important role in abiotic stress tolerance, membrane stabilization and developmental processes. Yet, their mechanism of action remains largely unknown. Despite the applied potential of these proteins, only a few studies have addressed so far the biotechnological implications of this protein family. Most studies have focused on herbaceous species of agronomic interest or on model species such as Arabidopsis thaliana. Hence, sHSP are poorly characterized in long-lived woody species, despite their economic and ecological relevance. This Thesis studies sHSPs from several woody species of economic interest. The most prominent components, namely cytosolic class I sHSPs, have been identified and characterized, either by cDNA library screening (walnut, cherry) or by searching the complete genomic sequence (poplar). Through heterologous bacterial expression, we analyzed the in vivo protective effects of selected components against abiotic stress. Our results demonstrate that sHSP-CI proteins: (i) protect E. coli cells against different stressful conditions, alone or combined; (ii) stabilize cell membranes; (iii) improve the production of other recombinant proteins with commercial interest. The effects of CsHSP17.5-CI overexpression have also been studied in hybrid poplar. Interestingly, the accumulation of this protein does not have any appreciable phenotypic effects under normal growth conditions. However, the transgenic poplar lines showed enhanced net growth and reduced injury under heat-stress conditions compared to vector controls. Biochemical analysis of leaf extracts revealed that important enzyme activities were more protected in such lines against heat-induced inactivation than in control lines, lending further support to the chaperone mode of action proposed for the sHSP family. All transgenic lines showed improved in vitro and ex vitro performance (calli biomass, bud induction, shoot regeneration) compared to controls, even in the absence of thermal stress. Besides providing new insights on the protective role of HSP-CI proteins, our results bolster the notion that heat stress tolerance can be readily manipulated in trees through genetic engineering. The applied value of these results is evident, especially under a global warming scenario.

Nuevos mecanismos moleculares de tolerancia a sequía y otros tipos de estrés abiótico en especies arbóreas de interés económico

