Early life host-microbe interactions : implications for the development of asthma

Plus de 300 millions de personnes dans le monde souffrent de l'asthme. L'asthme est une maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires caractérisée par des symptômes variables et récurrents, une obstruction bronchique réversible et des bronchospasmes. Les symptômes communs incluent une respiration sifflante, de la toux, une oppression thoracique et de la dyspnée. Normalement, la maladie commence à se manifester pendant l'enfance. Pourtant, facteurs génétiques héréditaires et événements environnementaux survenant au cours de la petite enfance sont responsables de sa manifestation, indiquant que le développement de la maladie est lié à des événements qui se produisent bien avant son déclenchement. L'infection respiratoire virale aiguë constitue un de ces facteurs environnementaux jouant un rôle prépondérant. Un des virus les plus communs est le virus respiratoire syncytial (VRS), qui infecte presque tous les enfants avant l'âge de 2 ans. Ce virus, s'il infecte des tout-petits, peut en effet provoquer une bronchiolite aiguë, un phénomène qui a été épidémiologiquement lié à l'apparition d'asthme plus tard dans la vie. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons étudié, chez la souris, comment une infection avec le VRS influe sur l'asthme allergique. Nous avons constaté que seule l'infection des souris à l'état de nouveau-né prédispose à un asthme allergique plus sévère chez l'adulte. En effet, si des souris adultes étaient infectées, elles étaient protégées contre l'apparition des symptômes asthmatiques. Cela nous a mené à investiguer les mécanismes immunitaires spécifiques durant cette courte période du début de la vie. Deux événements se produisent en parallèle au cours de la petite enfance: (1) Le système immunitaire, qui est encore immature immédiatement après la naissance, commence à se développer pour être en mesure de jouer son rôle protecteur contre les agents infectieux. (2) Le corps, y compris les poumons, est colonisé par des bactéries commensales, qui vivent en symbiose avec leur hôte humain. Chez l'adulte, ces bactéries sont connues pour influencer notre système immunitaire, l'éduquant à générer des réponses immunitaires adéquates et efficaces. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons voulu déterminer si ces bactéries symbiotiques étaient impliquées dans l'éducation du système immunitaire du nouveau-né et quelles conséquences cela pourrait avoir sur les réponses immunitaires engendrées par ce dernier. Pour étudier l'effet de ces bactéries symbiotiques, nous avons utilisé des souris stériles, en d'autres termes des souris qui n'hébergent pas ces bactéries symbiotiques. En comparant ces souris stériles à des souris qui abritent une flore microbienne normale, nous avons constaté que les bactéries symbiotiques sont vitales pour la bonne éducation du système immunitaire du nouveau-né. Nous avons démontré que le contact direct des cellules immunitaires avec la flore microbienne dans les poumons modifie le phénotype de ces cellules immunitaires, ce qui change probablement leur réaction au cours de réponses immunitaires. Nous avons donc vérifié si l'éducation immunitaire induite par cette microflore est importante pour prévenir les maladies pulmonaires telles que l'asthme allergique, affections qui sont causées par une réaction excessive du système immunitaire envers des agents inoffensifs. En effet, nous avons observé que le processus de maturation du système immunitaire néonatal, lequel a été déclenché et façonné par la flore microbienne, est important pour éviter une réaction asthmatique exagérée chez la souris adulte. Ce phénomène est dû aux lymphocytes T régulateurs. Ces cellules, dont la présence est induite dans les poumons, ont des capacités immunosuppressives et atténuent donc les réponses immunitaires pour prévenir une inflammation excessive. En conclusion, nous avons montré dans cette thèse que la colonisation par des bactéries symbiotiques tôt dans la vie est un événement décisif pour la maturation du système immunitaire et pour prévenir le développement de l'asthme. Dans l'avenir, il serait intéressant de découvrir quelles bactéries sont présentes dans les poumons du nouveau-né et lesquelles sont directement impliquées dans ce processus de maturation immunitaire. Une prochaine étape serait alors de favoriser la présence de ces bactéries au début de la vie au moyen d'un traitement avec des agents pré- ou probiotiques, ce qui pourrait éventuellement contribuer à une prévention précoce du développement de l'asthme. -- L'asthme est une maladie chronique inflammatoire des voies respiratoires affectant près de 300 millions d'individus dans le monde. Bien que les traits caractéristiques du phénotype asthmatique s'établissent généralement pendant l'enfance, la prédisposition au développement de la maladie est intimement liée à des événements survenant durant la petite enfance, comme le sont par exemple les infections virales respiratoires aiguës. Les mécanismes par lesquels ces événements provoquent un dysfonctionnement immunitaire et, par conséquent, conduisent au développement de l'asthme n'ont pas encore été entièrement décelés. La dysbiose du microbiote des voies respiratoires a été récemment associes au phénotype asthmatique, touisTcis, la cuûoboiatioî! d un lien cause à effet entre la dysbiose microbienne et l'apparition des symptômes asthmatiques reste à être démontrée. