A validated assay for measuring doxorubicin in biological fluids and tissues in an isolated lung perfusion model: matrix effect and heparin interference strongly influence doxorubicin measurements.

Doxorubicin is an antineoplasic agent active against sarcoma pulmonary metastasis, but its clinical use is hampered by its myelotoxicity and its cumulative cardiotoxicity, when administered systemically. This limitation may be circumvented using the isolated lung perfusion (ILP) approach, wherein a therapeutic agent is infused locoregionally after vascular isolation of the lung. The influence of the mode of infusion (anterograde (AG): through the pulmonary artery (PA); retrograde (RG): through the pulmonary vein (PV)) on doxorubicin pharmacokinetics and lung distribution was unknown. Therefore, a simple, rapid and sensitive high-performance liquid chromatography method has been developed to quantify doxorubicin in four different biological matrices (infusion effluent, serum, tissues with low or high levels of doxorubicin). The related compound daunorubicin was used as internal standard (I.S.). Following a single-step protein precipitation of 500 microl samples with 250 microl acetone and 50 microl zinc sulfate 70% aqueous solution, the obtained supernatant was evaporated to dryness at 60 degrees C for exactly 45 min under a stream of nitrogen and the solid residue was solubilized in 200 microl of purified water. A 100 microl-volume was subjected to HPLC analysis onto a Nucleosil 100-5 microm C18 AB column equipped with a guard column (Nucleosil 100-5 microm C(6)H(5) (phenyl) end-capped) using a gradient elution of acetonitrile and 1-heptanesulfonic acid 0.2% pH 4: 15/85 at 0 min-->50/50 at 20 min-->100/0 at 22 min-->15/85 at 24 min-->15/85 at 26 min, delivered at 1 ml/min. The analytes were detected by fluorescence detection with excitation and emission wavelength set at 480 and 550 nm, respectively. The calibration curves were linear over the range of 2-1000 ng/ml for effluent and plasma matrices, and 0.1 microg/g-750 microg/g for tissues matrices. The method is precise with inter-day and intra-day relative standard deviation within 0.5 and 6.7% and accurate with inter-day and intra-day deviations between -5.4 and +7.7%. The in vitro stability in all matrices and in processed samples has been studied at -80 degrees C for 1 month, and at 4 degrees C for 48 h, respectively. During initial studies, heparin used as anticoagulant was found to profoundly influence the measurements of doxorubicin in effluents collected from animals under ILP. Moreover, the strong matrix effect observed with tissues samples indicate that it is mandatory to prepare doxorubicin calibration standard samples in biological matrices which would reflect at best the composition of samples to be analyzed. This method was successfully applied in animal studies for the analysis of effluent, serum and tissue samples collected from pigs and rats undergoing ILP.

On some numerical aspects of an active strain model in cardiac mechanics

We are interested in the development, implementation and testing of an orthotropic model for cardiac contraction based on an active strain decomposition. Our model addresses the coupling of a transversely isotropic mechanical description at the cell level, with an orthotropic constitutive law for incompressible tissue at the macroscopic level. The main differences with the active stress model are addressed in detail, and a finite element discretization using Taylor-Hood and MINI elements is proposed and illustrated with numerical examples.

Assessing the impact of DRGs on patient care and professional practice in Switzerland (IDoC) : a potential model for monitoring and evaluating healthcare reform.

QUESTIONS UNDER STUDY: The starting point of the interdisciplinary project "Assessing the impact of diagnosis related groups (DRGs) on patient care and professional practice" (IDoC) was the lack of a systematic ethical assessment for the introduction of cost containment measures in healthcare. Our aim was to contribute to the methodological and empirical basis of such an assessment. METHODS: Five sub-groups conducted separate but related research within the fields of biomedical ethics, law, nursing sciences and health services, applying a number of complementary methodological approaches. The individual research projects were framed within an overall ethical matrix. Workshops and bilateral meetings were held to identify and elaborate joint research themes. RESULTS: Four common, ethically relevant themes emerged in the results of the studies across sub-groups: (1.) the quality and safety of patient care, (2.) the state of professional practice of physicians and nurses, (3.) changes in incentives structure, (4.) vulnerable groups and access to healthcare services. Furthermore, much-needed data for future comparative research has been collected and some early insights into the potential impact of DRGs are outlined. CONCLUSIONS: Based on the joint results we developed preliminary recommendations related to conceptual analysis, methodological refinement, monitoring and implementation.

