Engineered underdominance as a method of insect population replacement and reproductive isolation

Insect vector-borne diseases, such as malaria and dengue fever (both spread by mosquito vectors), continue to significantly impact health worldwide, despite the efforts put forth to eradicate them. Suppression strategies utilizing genetically modified disease-refractory insects have surfaced as an attractive means of disease control, and progress has been made on engineering disease-resistant insect vectors. However, laboratory-engineered disease refractory genes would probably not spread in the wild, and would most likely need to be linked to a gene drive system in order to proliferate in native insect populations. Underdominant systems like translocations and engineered underdominance have been proposed as potential mechanisms for spreading disease refractory genes. Not only do these threshold-dependent systems have certain advantages over other potential gene drive mechanisms, such as localization of gene drive and removability, extreme engineered underdominance can also be used to bring about reproductive isolation, which may be of interest in controlling the spread of GMO crops. Proof-of-principle establishment of such drive mechanisms in a well-understood and studied insect, such as Drosophila melanogaster, is essential before more applied systems can be developed for the less characterized vector species of interest, such as mosquitoes. This work details the development of several distinct types of engineered underdominance and of translocations in Drosophila, including ones capable of bringing about reproductive isolation and population replacement, as a proof of concept study that can inform efforts to construct such systems in insect disease vectors.

Flexible microimplants for in vivo sensing

The work in this thesis develops two types of microimplants for the application of cardiovascular in vivo biomedical sensing, one for short-term diagnosis and the other for long-term monitoring.

Despite advances in diagnosis and therapy, atherosclerotic cardiovascular disease remains the leading cause of morbidity and mortality in the Western world. Predicting metabolically active atherosclerotic plaques has remained an unmet clinical need. A stretchable impedance sensor manifested as a pair of quasi-concentric microelectrodes was developed to detect unstable intravascular. By integrating the impedance sensor with a cardiac catheter, high-resolution Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements can be conducted during cardiac catheterization. An inflatable silicone balloon is added to the sensor to secure a well-controlled contact with the plaque under test in vivo. By deploying the device to the explants of NZW rabbit aorta and live animals, distinct EIS measurements were observed for unstable atherosclerotic plaques that harbored active lipids and inflammatory cells.

On the other hand, zebrafish (Danio rerio) is an emerging genetic model for heart regenerative medicine. In humans, myocardial infarction results in the irreversible loss of cardiomyocytes. Zebrafish hearts can fully regenerate after two months with 20% ventricular resection. Long-term electrocardiogram (ECG) recording can characterize the heart regeneration in a functional dimension. A flexible microelectrode membrane was developed to be percutaneously implanted onto a zebrafish heart and record epicardial ECG signals from specific regions on it. Region-specific aberrant cardiac signals were obtained from injured and regenerated hearts. Following that, in order to achieve continuous and wireless recording from non-sedated and non-restricted small animal models, a wireless ECG recording system was designed for the microelectrode membrane, prototyped on a printed circuit board and demonstrated on a one-day-old neonatal mouse. Furthermore, a flexible and compact parylene C printed circuit membrane was used as the integration platform for the wireless ECG recording electronics. A substantially miniature wireless ECG recording system was achieved.

Test particle motion in a Lorentz gas

This is a two-part thesis concerning the motion of a test particle in a bath. In part one we use an expansion of the operator PLe^it(1-P)LLP to shape the Zwanzig equation into a generalized Fokker-Planck equation which involves a diffusion tensor depending on the test particle's momentum and the time.

In part two the resultant equation is studied in some detail for the case of test particle motion in a weakly coupled Lorentz Gas. The diffusion tensor for this system is considered. Some of its properties are calculated; it is computed explicitly for the case of a Gaussian potential of interaction.

The equation for the test particle distribution function can be put into the form of an inhomogeneous Schroedinger equation. The term corresponding to the potential energy in the Schroedinger equation is considered. Its structure is studied, and some of its simplest features are used to find the Green's function in the limiting situations of low density and long time.