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle que joue la colonisation microbienne des voies respiratoires au cours de la petite enfance dans la maturation du système immunitaire ainsi que dans la protection contre l'inflammation pulmonaire de type allergique. Nous avons de surcroît développé un modèle expérimental pour comprendre comment les infections virales respiratoires interfèrent avec ce processus. Dans la première partie de cette thèse, nous avons évalué l'effet d'infections causées par le virus respiratoire syncytial (VRS) sur le développement de l'asthme. En accord avec des études épidémiologiques, nous avons constaté qu'une infection au VRS lors de la période néonatale exacerbait les réponses pulmonaires allergiques ultérieures. Par contraste, une infection à l'âge adulte avait un effet protecteur. Nous avons ainsi démontré que l'influence d'une infection à VRS sur l'issue et la sévérité de l'asthme respiratoire était strictement dépendante de l'âge. Ces résultats nous ont conduit à émettre l'hypothèse que des différences dans le phénotype homéostatique des cellules immunitaires pourraient être responsables de ces disparités liées à l'âge. Par conséquent, dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons suivi et caractérisé le processus de maturation des cellules immunitaires dans les poumons du nouveau-né en condition d'homéostasie. Nous avons découvert que leur phénotype change de façon dynamique pendant le développement néonatal et que la colonisation par des microbes était déterminante pour la maturation des cellules immunitaires dans les poumons. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons démontré comment le microbiote pulmonaire éduque le développement immunitaire durant la période néonatale l'orientant de manière à induire une tolérance face aux aéroallergènes. Nous avons découvert que la colonisation microbienne des voies respiratoires provoque une expression transitoire de PD-L1 sur les cellules dendritiques (CD) pulmonaires du type CD11b+ dans les deux premières semaines de la vie. Cet événement engendre par la suite la génération de lymphocytes T régulateurs (TREG) dans les poumons, lesquels sont responsables de la protection contre une réponse inflammatoire allergique exagérée chez la souris adulte. Par conséquent, nous proposons un rôle pivot de la maturation immunitaire induite par le microbiote pulmonaire dans l'établissement de la tolérance aux aéroallergènes. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse fournissent de nouveaux indices révélant comment des événements se produisant lors de la petite enfance peuvent façonner les réponses du système immunitaire dirigées contre les allergènes et soulignent le rôle central joué par le microbiote pulmonaire dans l'édification d'une réponse immunitaire équilibrée. En résumé, notre travail met en évidence le microbiote pulmonaire comme étant une cible potentielle pour la prévention de certaines maladies respiratoires. -- Asthma is a chronic inflammatory disorder of the respiratory tract and affects approximately 300 million individuals world-wide. Although the asthmatic phenotype commonly establishes during childhood, predisposition towards disease development has been linked to events in early infancy, such as severe respiratory viral infections. However, the mechanisms by which these events cause immune dysfunction and, therefore, lead to the development of asthma have yet to be fully deciphered. Dysbiosis of the airway microbiota has recently been associated with the asthmatic phenotype; however, conclusive evidence for a causal link between microbial dysbiosis in the ail ways and asthma development is still missing. In this thesis we investigated the role of early-life microbial airway colonization in immune maturation and the protection against allergic airway inflammation and established an experimental model to address how respiratory viral infections interfere in this process. In the first part of this thesis we evaluated the effect of Respiratory syncytial virus (RSV) infections on the development of asthma. In concurrence with epidemiological studies, we found that neonatal infection exacerbated subsequent allergic airway inflammation. In contrast, adult infection was protective in the same context. Thus, we could demonstrate that the influence of RSV infection on subsequent allergic airway responses was strictly age-dependent. These findings led us to the hypothesis that differences in the homeostatic phenotype of immune cells could be responsible for the age-related disparities seen within the context of RSV. Therefore, in a second part of this thesis, we followed the process of homeostatic immune cell maturation in the neonatal lung. Immune cell phenotypes changed dynamically during neonatal development. We discovered that the colonization with microbes was central to the maturation of immune cells in the lung. In the last part of this thesis, we demonstrated how microbiota-driven immune development during the neonatal period induces tolerance against aeroallergens. We discovered that microbial colonization led to a transient programmed death-ligand (PD-L) 1 expression on CD11b+ pulmonary dendritic cells (DCs) during the first two weeks of life. This in turn induced regulatory T (TREG) cells in the lung, which were responsible for the protection against exaggerated allergic airway inflammation in adult mice. Thus, we propose a key role for microbiota-driven immune maturation in the establishment of tolerance towards aeroallergens. In conclusion, the results presented in this thesis provide new insights into how early-life events shape pulmonary immune responses towards allergens and suggest the airway microbiota as a key player in establishing a balanced immune response. Overall, our work highlights the airway microbiota as potential target for disease prevention.