Las masas forestales tienen una importancia colosal para nuestra sociedad y el conjunto de la biosfera. Estudios recientes a escala mundial indican que la sequía es el factor abiótico que más afecta a su crecimiento y supervivencia, seguida por las temperaturas extremas y la salinidad. Aunque comprender los mecanismos con que las especies arbóreas toleran estas formas de estrés tiene un interés aplicado evidente, dichos mecanismos se han estudiado mucho más en especies herbáceas modelo o de interés agronómico. Existen sin embargo diferencias notables entre ellas, como se demuestra en esta tesis y en otros trabajos recientes. Nuestro estudio se centra concretamente en la respuesta molecular del chopo –el sistema modelo forestal más desarrollado– al estrés abiótico, con particular énfasis en la sequía. Utilizando una estrategia proteómica y tratamientos controlados, hemos identificado componentes mayoritarios de dicha respuesta. Su participación en la misma se ha validado mediante análisis transcripcionales detallados utilizando tecnología qRT-PCR (PCR cuantitativa en tiempo real). Hemos identificado proteínas cuyo nexo funcional con mecanismos de tolerancia ya era conocido, como chaperonas moleculares sHSP o enzimas que atenúan el estrés oxidativo, pero también proteínas cuya relación funcional con el estrés es menos clara o incluso novedosa, como polifenol oxidasas (PPO), deshidrogenasas/reductasas de cadena corta (SDR), o bicupinas (BIC), entre otras. El cuerpo central de la tesis consiste en la caracterización detallada de una PPO inusual, cuya inducción por estrés hídrico se describe por vez primera. Estas enzimas están ampliamente distribuidas en plantas, si bien su número es muy variable de unas especies a otras. Algunas, como nogal, tienen un único gen, mientras que Arabidopsis no tiene ninguno. En la última versión del genoma de chopo hemos identificado un total de 12 miembros bona fide, corrigiendo trabajos previos, y hemos caracterizado su expresión individual ante diferentes situaciones de estrés controlado y tratamientos hormonales. La isoforma antedicha es el único miembro de la familia que responde claramente a la deshidratación. También responde a salinidad y a la mayor parte de tratamientos hormonales ensayados, pero no a daño mecánico o tratamientos con metil jasmonato. Esto la diferencia de enzimas homólogas presentes en otras especies de plantas, que se han relacionado experimentalmente con estrés biótico. Los patrones de acumulación de transcritos en árboles adultos son compatibles con un papel protector frente a la sequía. La integración de nuestros estudios funcionales y filogenéticos sugiere que la familia ha sufrido un proceso reciente de diversificación y neofuncionalización, siendo la protección frente a deshidratación su papel primigenio. Aunque se conoce la actividad bioquímica in vitro de este tipo de enzimas, sus sustratos naturales son esencialmente una incógnita. Mediante expresión heteróloga en Escherichia coli BL21(DE3) hemos detectado que la enzima de chopo es capaz de oxidar L-DOPA a dopaquinona, siendo menos activa frente a otros sustratos. Por otra parte, hemos demostrado su localización cloroplástica mediante transformación transitoria de protoplastos con fusiones a la proteína fluorescente YFP. Mediante la obtención de plantas transgénicas de A. thaliana hemos demostrado que la enzima de chopo aumenta considerablemente la tolerancia in vivo frente a la deshidratación y al estrés salino. El análisis fenotípico detallado de las líneas transgénicas, combinando múltiples metodologías, nos ha permitido sustanciar que la tolerancia tiene una base compleja. Esta incluye una mayor protección del sistema fotosintético, una capacidad antioxidante muy incrementada y la acumulación de solutos osmoprotectores como la prolina. Los análisis metabolómicos nos han permitido asociar la expresión de la proteína a la síntesis de un flavano no descrito previamente en A. thaliana, vinculando la enzima de chopo con la síntesis de fenilpropanoides. También hemos observado alteraciones en los niveles hormonales que podrían subyacer a efectos pleiotrópicos con interés aplicado, como un aumento consistente del tamaño de la planta o el acortamiento del ciclo de crecimiento. Además de aportar datos novedosos sobre la funcionalidad in vivo de esta familia de oxidasas, los resultados de esta tesis demuestran que los árboles son sistemas de estudio interesantes para caracterizar nuevas estrategias de tolerancia al estrés abiótico con potencial aplicado. ABSTRACT Forests masses have an extraordinary importance for our society and the biosphere. Recent worldwide studies indicate that drought is the abiotic factor that affects more their growing and survival, followed by extreme temperatures and salinity. The understanding of how the arboreal species tolerate the stress has an evident practical interest, but their mechanisms have been studied much more in herbaceous species or with agronomic interest. However, considerable differences exist between them, as this thesis and recent studies show. Our study is focused on the molecular response of the poplar –the more developed forestry model system- to abiotic stress, specifically focused in the drought. Using a proteomic strategy and controlled treatments, we have identified main components in such response. Its participation has been validated through transcriptional analysis using qRT-PCR technology. We have identified proteins whose functional connection with tolerance mechanisms were already known, as molecular chaperones sHSP or enzymes that attenuate the oxidative stress, but also some proteins whose functional relationship with the stress is less clear or even novel, as polifenol oxidases (PPO), short chain deshidrogenases/reductases (SDR), or bicupines (BIC), among others. The central body of the thesis consists of the detailed characterization of an unsual PPO, whose induction due to drought stress is first described. These enzymes are thoroughly distributed in plants, but their number of members is very variable among species. Some of them, as the walnut tree, have a single gene, while Arabidopsis has none. We have identified a total of 12 members in the last version of the poplar genome, correcting previous works, and have characterized their individual expression against different situations of controlled stress and hormone treatments. The aforementioned isoform is the only member of the family that responds clearly to the drought. It also reacts to salinity and the majority of hormonal treatments tested, but it does not respond to mechanical damage or treatments with methyl jasmonate. This is the difference with homologue enzymes present in other plant species, which have been related experimentally with abiotic stress. The accumulation patterns of transcripts in adult trees are compatible with a protector role against drought. The integration of our functional and phylogenetic studies suggests that the family has suffered a recent process of diversification and neofunctionalization, being the protection against drought their original role. Although the in vitro biochemistry activity of this kind of enzymes is already known, their natural substracts are essentially a mystery. By means of heterologous expression of Escherichia coli BL21(DE3) we have detected that the enzyme of poplar is able to oxidize L-DOPA to dopaquinone, being less active against other substrates. Additionally, we have proven its chloroplastic location with transitory transformation of protoplasts with YFP protein fusion. By means of getting transgenic plants of A. thaliana, we have demonstrated that the poplar enzyme increases notably the in vivo tolerance against the drought and salinity stresses. The phenotypic analysis of the transgenic lines, and the use of multiple methodologies, allowed us to test the complexity of the tolerance. This includes a major protection of the photosynthetic system, a very increased antioxidant capacity and the accumulation of osmoprotectant solutes as the proline. The metabolic analysis has allowed to associate the protein expression with the synthesis of a Flavan non described previously in A. thalaiana, linking the enzyme of poplar with the synthesis of phenylpropanoids. We have observed alterations in the hormonal levels that could underlie pleiotropic effects with applied interest, as a consistent increase of the size of the plant and the reduction of the growth cycle. The results of this thesis, in addition to provide novel data about the in vivo functionality of the oxidase family, demonstrate that the trees are interesting systems of study to characterize new strategies of tolerance against abiotic stress with applied potential.