A via L-arginina-óxido nítrico no transtorno depressivo e sua associação com a função plaquetária e o estresse oxidativo

O transtorno depressivo (TD) é um fator de risco cardiovascular independente que apresenta elevada morbi-mortalidade. Recentes evidências sugerem a participação do óxido nítrico (NO), potente vasodilatador e anti-agregante plaquetário, na patogênese de doenças cardiovasculares e psiquiátricas. A síntese do NO ocorre através da conversão do aminoácido L-arginina em L-citrulina e NO, pela ação da enzima NO sintase (NOS). Esta tese aborda o papel da via L-arginina-NO em plaquetas de pacientes com TD e sua associação com a função plaquetária e estresse oxidativo. Para análise comportamental da depressão em modelo animal, foi utilizado o modelo de estresse pós-natal de separação única (SMU). Os animais foram divididos em quatro grupos para a realização do estudo: Grupo Controle Sedentário (GCS), Grupo Controle Exercício (GCE), Grupo SMU Sedentário (SMUS) e Grupo SMU Exercício (SMUE). O treinamento físico (TF) dos animais englobou 8 semanas, com duração de 30 minutos e uma velocidade de treinamento estabelecida pelo teste máximo (TE). Para o estudo em humanos, 10 pacientes com TD com score Hamilton: 201, (média de idade: 384anos), foram pareados com 10 indivíduos saudáveis (média de idade: 383anos). Os estudos em humanos e animais foram aprovados pelos Comitês de Ética: 1436 - CEP/HUPE e CEUA/047/2010, respectivamente. Foi mensurado em humanos e em animais: transporte de L-arginina, concentração GMPc, atividade das enzimas NOS e superóxido dismutase (SOD) em plaquetas e cortisol sistêmico. Experimentos realizados somente em humanos: expressão das enzimas NOS, arginase e guanilato ciclase através de Western Blotting. A agregação plaquetária foi induzida por colágeno e foi realizada análise sistêmica de proteína C-reativa, fibrinogênio e L-arginina. Para o tratamento estatístico utilizou-se três testes estatísticos para avaliar as diferenças das curvas de sobrevida: Kaplan-Meier, e os testes de Tarone-Ware e Peto-Prentice. Em humanos, houve uma redução do transporte de L-arginina, da atividade das enzimas NOS e SOD, e da concentração de GMPc em plaquetas, e nas concentrações plasmáticas de L-arginina no grupo com TD em relação ao grupo controle. Foi observado um aumento dos níveis plasmáticos de fibrinogênio no TD. Esses resultados demonstram uma inibição da via L-arginina-NO-GMPc e da enzima anti-oxidante SOD em pacientes com TD sem afetar a função plaquetária. Em relação ao TF, para o modelo animal, foram encontradas alterações iniciais quanto à distância percorrida e tempo de execução do TE entre os grupos controles e o grupos SMUs, apresentando estes últimos menores valores para o TE. Após 8 semanas de TF, verificou-se um maior influxo no transporte de L-arginina para o SMUE em comparação ao grupo SMUS. As diferenças observadas para o tempo e a distância percorrida no TE inicial entre os grupos controle e no modelo de estresse foram revertidas após as 8 semanas de TF, demonstrando o efeito benéfico do exercício físico na capacidade cardiorespiratória em modelos de depressão.

Ecologia de Astyanax taeniatus na Bacia do Rio Mato Grosso, Saquarema - RJ: Dieta, uso do micro-hábitat e uma breve análise comportamental