Using music as a signal for biofeedback

Studies on the potential benefits of conveying biofeedback stimulus using a musical signal have appeared in recent years with the intent of harnessing the strong effects that music listening may have on subjects. While results are encouraging, the fundamental question has yet to be addressed, of how combined music and biofeedback compares to the already established use of either of these elements separately. This experiment, involving young adults (N = 24), compared the effectiveness at modulating participants' states of physiological arousal of each of the following conditions: A) listening to pre-recorded music, B) sonification biofeedback of the heart rate, and C) an algorithmically modulated musical feedback signal conveying the subject's heart rate. Our hypothesis was that each of the conditions (A), (B) and (C) would differ from the other two in the extent to which it enables participants to increase and decrease their state of physiological arousal, with (C) being more effective than (B), and both more than (A). Several physiological measures and qualitative responses were recorded and analyzed. Results show that using musical biofeedback allowed participants to modulate their state of physiological arousal at least equally well as sonification biofeedback, and much better than just listening to music, as reflected in their heart rate measurements, controlling for respiration-rate. Our findings indicate that the known effects of music in modulating arousal can therefore be beneficially harnessed when designing a biofeedback protocol.

Development of cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for improved characterization of atherosclerotic disease

Atherosclerosis is a chronic cardiovascular disease that involves the thicken¬ing of the artery walls as well as the formation of plaques (lesions) causing the narrowing of the lumens, in vessels such as the aorta, the coronary and the carotid arteries. Magnetic resonance imaging (MRI) is a promising modality for the assessment of atherosclerosis, as it is a non-invasive and patient-friendly procedure that does not use ionizing radiation. MRI offers high soft tissue con¬trast already without the need of intravenous contrast media; while modifica¬tion of the MR pulse sequences allows for further adjustment of the contrast for specific diagnostic needs. As such, MRI can create angiographic images of the vessel lumens to assess stenoses at the late stage of the disease, as well as blood flow-suppressed images for the early investigation of the vessel wall and the characterization of the atherosclerotic plaques. However, despite the great technical progress that occurred over the past two decades, MRI is intrinsically a low sensitive technique and some limitations still exist in terms of accuracy and performance. A major challenge for coronary artery imaging is respiratory motion. State- of-the-art diaphragmatic navigators rely on an indirect measure of motion, per¬form a ID correction, and have long and unpredictable scan time. In response, self-navigation (SM) strategies have recently been introduced that offer 100% scan efficiency and increased ease of use. SN detects respiratory motion di¬rectly from the image data obtained at the level of the heart, and retrospectively corrects the same data before final image reconstruction. Thus, SN holds po-tential for multi-dimensional motion compensation. To this regard, this thesis presents novel SN methods that estimate 2D and 3D motion parameters from aliased sub-images that are obtained from the same raw data composing the final image. Combination of all corrected sub-images produces a final image with reduced motion artifacts for the visualization of the coronaries. The first study (section 2.2, 2D Self-Navigation with Compressed Sensing) consists of a method for 2D translational motion compensation. Here, the use of com- pressed sensing (CS) reconstruction is proposed and investigated to support motion detection by reducing aliasing artifacts. In healthy human subjects, CS demonstrated an improvement in motion detection accuracy with simula¬tions on in vivo data, while improved coronary artery visualization was demon¬strated on in vivo free-breathing acquisitions. However, the motion of the heart induced by respiration has been shown to occur in three dimensions and to be more complex than a simple translation. Therefore, the second study (section 2.3,3D Self-Navigation) consists of a method for 3D affine motion correction rather than 2D only. Here, different techniques were adopted to reduce background signal contribution in respiratory motion tracking, as this can be adversely affected by the static tissue that surrounds the heart. The proposed method demonstrated to improve conspicuity and vi¬sualization of coronary arteries in healthy and cardiovascular disease patient cohorts in comparison to a conventional ID SN method. In the third study (section 2.4, 3D Self-Navigation with Compressed Sensing), the same tracking methods were used to obtain sub-images sorted according to the respiratory position. Then, instead of motion correction, a compressed sensing reconstruction was performed on all sorted sub-image data. This process ex¬ploits the consistency of the sorted data to reduce aliasing artifacts such that the sub-image corresponding to the end-expiratory phase can directly be used to visualize the coronaries. In a healthy volunteer cohort, this strategy improved conspicuity and visualization of the coronary arteries when compared to a con¬ventional ID SN method. For the visualization of the vessel wall and atherosclerotic plaques, the state- of-the-art dual inversion recovery (DIR) technique is able to suppress the signal coming from flowing blood and provide positive wall-lumen contrast. How¬ever, optimal contrast may be difficult to obtain and is subject to RR variability. Furthermore, DIR imaging is time-inefficient and multislice acquisitions may lead to prolonged scanning times. In response and as a fourth study of this thesis (chapter 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), a phase-sensitive DIR method has