Caracterización y mejora de equipo para hipertermia magnética

El presente Trabajo de Fin de Grado es fruto de la colaboración en una investigación sobre la hipertermia magnética entre el Centro de Electrónica Industrial de la ETSII UPM (CEI) y el Centro de Tecnología Biomédica UPM (CTB). La hipertermia magnética es un tratamiento contra el cáncer que se encuentra en fase de desarrollo en distintos lugares alrededor del mundo. Se trata de una terapia que consiste en elevar la temperatura de las células cancerígenas hasta valores de entre 42 y 46ºC con el fin de destruirlas. Esto es posible pues por lo general, las células cancerígenas presentan una mayor sensibilidad ante efectos de hipertermia que el resto de células, por lo que una vez alcanzada la temperatura deseada se destruirían las células anómalas y las sanas quedarían intactas. Si se induce al paciente fiebre hasta los 39 ºC, tan sólo sería necesario alcanzar incrementos de temperatura de 3 o 4ºC para que el tratamiento tuviera éxito. El calentamiento se produce gracias al movimiento de nanopartículas magnéticas (NPMs) situadas en dichas células mediante técnicas médicas ya estudiadas. A su vez este movimiento se da gracias a la aplicación de un campo magnético sobre las NPMs. El equipo electrónico del que se dispone en esta investigación y que genera el campo magnético, está constituido esencialmente por un inversor de potencia en puente completo con carga inductiva, una placa de control y una fuente de tensión continua. A lo largo de este trabajo se abordarán y estudiarán varias cuestiones en línea con la continuidad de la investigación en este tratamiento y en aspectos de la misma como el estudio del equipo disponible y su mejora. En primer lugar se lleva a cabo un estudio de caracterización térmica del equipo del que se dispone, con el objetivo de conocer los parámetros de los que depende su funcionamiento y que permitirán verificar y dar consistencia a los resultados de los posteriores ensayos que con él se harán. Así mismo se realiza una fase de ensayos con el objetivo de optimizar el equipo, determinando cuales son los parámetros más relevantes y los valores de los mismos, que llevan al equipo a su máximo rendimiento en términos de incrementos de temperatura de las NPMs y por tanto hacia el éxito de la terapia. Tras la caracterización y optimización del equipo de hipertermia, se diseña una nueva fase de ensayos que tiene como fin la comparación de los resultados experimentales con el modelo físico teórico de calentamiento de las NPMs. Además se busca la comprobación de ciertas hipótesis extraídas de los mismos resultados experimentales, como la influencia de la forma de onda de la señal excitadora en el incremento de temperatura. Finalmente y con el fin de mejorar el rendimiento del equipo, se elabora un conjunto de posibles geometrías para la carga inductiva que incluya un núcleo de hierro, pues hasta el momento la bobina de la que se disponía tenía núcleo de aire. Se simulan las nuevas geometrías de la bobina con núcleo de hierro y se estudia cómo influyen los cambios en el campo magnético. Los avances en la investigación llevados a cabo en este Trabajo de Fin de Grado han permitido dar un paso más en el rendimiento, la fiabilidad de resultados y la mejora del equipo de hipertermia magnética, abriendo las puertas a ensayos in vitro y posteriormente in vivo para una terapia que podría estar más cerca de dar tratamiento eficaz a una de las enfermedades más implacables de nuestro tiempo.