Neste trabalho tivemos como objetivo caracterizar a dieta, uso do habitat e padrões comportamentais de Astyanax taeniatus da bacia do Rio Mato Grosso, que encontra-se na porção leste do Estado do Rio de Janeiro (22 52 S; 42 40 W e 22 53 S; 42 34 W). Para a análise da dieta, os exemplares foram coletados bimestralmente entre março de 2006 e janeiro de 2007 em três localidades que diferiram pelas variáveis físicas. As observações de uso dos recursos do habitat foram realizadas por observação subaquática, na posição focal dos exemplares avistados, enquanto a quantificação da disponibilidade foi realizada em 50 quadrats de 20x20cm (400cm2) ao longo dos mesmos 50m onde foi realizada a observação sub-aquática. A análise do conteúdo estomacal de 651 exemplares foi realizada sob microscópio estereoscópico de acordo com métodos qualitativos e quantitativos (Freqüência de Ocorrência e Volumétrica). A participação relativa de cada item registrado nos estômagos em relação à totalidade da dieta foi analisada através do Índice Alimentar (IAi). Para verificar possíveis diferenças entre as proporções dos itens de origem animal e vegetal, autóctone e alóctone, os valores proporcionais foram testados pelo 2 de contingência. A partir dos dados de comprimento padrão e comprimento do intestino, foi calculado o valor do quociente intestinal. Os itens de origem vegetal tiveram maior contribuição na dieta da espécie para as localidades com maior altitude, enquanto os itens animais tiveram maior contribuição na localidade baixa. A diferença na contribuição dos itens de origem autóctone e alóctone também foi significativa. Na dieta de jovens e adultos, houve diferença significativa na contribuição de itens de origem vegetal e animal somente na localidade mais alta, onde os adultos consumiram maior quantidade de matéria vegetal. Os valores médios de quociente intestinal em jovens e adultos foram significativamente diferentes nas localidades de maior altitude, com valores maiores para indivíduos adultos. Observamos 52% dos indivíduos em profundidades entre 30 e 45 cm, 72% em áreas de rápido, 72% em velocidades entre 0 e 0,5km/h, 66% encontravam-se distantes da margem entre 40 e 120 cm, 37,6% em substrato do tipo areia e 34,4% em substrato do tipo pedra. De todos os padrões comportamentais observados, aquele que mais se destacou foi o forrageamento, onde 70,91% dos indivíduos estavam forrageando no meio da coluna dágua. Os resultados da dieta reforçam a idéia de as espécies de Astyanax têm hábito alimentar onívoro e oportunista, onde a espécie alimentou-se dos recursos disponíveis no ambiente evidenciando sua alta plasticidade alimentar ao longo do riacho. Espécies do gênero Astyanax são consideradas generalistas em relação ao uso do habitat e altamente ativas, corroborando com os resultados do presente estudo.

Determination of the activity of nitrifying bacteria in surface waters by a modified BOD-test. [Translation from: Zentbl.Bakt.Parasitkde 156(1) 414-421, 1972. ]

A modified method of the Biochemical oxygen demand (BOD)test was applied in order to find out the seasonal changing activity of the nitrifying bacteria in surface waters. Samples were taken from the River Elbe near Teufelsbrueck.

Analisis de las entidades no lucrativas del Pais Vasco dedicadas a la protección animal

This Final Project Grade, whose title is “Analysis of the non-lucrative entities of the Basque Country dedicated to animal protection”, has as main purpose the study of the historical, theoretical and legal context in which these institutions develop their activity, focusing in those which occur in the Basque Country.

Ecological effects of trial pumpings in the Upper Lambourn: Stage 1 group pumping test Upper Lambourn group, September - November 1975

This report to the Thames Water Authority and Central Water Planning Unit is on research carried out in conjunction with the Stage 1 Group Pumping Test of five boreholes in the upper Lambourn Group for a period of three months in September, October and November 1975. The aim of the study was to assess the ecological effects of the pumpin g of five bore-holes in the upper Lambourn. That is, to determine how the seasonal sequence of ecological events in the river differed from what would hav e occurred had no pumping taken place. Since this 'experiment' has no control it is not possible to make a direct assessment. Nevertheless, by careful monitoring of ecological events before, during and after the pumping it is possible to document changes in th e river and by reference to the data already available for the Rive r Lambourn, normal seasonal changes in the flora and fauna can be separated from changes which may be attributable to the pumping and subsequent events.

Progress report on fish counting on the Rivers Itchen and Test

This progress report summarises work on NSHEB Mark 10 fish counters which are installed at Woodmill on the River Itchen and Nurseling Mill and Connegar Bridge on the River Test. Counters are evaluated and salmon behaviour regarding the counters examined. The report includes a a list of equipment needed for the efficient running of the project in the future.