been implemented and tested in the carotid arteries of a healthy volunteer cohort. By exploiting the phase information of images acquired after DIR, the proposed phase-sensitive method enhances wall-lumen contrast while widens the window of opportunity for image acquisition. As a result, a 3-fold increase in volumetric coverage is obtained at no extra cost in scanning time, while image quality is improved. In conclusion, this thesis presented novel methods to address some of the main challenges for MRI of atherosclerosis: the suppression of motion and flow artifacts for improved visualization of vessel lumens, walls and plaques. Such methods showed to significantly improve image quality in human healthy sub¬jects, as well as scan efficiency and ease-of-use of MRI. Extensive validation is now warranted in patient populations to ascertain their diagnostic perfor¬mance. Eventually, these methods may bring the use of atherosclerosis MRI closer to the clinical practice. Résumé L'athérosclérose est une maladie cardiovasculaire chronique qui implique le épaississement de la paroi des artères, ainsi que la formation de plaques (lé¬sions) provoquant le rétrécissement des lumières, dans des vaisseaux tels que l'aorte, les coronaires et les artères carotides. L'imagerie par résonance magné¬tique (IRM) est une modalité prometteuse pour l'évaluation de l'athérosclérose, car il s'agit d'une procédure non-invasive et conviviale pour les patients, qui n'utilise pas des rayonnements ionisants. L'IRM offre un contraste des tissus mous très élevé sans avoir besoin de médias de contraste intraveineux, tan¬dis que la modification des séquences d'impulsions de RM permet en outre le réglage du contraste pour des besoins diagnostiques spécifiques. À ce titre, l'IRM peut créer des images angiographiques des lumières des vaisseaux pour évaluer les sténoses à la fin du stade de la maladie, ainsi que des images avec suppression du flux sanguin pour une première enquête des parois des vais¬seaux et une caractérisation des plaques d'athérosclérose. Cependant, malgré les grands progrès techniques qui ont eu lieu au cours des deux dernières dé¬cennies, l'IRM est une technique peu sensible et certaines limitations existent encore en termes de précision et de performance. Un des principaux défis pour l'imagerie de l'artère coronaire est le mou¬vement respiratoire. Les navigateurs diaphragmatiques de pointe comptent sur une mesure indirecte de mouvement, effectuent une correction 1D, et ont un temps d'acquisition long et imprévisible. En réponse, les stratégies d'auto- navigation (self-navigation: SN) ont été introduites récemment et offrent 100% d'efficacité d'acquisition et une meilleure facilité d'utilisation. Les SN détectent le mouvement respiratoire directement à partir des données brutes de l'image obtenue au niveau du coeur, et rétrospectivement corrigent ces mêmes données avant la reconstruction finale de l'image. Ainsi, les SN détiennent un poten¬tiel pour une compensation multidimensionnelle du mouvement. A cet égard, cette thèse présente de nouvelles méthodes SN qui estiment les paramètres de mouvement 2D et 3D à partir de sous-images qui sont obtenues à partir des mêmes données brutes qui composent l'image finale. La combinaison de toutes les sous-images corrigées produit une image finale pour la visualisation des coronaires ou les artefacts du mouvement sont réduits. La première étude (section 2.2,2D Self-Navigation with Compressed Sensing) traite d'une méthode pour une compensation 2D de mouvement de translation. Ici, on étudie l'utilisation de la reconstruction d'acquisition comprimée (compressed sensing: CS) pour soutenir la détection de mouvement en réduisant les artefacts de sous-échantillonnage. Chez des sujets humains sains, CS a démontré une amélioration de la précision de la détection de mouvement avec des simula¬tions sur des données in vivo, tandis que la visualisation de l'artère coronaire sur des acquisitions de respiration libre in vivo a aussi été améliorée. Pourtant, le mouvement du coeur induite par la respiration se produit en trois dimensions et il est plus complexe qu'un simple déplacement. Par conséquent, la deuxième étude (section 2.3, 3D Self-Navigation) traite d'une méthode de cor¬rection du mouvement 3D plutôt que 2D uniquement. Ici, différentes tech¬niques ont été adoptées pour réduire la contribution du signal du fond dans le suivi de mouvement respiratoire, qui peut être influencé négativement par le tissu statique qui entoure le coeur. La méthode proposée a démontré une amélioration, par rapport à la procédure classique SN de correction 1D, de la visualisation des artères coronaires dans le groupe de sujets sains et des pa¬tients avec maladies cardio-vasculaires. Dans la troisième étude (section 2.4,3D Self-Navigation with Compressed Sensing), les mêmes méthodes de suivi ont été utilisées pour obtenir des sous-images triées selon la position respiratoire. Au lieu de la correction du mouvement, une reconstruction de CS a été réalisée sur toutes les sous-images triées. Cette procédure exploite la cohérence des données pour réduire les artefacts de sous- échantillonnage de telle sorte que la sous-image correspondant à la phase de fin d'expiration peut directement être utilisée pour visualiser les coronaires. Dans un échantillon de volontaires en bonne santé, cette stratégie a amélioré la netteté et la visualisation des artères coronaires par rapport à une méthode classique SN ID. Pour la visualisation des parois des vaisseaux et de plaques d'athérosclérose, la technique de pointe avec double récupération d'inversion (DIR) est capa¬ble de supprimer le signal provenant du sang et de fournir un contraste posi¬tif entre la paroi et la lumière. Pourtant, il est difficile d'obtenir un contraste optimal car cela est soumis à la variabilité du rythme cardiaque. Par ailleurs, l'imagerie DIR est inefficace du point de vue du temps et les acquisitions "mul- tislice" peuvent conduire à des temps de scan prolongés. En réponse à ce prob¬lème et comme quatrième étude de cette thèse (chapitre 3, Vessel Wall MRI of the Carotid Arteries), une méthode de DIR phase-sensitive a été implémenté et testé

Cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for motion-suppressed multi-dimensional coronary artery imaging with high spatial and temporal resolution

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut fournir aux cardiologues des informations diagnostiques importantes sur l'état de la maladie de l'artère coronarienne dans les patients. Le défi majeur pour l'IRM cardiaque est de gérer toutes les sources de mouvement qui peuvent affecter la qualité des images en réduisant l'information diagnostique. Cette thèse a donc comme but de développer des nouvelles techniques d'acquisitions des images IRM, en changeant les techniques de compensation du mouvement, pour en augmenter l'efficacité, la flexibilité, la robustesse et pour obtenir plus d'information sur le tissu et plus d'information temporelle. Les techniques proposées favorisent donc l'avancement de l'imagerie des coronaires dans une direction plus maniable et multi-usage qui peut facilement être transférée dans l'environnement clinique. La première partie de la thèse s'est concentrée sur l'étude du mouvement des artères coronariennes sur des patients en utilisant la techniques d'imagerie standard (rayons x), pour mesurer la précision avec laquelle les artères coronariennes retournent dans la même position battement après battement (repositionnement des coronaires). Nous avons découvert qu'il y a des intervalles dans le cycle cardiaque, tôt dans la systole et à moitié de la diastole, où le repositionnement des coronaires est au minimum. En réponse nous avons développé une nouvelle séquence d'acquisition (T2-post) capable d'acquérir les données aussi tôt dans la systole. Cette séquence a été testée sur des volontaires sains et on a pu constater que la qualité de visualisation des artère coronariennes est égale à celle obtenue avec les techniques standard. De plus, le rapport signal sur bruit fourni par la séquence d'acquisition proposée est supérieur à celui obtenu avec les techniques d'imagerie standard. La deuxième partie de la thèse a exploré un paradigme d'acquisition des images cardiaques complètement nouveau pour l'imagerie du coeur entier. La technique proposée dans ce travail acquiert les données sans arrêt (free-running) au lieu d'être synchronisée avec le mouvement cardiaque. De cette façon, l'efficacité de la séquence d'acquisition est augmentée de manière significative et les images produites représentent le coeur entier dans toutes les phases cardiaques (quatre dimensions, 4D). Par ailleurs, l'auto-navigation de la respiration permet d'effectuer cette acquisition en respiration libre. Cette technologie rend possible de visualiser et évaluer l'anatomie du coeur et de ses vaisseaux ainsi que la fonction cardiaque en quatre dimensions et avec une très haute résolution spatiale et temporelle, sans la nécessité d'injecter un moyen de contraste. Le pas essentiel qui a permis le développement de cette technique est l'utilisation d'une trajectoire d'acquisition radiale 3D basée sur l'angle d'or. Avec cette trajectoire, il est possible d'acquérir continûment les données d'espace k, puis de réordonner les données et choisir les paramètres temporel des images 4D a posteriori. L'acquisition 4D a été aussi couplée avec un algorithme de reconstructions itératif (compressed sensing) qui permet d'augmenter la résolution temporelle tout en augmentant la qualité des images. Grâce aux images 4D, il est possible maintenant de visualiser les artères coronariennes entières dans chaque phase du cycle cardiaque et, avec les mêmes données, de visualiser et mesurer la fonction cardiaque. La qualité des artères coronariennes dans les images 4D est la même que dans les images obtenues avec une acquisition 3D standard, acquise en diastole Par ailleurs, les valeurs de fonction cardiaque mesurées au moyen des images 4D concorde avec les valeurs obtenues avec les images 2D standard. Finalement, dans la dernière partie de la thèse une technique d'acquisition a temps d'écho ultra-court (UTE) a été développée pour la visualisation in vivo des calcifications des artères coronariennes. Des études récentes ont démontré que les acquisitions UTE permettent de visualiser les calcifications dans des plaques athérosclérotiques ex vivo. Cepandent le mouvement du coeur a entravé jusqu'à maintenant l'utilisation des techniques UTE in vivo. Pour résoudre ce problème nous avons développé une séquence d'acquisition UTE avec trajectoire radiale 3D et l'avons testée sur des volontaires. La technique proposée utilise une auto-navigation 3D pour corriger le mouvement respiratoire et est synchronisée avec l'ECG. Trois échos sont acquis pour extraire le signal de la calcification avec des composants au T2 très court tout en permettant de séparer le signal de la graisse depuis le signal de l'eau. Les résultats sont encore préliminaires mais on peut affirmer que la technique développé peut potentiellement montrer les calcifications des artères coronariennes in vivo. En conclusion, ce travail de thèse présente trois nouvelles techniques pour l'IRM du coeur entier capables d'améliorer la visualisation et la caractérisation de la maladie athérosclérotique des coronaires. Ces techniques fournissent des informations anatomiques et fonctionnelles en quatre dimensions et des informations sur la composition du tissu auparavant indisponibles. CORONARY artery magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to provide the cardiologist with relevant diagnostic information relative to coronary artery disease of patients. The major challenge of cardiac MRI, though, is dealing with all sources of motions that can corrupt the images affecting the diagnostic information provided. The current thesis, thus, focused on the development of new MRI techniques that change the standard approach to cardiac motion compensation in order to increase the efficiency of cardioavscular MRI, to provide more flexibility and robustness, new temporal information and new tissue information. The proposed approaches help in advancing coronary magnetic resonance angiography (MRA) in the direction of an easy-to-use and multipurpose tool that can be translated to the clinical environment. The first part of the thesis focused on the study of coronary artery motion through gold standard imaging techniques (x-ray angiography) in patients, in order to measure the precision with which the coronary arteries assume the same position beat after beat (coronary artery repositioning). We learned that intervals with minimal coronary artery repositioning occur in peak systole and in mid diastole and we responded with a new pulse sequence (T2~post) that is able to provide peak-systolic imaging. Such a sequence was tested in healthy volunteers and, from the image quality comparison, we learned that the proposed approach provides coronary artery visualization and contrast-to-noise ratio (CNR) comparable with the standard acquisition approach, but with increased signal-to-noise ratio (SNR). The second part of the thesis explored a completely new paradigm for whole- heart cardiovascular MRI. The proposed techniques acquires the data continuously (free-running), instead of being triggered, thus increasing the efficiency of the acquisition and providing four dimensional images of the whole heart, while respiratory self navigation allows for the scan to be performed in free breathing. This enabling technology allows for anatomical and functional evaluation in four dimensions, with high spatial and temporal resolution and without the need for contrast agent injection. The enabling step is the use of a golden-angle based 3D radial trajectory, which allows for a continuous sampling of the k-space and a retrospective selection of the timing parameters of the reconstructed dataset. The free-running 4D acquisition was then combined with a compressed sensing reconstruction algorithm that further increases the temporal resolution of the 4D dataset, while at the same time increasing the overall image quality by removing undersampling artifacts. The obtained 4D images provide visualization of the whole coronary artery tree in each phases of the cardiac cycle and, at the same time, allow for the assessment of the cardiac function with a single free- breathing scan. The quality of the coronary arteries provided by the frames of the free-running 4D acquisition is in line with the one obtained with the standard ECG-triggered one, and the cardiac function evaluation matched the one measured with gold-standard stack of 2D cine approaches. Finally, the last part of the thesis focused on the development of ultrashort echo time (UTE) acquisition scheme for in vivo detection of calcification in the coronary arteries. Recent studies showed that UTE imaging allows for the coronary artery plaque calcification ex vivo, since it is able to detect the short T2 components of the calcification. The heart motion, though, prevented this technique from being applied in vivo. An ECG-triggered self-navigated 3D radial triple- echo UTE acquisition has then been developed and tested in healthy volunteers. The proposed sequence combines a 3D self-navigation approach with a 3D radial UTE acquisition enabling data collection during free breathing. Three echoes are simultaneously acquired to extract the short T2 components of the calcification while a water and fat separation technique allows for proper visualization of the coronary arteries. Even though the results are still preliminary, the proposed sequence showed great potential for the in vivo visualization of coronary artery calcification. In conclusion, the thesis presents three novel MRI approaches aimed at improved characterization and assessment of atherosclerotic coronary artery disease. These approaches provide new anatomical and functional information in four dimensions, and support tissue characterization for coronary artery plaques.