A DIVERSIDADE RELIGIOSA NO ESPAÇO ESCOLAR ADVENTISTA DO ABCD PAULISTA

Tendo como pano de fundo a confessionalidade da rede adventista de educação presente de maneira marcante no espaço escolar e a intensa diversidade religiosa discente, esta pesquisa analisa a relação de possíveis tensões entre a confessionalidade escolar e a diversidade religiosa presente neste espaço. Leva em consideração o processo de modernidade causadora de importantes transformações na educação, na religião e na forma dos dois institutos se relacionarem. Levou-se em consideração o perfil socioeconômico e religioso dos alunos e possíveis tensões na recepção do religioso no espaço escolar adventista por parte dos discentes, inclusive por aqueles que se declaram adventistas. O espaço escolhido para esta pesquisa foi o de colégios adventistas localizadas no contexto do ABCD Paulista, que ofertam o Ensino Médio. Estas unidades escolares estão situadas nas cidades de Diadema, Santo André e São Caetano do Sul, cidades localizadas na mesma microrregião, mas com distintas realidades socioeconômicas

Hepatocyte gene therapy in a large animal: A neonatal bovine model of citrullinemia

The development of gene-replacement therapy for inborn errors of metabolism has been hindered by the limited number of suitable large-animal models of these diseases and by inadequate methods of assessing the efficacy of treatment. Such methods should provide sensitive detection of expression in vivo and should be unaffected by concurrent pharmacologic and dietary regimens. We present the results of studies in a neonatal bovine model of citrullinemia, an inborn error of urea-cycle metabolism characterized by deficiency of argininosuccinate synthetase and consequent life-threatening hyperammonemia. Measurements of the flux of nitrogen from orally administered 15NH4 to [15N]urea were used to determine urea-cycle activity in vivo. In control animals, these isotopic measurements proved to be unaffected by pharmacologic treatments. Systemic administration of a first-generation E1-deleted adenoviral vector expressing human argininosuccinate synthetase resulted in transduction of hepatocytes and partial correction of the enzyme defect. The isotopic method showed significant restoration of urea synthesis. Moreover, the calves showed clinical improvement and normalization of plasma glutamine levels after treatment. The results show the clinical efficacy of treating a large-animal model of an inborn error of hepatocyte metabolism in conjunction with a method for sensitively measuring correction in vivo. These studies will be applicable to human trials of the treatment of this disorder and other related urea-cycle disorders.

Neutralizing monoclonal antibodies to hepatocyte growth factor/scatter factor (HGF/SF) display antitumor activity in animal models

The hepatocyte growth factor (HGF/SF) receptor, Met, regulates mitogenesis, motility, and morphogenesis in a cell type-dependent fashion. Activation of Met via autocrine, paracrine, or mutational mechanisms can lead to tumorigenesis and metastasis and numerous studies have linked inappropriate expression of this ligand-receptor pair to most types of human solid tumors. To prepare mAbs to human HGF/SF, mice were immunized with native and denatured preparations of the ligand. Recloned mAbs were tested in vitro for blocking activity against scattering and branching morphogenesis. Our results show that no single mAb was capable of neutralizing the in vitro activity of HGF/SF, and that the ligand possesses a minimum of three epitopes that must be blocked to prevent Met tyrosine kinase activation. In vivo, the neutralizing mAb combination inhibited s.c. growth in athymic nu/nu mice of tumors dependent on an autocrine Met-HGF/SF loop. Importantly, growth of human glioblastoma multiforme xenografts expressing Met and HGF/SF were markedly reduced in the presence of HGF/SF-neutralizing mAbs. These results suggest interrupting autocrine and/or paracrine Met-HGF/SF signaling in tumors dependent on this pathway is a possible intervention strategy.

Complete replication of an animal virus and maintenance of expression vectors derived from it in Saccharomyces cerevisiae.