An active strain electromechanical model for cardiac tissue

We propose a finite element approximation of a system of partial differential equations describing the coupling between the propagation of electrical potential and large deformations of the cardiac tissue. The underlying mathematical model is based on the active strain assumption, in which it is assumed that a multiplicative decomposition of the deformation tensor into a passive and active part holds, the latter carrying the information of the electrical potential propagation and anisotropy of the cardiac tissue into the equations of either incompressible or compressible nonlinear elasticity, governing the mechanical response of the biological material. In addition, by changing from an Eulerian to a Lagrangian configuration, the bidomain or monodomain equations modeling the evolution of the electrical propagation exhibit a nonlinear diffusion term. Piecewise quadratic finite elements are employed to approximate the displacements field, whereas for pressure, electrical potentials and ionic variables are approximated by piecewise linear elements. Various numerical tests performed with a parallel finite element code illustrate that the proposed model can capture some important features of the electromechanical coupling, and show that our numerical scheme is efficient and accurate.

Improving anterior deltoid activity in a musculoskeletal shoulder model - an analysis of the torque-feasible space at the sternoclavicular joint.

Modelling the shoulder's musculature is challenging given its mechanical and geometric complexity. The use of the ideal fibre model to represent a muscle's line of action cannot always faithfully represent the mechanical effect of each muscle, leading to considerable differences between model-estimated and in vivo measured muscle activity. While the musculo-tendon force coordination problem has been extensively analysed in terms of the cost function, only few works have investigated the existence and sensitivity of solutions to fibre topology. The goal of this paper is to present an analysis of the solution set using the concepts of torque-feasible space (TFS) and wrench-feasible space (WFS) from cable-driven robotics. A shoulder model is presented and a simple musculo-tendon force coordination problem is defined. The ideal fibre model for representing muscles is reviewed and the TFS and WFS are defined, leading to the necessary and sufficient conditions for the existence of a solution. The shoulder model's TFS is analysed to explain the lack of anterior deltoid (DLTa) activity. Based on the analysis, a modification of the model's muscle fibre geometry is proposed. The performance with and without the modification is assessed by solving the musculo-tendon force coordination problem for quasi-static abduction in the scapular plane. After the proposed modification, the DLTa reaches 20% of activation.

Integrating quantitative proteomics and metabolomics in a cellular model of diabetic retinopathy

Diabetic retinopathy is the leading cause of visual loss in individuals under the age of 55. Most investigations into the pathogenesis of diabetic retinopathy have been concentrated on the neural retina since this is where clinical lesions are manifested. Recently, however, various abnormalities in the structural and secretory functions of retinal pigment epithelium that are essential for neuroretina survival, have been found in diabetic retinopathy. In this context, here we study the effect of hyperglycemic and hypoxic conditions on the metabolism of a human retinal pigment epithelial cell line (ARPE-19) by integrating quantitative proteomics using tandem mass tagging (TMT), untargeted metabolomics using MS and NMR, and 13C-glucose isotopic labeling for metabolic tracking. We observed a remarkable metabolic diversification under our simulated in vitro hyperglycemic conditions of diabetes, characterized increased flux through polyol pathways and inhibition of the Krebs cycle and oxidative phosphorylation. Importantly, under low oxygen supply RPE cells seem to consume rapidly glycogen storages and stimulate anaerobic glycolysis. Our results therefore pave the way to future scenarios involving new therapeutic strategies addressed to modulating RPE metabolic impairment, with the aim of regulating structural and secretory alterations of RPE. Finally, this study shows the importance of tackling biomedical problems by integrating metabolomic and proteomics results.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Abdominal aortic aneurysm follow-up after endovascular repair in a canine model with non-invasive vascular elastography