GROWTH, YIELD AND POSTHARVEST QUALITY OF WAX APPLE AS AFFECTED BY NAPHTHALENE ACETIC ACID APPLICATION

Results of this study represent the first report of the effect of Naphthalene Acetic Acid (NAA) on the pre and post harvest quality of wax apple fruit. The wax apple trees were spray treated with 0, 5, 10 and 20 mg L-1 NAA under field conditions during 2008 to 2011. The experiments were carried out in Completely Randomized Design (CRD) with six replications. Leaf chlorophyll content, chlorophyll fluorescence, photosynthetic yield, net photosynthetic rate, drymatter content of leaves and total soluble solids and K+content of wax apple fruits were significantly increased after treatments with 10 mg L-1. Polygalacturonase activity significantly decreased with NAA treatments. The application of 5 mg L-1 NAA increased 27% more bud and reduced 42% less fruit drop compared to the control. In addition, higher protein and phosphate synthase activity of leaves, fruit set, fruit growth, larger fruit size and yield were recorded in NAA treated plants. In storage, treated fruits exhibited higher TSS and firmness and less weight loss, browning, titratable acidity, respiration and ethylene production than the control. It is concluded that spraying with 5 and 10 mg L-1 NAA once a week under field conditions produced better fruit growth and yield of the wax apple and maintained better fruit quality in postharvest storage.

Single centre experience of the application of self navigated 3D whole heart cardiovascular magnetic resonance for the assessment of cardiac anatomy in congenital heart disease.

BACKGROUND: For free-breathing cardiovascular magnetic resonance (CMR), the self-navigation technique recently emerged, which is expected to deliver high-quality data with a high success rate. The purpose of this study was to test the hypothesis that self-navigated 3D-CMR enables the reliable assessment of cardiovascular anatomy in patients with congenital heart disease (CHD) and to define factors that affect image quality. METHODS: CHD patients ≥2 years-old and referred for CMR for initial assessment or for a follow-up study were included to undergo a free-breathing self-navigated 3D CMR at 1.5T. Performance criteria were: correct description of cardiac segmental anatomy, overall image quality, coronary artery visibility, and reproducibility of great vessels diameter measurements. Factors associated with insufficient image quality were identified using multivariate logistic regression. RESULTS: Self-navigated CMR was performed in 105 patients (55% male, 23 ± 12y). Correct segmental description was achieved in 93% and 96% for observer 1 and 2, respectively. Diagnostic quality was obtained in 90% of examinations, and it increased to 94% if contrast-enhanced. Left anterior descending, circumflex, and right coronary arteries were visualized in 93%, 87% and 98%, respectively. Younger age, higher heart rate, lower ejection fraction, and lack of contrast medium were independently associated with reduced image quality. However, a similar rate of diagnostic image quality was obtained in children and adults. CONCLUSION: In patients with CHD, self-navigated free-breathing CMR provides high-resolution 3D visualization of the heart and great vessels with excellent robustness.

The ADO Index as a Predictor of Two-Year Mortality in General Practice-Based Chronic Obstructive Pulmonary Disease Cohorts.

BACKGROUND: Existing prediction models for mortality in chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients have not yet been validated in primary care, which is where the majority of patients receive care. OBJECTIVES: Our aim was to validate the ADO (age, dyspnoea, airflow obstruction) index as a predictor of 2-year mortality in 2 general practice-based COPD cohorts. METHODS: Six hundred and forty-six patients with COPD with GOLD (Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease) stages I-IV were enrolled by their general practitioners and followed for 2 years. The ADO regression equation was used to predict a 2-year risk of all-cause mortality in each patient and this risk was compared with the observed 2-year mortality. Discrimination and calibration were assessed as well as the strength of association between the 15-point ADO score and the observed 2-year all-cause mortality. RESULTS: Fifty-two (8.1%) patients died during the 2-year follow-up period. Discrimination with the ADO index was excellent with an area under the curve of 0.78 [95% confidence interval (CI) 0.71-0.84]. Overall, the predicted and observed risks matched well and visual inspection revealed no important differences between them across 10 risk classes (p = 0.68). The odds ratio for death per point increase according to the ADO index was 1.50 (95% CI 1.31-1.71). CONCLUSIONS: The ADO index showed excellent prediction properties in an out-of-population validation carried out in COPD patients from primary care settings. © 2014 S. Karger AG, Basel.

International comparison of the German evidence-based S3-guidelines on the diagnosis and multimodal treatment of early and locally advanced gastric cancer, including adenocarcinoma of the lower esophagus.

BACKGROUND: Clinical guidelines are essential in implementing and maintaining nationwide stage-specific diagnostic and therapeutic standards. In 2011, the first German expert consensus guideline defined the evidence for diagnosis and treatment of early and locally advanced esophagogastric cancers. Here, we compare this guideline with other national guidelines as well as current literature. METHODS: The German S3-guideline used an approved development process with de novo literature research, international guideline adaptation, or good clinical practice. Other recent evidence-based national guidelines and current references were compared with German recommendations. RESULTS: In the German S3 and other Western guidelines, adenocarcinomas of the esophagogastric junction (AEG) are classified according to formerly defined AEG I-III subgroups due to the high surgical impact. To stage local disease, computed tomography of the chest and abdomen and endosonography are reinforced. In contrast, laparoscopy is optional for staging. Mucosal cancers (T1a) should be endoscopically resected "en-bloc" to allow complete histological evaluation of lateral and basal margins. For locally advanced cancers of the stomach or esophagogastric junction (≥T3N+), preferred treatment is preoperative and postoperative chemotherapy. Preoperative radiochemotherapy is an evidence-based alternative for large AEG type I-II tumors (≥T3N+). Additionally, some experts recommend treating T2 tumors with a similar approach, mainly because pretherapeutic staging is often considered to be unreliable. CONCLUSIONS: The German S3 guideline represents an up-to-date European position with regard to diagnosis, staging, and treatment recommendations for patients with locally advanced esophagogastric cancer. Effects of perioperative chemotherapy versus chemoradiotherapy are still to be investigated for adenocarcinoma of the cardia and the lower esophagus.