Here we describe the first instances to our knowledge of animal virus genome replication, and of de novo synthesis of infectious virions by a nonendogenous virus, in the yeast Saccharomyces cerevisiae, whose versatile genetics offers significant advantages for studying viral replication and virus-host interactions. Flock house virus (FHV) is the most extensively studied member of the Nodaviridae family of (+) strand RNA animal viruses. Transfection of yeast with FHV genomic RNA induced viral RNA replication, transcription, and assembly of infectious virions. Genome replication and virus synthesis were robust: all replicating FHV RNA species were readily detected in yeast by Northern blot analysis and yields of virions per cell were similar to those from Drosophila cells. We also describe in vivo expression and maintenance of a selectable yeast marker gene from an engineered FHV RNA derivative dependent on FHV-directed RNA replication. Use of these approaches with FHV and their possible extension to other viruses should facilitate identification and characterization of host factors required for genomic replication, gene expression, and virion assembly.

Animal model for the therapy of acquired immunodeficiency syndrome with reverse transcriptase inhibitors.

The reverse transcriptase (RT) of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is the major target for antiretroviral therapy of the acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). While some inhibitors exhibit activity against most retroviral RTs, others are specific for the HIV-1 enzyme. To develop an animal model for the therapy of the HIV-1 infection with RT inhibitors, the RT of the simian immunodeficiency virus (SIV) was replaced by the RT of HIV-1. Macaques infected with this SIV/HIV-1 hybrid virus developed AIDS-like symptoms and pathology. The HIV-1-specific RT inhibitor LY300046.HCl, but not zidovudine [3'-azido-3'-deoxythymidine (AZT)] delayed the appearance of plasma antigenemia in macaques infected with a high dose of the chimeric virus. Infection of macaques with the chimeric virus seems to be a valuable model to study the in vivo efficacy of new RT inhibitors, the emergence and reversal of drug resistance, the therapy of infections with drug-resistant viruses, and the efficacy of combination therapy.

Caracterização anatomopatológica, microbiológica e parasitológica de ratos Wistar (Rattus norvegicus) em diferentes idades

Os ratos Wistar são amplamente empregados como modelo animal na pesquisa biomédica e o controle sanitário dos biotérios é essencial para garantir a qualidade dos experimentos. O objetivo do estudo foi a caracterização do estado sanitário da colônia de ratos Wistar em sistema de criação convencional e para tanto determinar as bactérias, fungos, virus e parasitos, bem como caracterizar as lesões anatomopatológicas do sistema respiratório. Foram utilizados 273 ratos (N), machos (M) e fêmeas (F), das faixas etárias 4, 8, 12, 16 a 20 semanas e entre 12 a 18 meses, para as determinações de peso e condição corpórea (N=273, 140M, 133F); avaliação bacteriológica de orofaringe, mucosa intestinal e lavado traqueobrônquico (N=40, 20M, 20F); determinação de anticorpos para vírus e bactérias (N=20, 10M, 10F); exame parasitológico (N=60, 30M, 30F); identificação molecular de Mycoplasma pulmonis em amostras de pulmão (N=25, 15M, 10F), e caracterização anatomopatológica da cavidade nasal, orofaringe, laringe, traqueia e pulmão (N=106, 53M, 53F). Foram realizadas ainda avaliações microbiológicas das salas dos ratos em três períodos com isolamento de Micrococcus spp., Staphylococcus spp., Bacillus spp., Aspergillus spp. e Penicillium spp. O peso se mostrou homogêneo dentro da faixa etária e gênero, com apenas sete animais magros (2,56%) e nove em sobrepeso (3,30%). Não foram isoladas bactérias patogênicas na orofaringe, mucosa intestinal e lavado traqueobrônquico por cultivo. Mycoplasma pulmonis foi determinado em 72% das amostras pulmonares e em 100% dos soros testados. Em 35% foram detectados anticorpos para Reovirus tipo III e em 100% para bacilos associados ao epitélio respiratório ciliado. Syphacia muris foi diagnosticada em 91,67%, Eimeria spp. em 3,33% e Entamoeba muris em 1,67%. Lesões relacionadas a infecção por agentes exógenos foram observadas em cavidade nasal e na orofaringe, laringe e traqueia a partir da 4 semanas de idade e, em pulmão desde as 12 semanas, com aumento de frequência de ocorrência e do grau de progressão, com o avançar da idade, nos vários segmentos estudados. Concluímos que a caracterização do estado sanitário dos ratos permite conhecer as particularidades do modelo biológico utilizado e compor base de dados para auxiliar no desenho e na interpretação experimental dos pesquisadores, além de garantir uma base para o programa de monitorização sanitária de biotérios em condições similares