Le traitement chirurgical des anévrismes de l'aorte abdominale est de plus en plus remplacé par la réparation endovasculaire de l’anévrisme (« endovascular aneurysm repair », EVAR) en utilisant des endoprothèses (« stent-grafts », SGs). Cependant, l'efficacité de cette approche moins invasive est compromise par l'incidence de l'écoulement persistant dans l'anévrisme, appelé endofuites menant à une rupture d'anévrisme si elle n'est pas détectée. Par conséquent, une surveillance de longue durée par tomodensitométrie sur une base annuelle est nécessaire ce qui augmente le coût de la procédure EVAR, exposant le patient à un rayonnement ionisants et un agent de contraste néphrotoxique. Le mécanisme de rupture d'anévrisme secondaire à l'endofuite est lié à une pression du sac de l'anévrisme proche de la pression systémique. Il existe une relation entre la contraction ou l'expansion du sac et la pressurisation du sac. La pressurisation résiduelle de l'anévrisme aortique abdominale va induire une pulsation et une circulation sanguine à l'intérieur du sac empêchant ainsi la thrombose du sac et la guérison de l'anévrisme. L'élastographie vasculaire non-invasive (« non-invasive vascular elastography », NIVE) utilisant le « Lagrangian Speckle Model Estimator » (LSME) peut devenir une technique d'imagerie complémentaire pour le suivi des anévrismes après réparation endovasculaire. NIVE a la capacité de fournir des informations importantes sur l'organisation d'un thrombus dans le sac de l'anévrisme et sur la détection des endofuites. La caractérisation de l'organisation d'un thrombus n'a pas été possible dans une étude NIVE précédente. Une limitation de cette étude était l'absence d'examen tomodensitométrique comme étalon-or pour le diagnostic d'endofuites. Nous avons cherché à appliquer et optimiser la technique NIVE pour le suivi des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) après EVAR avec endoprothèse dans un modèle canin dans le but de détecter et caractériser les endofuites et l'organisation du thrombus. Des SGs ont été implantés dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé dans l'aorte abdominale. Des endofuites de type I ont été créés dans 4 anévrismes, de type II dans 13 anévrismes tandis qu’un anévrisme n’avait aucune endofuite. L'échographie Doppler (« Doppler ultrasound », DUS) et les examens NIVE ont été réalisés avant puis à 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après l’EVAR. Une angiographie, une tomodensitométrie et des coupes macroscopiques ont été réalisées au moment du sacrifice. Les valeurs de contrainte ont été calculées en utilisant l`algorithme LSME. Les régions d'endofuite, de thrombus frais (non organisé) et de thrombus solide (organisé) ont été identifiées et segmentées en comparant les résultats de la tomodensitométrie et de l’étude macroscopique. Les valeurs de contrainte dans les zones avec endofuite, thrombus frais et organisé ont été comparées. Les valeurs de contrainte étaient significativement différentes entre les zones d'endofuites, les zones de thrombus frais ou organisé et entre les zones de thrombus frais et organisé. Toutes les endofuites ont été clairement caractérisées par les examens d'élastographie. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les valeurs de contrainte et le type d'endofuite, la pression de sac, la taille des endofuites et la taille de l'anévrisme.

Concept oriented biomedical information retrieval

Le domaine biomédical est probablement le domaine où il y a les ressources les plus riches. Dans ces ressources, on regroupe les différentes expressions exprimant un concept, et définit des relations entre les concepts. Ces ressources sont construites pour faciliter l’accès aux informations dans le domaine. On pense généralement que ces ressources sont utiles pour la recherche d’information biomédicale. Or, les résultats obtenus jusqu’à présent sont mitigés : dans certaines études, l’utilisation des concepts a pu augmenter la performance de recherche, mais dans d’autres études, on a plutôt observé des baisses de performance. Cependant, ces résultats restent difficilement comparables étant donné qu’ils ont été obtenus sur des collections différentes. Il reste encore une question ouverte si et comment ces ressources peuvent aider à améliorer la recherche d’information biomédicale. Dans ce mémoire, nous comparons les différentes approches basées sur des concepts dans un même cadre, notamment l’approche utilisant les identificateurs de concept comme unité de représentation, et l’approche utilisant des expressions synonymes pour étendre la requête initiale. En comparaison avec l’approche traditionnelle de "sac de mots", nos résultats d’expérimentation montrent que la première approche dégrade toujours la performance, mais la seconde approche peut améliorer la performance. En particulier, en appariant les expressions de concepts comme des syntagmes stricts ou flexibles, certaines méthodes peuvent apporter des améliorations significatives non seulement par rapport à la méthode de "sac de mots" de base, mais aussi par rapport à la méthode de Champ Aléatoire Markov (Markov Random Field) qui est une méthode de l’état de l’art dans le domaine. Ces résultats montrent que quand les concepts sont utilisés de façon appropriée, ils peuvent grandement contribuer à améliorer la performance de recherche d’information biomédicale. Nous avons participé au laboratoire d’évaluation ShARe/CLEF 2014 eHealth. Notre résultat était le meilleur parmi tous les systèmes participants.