Apnea-like suppression of respiratory motion: First evaluation in radiotherapy.

BACKGROUND AND PURPOSE: Compensation for respiratory motion is needed while administering radiotherapy (RT) to tumors that are moving with respiration to reduce the amount of irradiated normal tissues and potentially decrease radiation-induced collateral damages. The purpose of this study was to test a new ventilation system designed to induce apnea-like suppression of respiratory motion and allow long enough breath hold durations to deliver complex RT. MATERIAL AND METHODS: The High Frequency Percussive Ventilation system was initially tested in a series of 10 volunteers and found to be well tolerated, allowing a median breath hold duration of 11.6min (range 3.9-16.5min). An evaluation of this system was subsequently performed in 4 patients eligible for adjuvant breast 3D conformal RT, for lung stereotactic body RT (SBRT), lung volumetric modulated arc therapy (VMAT), and VMAT for palliative pleural metastases. RESULTS: When compared to free breathing (FB) and maximal inspiration (MI) gating, this Percussion Assisted RT (PART) offered favorable dose distribution profiles in 3 out of the 4 patients tested. PART was applied in these 3 patients with good tolerance, without breaks during the "beam on time period" throughout the overall courses of RT. The mean duration of the apnea-like breath hold that was necessary for delivering all the RT fractions was 7.61min (SD=2.3). CONCLUSIONS: This first clinical implementation of PART was found to be feasible, tolerable and offers new opportunities in the field of RT for suppressing respiratory motion.

Keeping the balance? Management of oxidative stress, body mass and reproduction under energetic constraints by dispersing and philopatric collared flycatchers.

Dispersal, i.e. individual movement between breeding sites, is a key process for metapopulation dynamics and gene flow. Its success can be modulated by phenotypic differences between dispersing and philopatric individuals, or dispersal syndromes. However, the environmental (external) and physiological (internal) constraints underlying such syndromes remain poorly known. This project aimed at clarifying the impact of environmental variation and oxidative constraints, linked to the reactive oxygen species produced during respiration, on phenotypes associated to dispersal in a passerine bird, the collared flycatcher Ficedula albicollis. Energetic demand was experimentally (i) increased through a wing load manipulation or (ii) relieved through food supplementation. The oxidative balance of breeding flycatchers was influenced by complex interactions of dispersal status and extrinsic factors (breeding density, year, experimental treatments). Interestingly, antioxidant capacity was influenced both by permanent individual differences and by food availability, whereas measures of pro-oxidants were highly variables within individuals. Environmental variation and energetic constraints also modulated the differences in reproduction associated with dispersal: dispersing and philopatric birds differ in their management of the oxidative balance when it is competing with reproductive investment. This thesis highlights that reaction norms, rather than fixed differences, often shape traits associated to dispersal. ----- Le déplacement d'un individu entre sites de reproduction, ou dispersion, est un processus clé pour la dynamique des métapopulations et les flux de gènes. Son succès peut être modulé par des différences de phénotype, ou syndromes de dispersion. Cependant, les contraintes environnementales et physiologiques qui sous-tendent ces syndromes restent mal connues. Ce projet vise à clarifier l'impact des variations environnementales et des contraintes oxydatives (liées aux espèces réactives de l'oxygène produites durant la respiration) sur les phénotypes associés à la dispersion chez un passereau, le gobemouche à collier Ficedula albicollis. La demande énergétique a été expérimentalement (i) augmentée en manipulant la surface alaire ou (ii) diminuée par une supplémentation en nourriture. L'équilibre oxydo-réducteur des gobemouches en reproduction est influencé par des interactions complexes entre statut de dispersion et facteurs extrinsèques (densité de couples reproducteurs, année, traitement expérimental). La capacité antioxydante dépend principalement de différences permanentes entre individus, alors que les pro-oxydants présentent de grandes variations intra-individu. Environnement et contraintes énergétiques modulent aussi les différences de reproduction liées à la dispersion : les oiseaux dispersants et philopatriques diffèrent dans leur gestion de l'équilibre oxydo-réducteur lorsqu'il est en compétition avec l'investissement reproducteur. Ce travail souligne que les traits associés à la dispersion sont souvent déterminés par des normes de réaction à l'environnement et non des différences fixées entre individus.

Performance and Methodological Aspects in Positron Emission Tomography

Performance standards for Positron emission tomography (PET) were developed to be able to compare systems from different generations and manufacturers. This resulted in the NEMA methodology in North America and the IEC in Europe. In practices, the NEMA NU 2- 2001 is the method of choice today. These standardized methods allow assessment of the physical performance of new commercial dedicated PET/CT tomographs. The point spread in image formation is one of the factors that blur the image. The phenomenon is often called the partial volume effect. Several methods for correcting for partial volume are under research but no real agreement exists on how to solve it. The influence of the effect varies in different clinical settings and it is likely that new methods are needed to solve this problem. Most of the clinical PET work is done in the field of oncology. The whole body PET combined with a CT is the standard investigation today in oncology. Despite the progress in PET imaging technique visualization, especially quantification of small lesions is a challenge. In addition to partial volume, the movement of the object is a significant source of error. The main causes of movement are respiratory and cardiac motions. Most of the new commercial scanners are in addition to cardiac gating, also capable of respiratory gating and this technique has been used in patients with cancer of the thoracic region and patients being studied for the planning of radiation therapy. For routine cardiac applications such as assessment of viability and perfusion only cardiac gating has been used. However, the new targets such as plaque or molecular imaging of new therapies require better control of the cardiac motion also caused by respiratory motion. To overcome these problems in cardiac work, a dual gating approach has been proposed. In this study we investigated the physical performance of a new whole body PET/CT scanner with NEMA standard, compared methods for partial volume correction in PET studies of the brain and developed and tested a new robust method for dual cardiac-respiratory gated PET with phantom, animal and human data. Results from performance measurements showed the feasibility of the new scanner design in 2D and 3D whole body studies. Partial volume was corrected, but there is no best method among those tested as the correction also depends on the radiotracer and its distribution. New methods need to be developed for proper correction. The dual gating algorithm generated is shown to handle dual-gated data, preserving quantification and clearly eliminating the majority of contraction and respiration movement