Behavior ecology of the Humboldt squid, Dosidicus gigas: insights from an animal-borne video and data logging system

Dosidicus gigas is a large pelagic cephalopod of the eastern Pacific that has recently undergone an unexpected, significant range expansion up the coast of North America. The impact that such a range expansion is expected to have on local fisheries and marine ecosystems has motivated a thorough study of this top predator, a squid whose lifestyle has been quite mysterious until recently. Unfortunately, Dosidicus spends daylight hours at depths prohibitive to making observations without significant artificial interference. Observations of this squid‟s natural behaviors have thus far been considerably limited by the bright illumination and loud noises of remotely-operated-vehicles, or else the presence of humans from boats or with SCUBA. However, recent technological innovations have allowed for observations to take place in the absence of humans, or significant human intrusion, through the use of animal-borne devices such as National Geographic‟s CRITTERCAM. Utilizing the advanced video recording and data logging technology of this device, this study seeks to characterize unknown components of Dosidicus gigas behavior at depth. Data from two successful CRITTERCAM deployments reveal an assortment of new observations concerning Dosidicus lifestyle. Tri-axial accelerometers enable a confident description of Dosidicus orientation during ascents, descents, and depth maintenance behavior - previously not possible with simple depth tags. Video documentation of intraspecific interactions between Dosidicus permits the identification of ten chromatic components, a previously undescribed basal chromatic behavior, and multiple distinct body postures. And finally, based on visualizations of spermatophore release by D. gigas and repetitive behavior patterns between squid pairs, this thesis proposes the existence of a new mating behavior in Dosidicus. This study intends to provide the first glimpse into the natural behavior of Dosidicus, establishing the groundwork for a comprehensive ethogram to be supported with data from future CRITTERCAM deployments. Cataloguing these behaviors will be useful in accounting for Dosidicus‟ current range expansion in the northeast Pacific, as well as to inform public interest in the impacts this expansion will have on local fisheries and marine ecosystems.

Efeitos da privação de sono paradoxal na nocicepção e ansiedade em ratos

A privação de sono paradoxal (PSP) provoca diversas alterações neuroquímicas e comportamentais relacionadas a mudanças nas funções de sistemas de neurotransmissores. São descritas na literatura respostas aumentadas a estímulos álgicos em animais privados desta fase de sono. Os métodos de PSP frequentemente utilizados têm sido associados à geração de ansiedade nos animais, e a hiperalgesia observada poderia, portanto, ser conseqüência aos estímulos ansiogênicos gerados pelo método. Neste trabalho tivemos como objetivos avaliar se o método utilizado para a PSP é ansiogênico e investigar o efeito dos fármacos ansiolítico, diazepam e analgésico, ácido acetilsalicílico sobre a ansiedade e resposta a estímulos térmicos álgicos em animais PSP. Ratos machos Wistar com 90 dias de vida foram privados de sono paradoxal por 96 horas, sendo a resposta álgica avaliada pelo tempo de retirada da pata traseira em ratos expostos à placa quente (46C). A avaliação do nível de ansiedade dos animais foi feita através do teste do campo aberto, através da relação entre a permanência nos quadrantes centrais e nos quadrantes periféricos, e também pelo teste do labirinto em cruz elevado, sendo quantificado o número de vezes que o animal entrava nos braços abertos do labirinto e o tempo gasto pelo animal nos mesmos braços. Os animais PSP apresentaram aumento no índice de locomoção em relação aos animais controles (+314,8%, p<0,05), aumento no número de entradas (+257,1%) e no tempo gasto nos braços abertos do labirinto em cruz elevado (+319,2%, p<0,05), e redução na latência de retirada da pata traseira da placa quente (-64,2%, p<0,05). O fármaco diazepam, não influenciou nas respostas apresentadas pelos animais PSP no teste de campo aberto e no teste da placa quente, mas influenciou nas repostas apresentadas por estes animais no teste do labirinto em cruz elevado tanto no tempo (+308, p<0,05), quanto no número de entradas (+316,6%, p<0,05). O fármaco ácido acetilsalicílico promoveu uma diminuição do índice de locomoção nos animais PSP submetidos ao teste de campo aberto que também foram administrados com o diazepam (-99,5%, p<0,05). No teste da placa quente o ácido acetilsalicílico não apresentou nenhuma influência na percepção de dor nos animais. Os resultados obtidos neste trabalho indicam que o método de privação de sono paradoxal por período de 96 horas não induz ansiedade, e a redução farmacológica dos níveis de ansiedade não influencia na resposta álgica induzida pela privação de sono paradoxal.