Patient-specific anisotropic model of human trunk based on MR data

There are many ways to generate geometrical models for numerical simulation, and most of them start with a segmentation step to extract the boundaries of the regions of interest. This paper presents an algorithm to generate a patient-specific three-dimensional geometric model, based on a tetrahedral mesh, without an initial extraction of contours from the volumetric data. Using the information directly available in the data, such as gray levels, we built a metric to drive a mesh adaptation process. The metric is used to specify the size and orientation of the tetrahedral elements everywhere in the mesh. Our method, which produces anisotropic meshes, gives good results with synthetic and real MRI data. The resulting model quality has been evaluated qualitatively and quantitatively by comparing it with an analytical solution and with a segmentation made by an expert. Results show that our method gives, in 90% of the cases, as good or better meshes as a similar isotropic method, based on the accuracy of the volume reconstruction for a given mesh size. Moreover, a comparison of the Hausdorff distances between adapted meshes of both methods and ground-truth volumes shows that our method decreases reconstruction errors faster. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

A Gain Scheduling Model Predictive Controller for Blood Glucose Control in Type 1 Diabetes

This paper presents a control strategy for blood glucose(BG) level regulation in type 1 diabetic patients. To design the controller, model-based predictive control scheme has been applied to a newly developed diabetic patient model. The controller is provided with a feedforward loop to improve meal compensation, a gain-scheduling scheme to account for different BG levels, and an asymmetric cost function to reduce hypoglycemic risk. A simulation environment that has been approved for testing of artificial pancreas control algorithms has been used to test the controller. The simulation results show a good controller performance in fasting conditions and meal disturbance rejection, and robustness against model–patient mismatch and errors in meal estimation

Multiscale evolving complex network model of functional connectivity in neuronal cultures

Cultures of cortical neurons grown on multielectrode arrays exhibit spontaneous, robust and recurrent patterns of highly synchronous activity called bursts. These bursts play a crucial role in the development and topological selforganization of neuronal networks. Thus, understanding the evolution of synchrony within these bursts could give insight into network growth and the functional processes involved in learning and memory. Functional connectivity networks can be constructed by observing patterns of synchrony that evolve during bursts. To capture this evolution, a modelling approach is adopted using a framework of emergent evolving complex networks and, through taking advantage of the multiple time scales of the system, aims to show the importance of sequential and ordered synchronization in network function.

Dynamical complexity in a mean-field model of human EEG

A recently proposed mean-field theory of mammalian cortex rhythmogenesis describes the salient features of electrical activity in the cerebral macrocolumn, with the use of inhibitory and excitatory neuronal populations (Liley et al 2002). This model is capable of producing a range of important human EEG (electroencephalogram) features such as the alpha rhythm, the 40 Hz activity thought to be associated with conscious awareness (Bojak & Liley 2007) and the changes in EEG spectral power associated with general anesthetic effect (Bojak & Liley 2005). From the point of view of nonlinear dynamics, the model entails a vast parameter space within which multistability, pseudoperiodic regimes, various routes to chaos, fat fractals and rich bifurcation scenarios occur for physiologically relevant parameter values (van Veen & Liley 2006). The origin and the character of this complex behaviour, and its relevance for EEG activity will be illustrated. The existence of short-lived unstable brain states will also be discussed in terms of the available theoretical and experimental results. A perspective on future analysis will conclude the presentation.

Model estimation of cerebral hemodynamics between blood flow and volume changes: A data-based modeling approach

It is well known that there is a dynamic relationship between cerebral blood flow (CBF) and cerebral blood volume (CBV). With increasing applications of functional MRI, where the blood oxygen-level-dependent signals are recorded, the understanding and accurate modeling of the hemodynamic relationship between CBF and CBV becomes increasingly important. This study presents an empirical and data-based modeling framework for model identification from CBF and CBV experimental data. It is shown that the relationship between the changes in CBF and CBV can be described using a parsimonious autoregressive with exogenous input model structure. It is observed that neither the ordinary least-squares (LS) method nor the classical total least-squares (TLS) method can produce accurate estimates from the original noisy CBF and CBV data. A regularized total least-squares (RTLS) method is thus introduced and extended to solve such an error-in-the-variables problem. Quantitative results show that the RTLS method works very well on the noisy CBF and CBV data. Finally, a combination of RTLS with a filtering method can lead to a parsimonious but very effective model that can characterize the relationship between the changes in CBF and CBV.