Termoquímica na Unicamp: depoimento sobre uma jornada de 25 anos

This article describes the progress of a group of investigation on thermochemistry, which started in 1972. A homemade calorimeter was employed to provide quantitative support to the information on interative effect between lanthanide cations and halides or pseudohalides, in non-aqueous solvents, previously derived from conductometric titrations. However, the features of this instrument were not able to detect the thermal effects. Therefore, the great input to the group came from the acquisition of an LKB commercial apparatus, by the University in 1975. Considering the historical development of the coordination chemistry in Brazil, which was previously dedicated to strutural features of adducts, without focusing the energetic envolved in any coordinationcompound. Since starting the thermochemistry study, numerous masters and doctoral thesis covering more than a hundred adducts and a reasonable number of chelates, were presented systematizing data in order to understand the behavior of this kind of coordination compounds (C. Airoldi and A. P. Chagas, Coord. Chem. Rev. 1992, 119, 29). This knowledge enabled an extension of the study to include some heterogeneous systems formed by natural or synthetic materials like immobilized silica gel, lamellar phosphate, phosphonate or sulphate compounds, clays, polysaccharides, chrysotile, soils, etc. Many students are now engaged as staff members in Universities, Research Instituitions or other private institutions, developing many activities. Due to a multiplying effect on the formation of researchers, the group is now reaching the fourth generation.

Reanimació cardiopulmonar sense ventilació

Aquest estudi emmarcat dins un treball de final del Màster en Promoció de la Salut m’ha servit per veure que encara hi ha un llarg recorregut a investigar en el camp de la reanimació cardiopulmonar. Les 3 línees sorgides son: com millorar la qualitat en RCP, buscar estratègies per augmentar les freqüències mitges de compressió toràcica externa i com ensenyar a retenir les tècniques de RCP Penso que totes elles s’aniran desenvolupant en els propers anys i que aquelles accions que vagin encaminades a millorar la supervivència de la principal causa de mort dels europeus en edat compreses entre els 35 i 36 anys hauria de ser una tasca prioritària en investigació

Caracterização de 2,2',4,4',6,6'-hexanitroestilbeno via análises instrumentais

2,2',4,4',6,6'-hexanitrostilbene (HNS) is a very important high explosive that is used in a range of military, aerospace and industrial formulations owing to its suitable properties. It is an insensitive and thermaly stable explosive that can be produced from 2,4,6-trinitrotoluene (TNT). This paper shows the characterization of synthesized HNS by different techniques, such as elementary analysis, differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TG), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and through the determination of the heat of combustion in a calorimeter.

Efecto de los usos del suelo en la emisión de dióxido de carbono del suelo a la atmósfera en un agroecosistema semiárido del Valle del Ebro

Los cambios en los usos del suelo han contribuido de manera importante al incremento de gases de efecto invernadero en la atmósfera, especialmente de dióxido de carbono, aumentando sus emisiones desde 1970 en un 80%. Estos cambios causan la alteración de los suelos provocando un impacto sobre el ciclo del carbono, aumentando las tasas de descomposición de la fracción orgánica creando así un flujo de CO2 a la atmosfera. Entre las recomendaciones del Panel Intergubernamental de expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, en inglés), y contemplado en el Protocolo de Kyoto, se encuentra el proceso de secuestro de carbono en suelos, que implica la eliminación del CO2 atmosférico por parte de las plantas y su almacenamiento como materia orgánica del suelo. Para poder favorecer dicho proceso, en un determinado tipo de ecosistema, es fundamental conocer cuáles son los factores que gobiernan la respiración del suelo y el impacto que tienen los diferentes usos en la emisión de CO2. En el presente trabajo se han estudiado 4 usos del suelo representativos del secano aragonés: un monocultivo de cebada en siembra directa (NT), un suelo abandonado labrado (AC), un suelo abandonado no alterado (AU) y un suelo forestal (FR) con el objetivo de conocer sus tasas de respiración, la influencia de diferentes parámetros edáficos en ellas, y proponer cambios en el uso del suelo que ayuden a mitigar estas emisiones. Además, se ha dedicado un apartado para conocer cómo influyen diferentes técnicas de fertilización nitrogenada (mineral y orgánica) en la respiración de un monocultivo de cebada en siembra directa. En cuanto a los usos, los resultados obtenidos tanto in situ como en laboratorio muestran una mayor respiración en AC, siendo los valores más bajos los de NT y FR. Una de las principales conclusiones es que la supresión del laboreo y del periodo de barbecho largo, así como la conversión de tierras abandonadas y marginales a cultivos y zonas forestales se presentan en este tipo de ecosistemas como prácticas de secuestro de carbono. En el estudio de aplicación de fertilizantes, no se observó ningún cambio en la respiración del suelo después de la aplicación de nitrógeno mineral. En cambio, el suelo fertilizado con purín sí que mostró picos de emisión durante las siguientes horas a la incorporación de éste, debido fundamentalmente a su alto contenido de carbono lábil.