Modelos de resposta à interação entre fármacos anestésicos : análise de regressão e análise de Clusters

Os avanços tecnológicos e científicos, na área da saúde, têm vindo a aliar áreas como a Medicina e a Matemática, cabendo à ciência adequar de forma mais eficaz os meios de investigação, diagnóstico, monitorização e terapêutica. Os métodos desenvolvidos e os estudos apresentados nesta dissertação resultam da necessidade de encontrar respostas e soluções para os diferentes desafios identificados na área da anestesia. A índole destes problemas conduz, necessariamente, à aplicação, adaptação e conjugação de diferentes métodos e modelos das diversas áreas da matemática. A capacidade para induzir a anestesia em pacientes, de forma segura e confiável, conduz a uma enorme variedade de situações que devem ser levadas em conta, exigindo, por isso, intensivos estudos. Assim, métodos e modelos de previsão, que permitam uma melhor personalização da dosagem a administrar ao paciente e por monitorizar, o efeito induzido pela administração de cada fármaco, com sinais mais fiáveis, são fundamentais para a investigação e progresso neste campo. Neste contexto, com o objetivo de clarificar a utilização em estudos na área da anestesia de um ajustado tratamento estatístico, proponho-me abordar diferentes análises estatísticas para desenvolver um modelo de previsão sobre a resposta cerebral a dois fármacos durante sedação. Dados obtidos de voluntários serão utilizados para estudar a interação farmacodinâmica entre dois fármacos anestésicos. Numa primeira fase são explorados modelos de regressão lineares que permitam modelar o efeito dos fármacos no sinal cerebral BIS (índice bispectral do EEG – indicador da profundidade de anestesia); ou seja estimar o efeito que as concentrações de fármacos têm na depressão do eletroencefalograma (avaliada pelo BIS). Na segunda fase deste trabalho, pretende-se a identificação de diferentes interações com Análise de Clusters bem como a validação do respetivo modelo com Análise Discriminante, identificando grupos homogéneos na amostra obtida através das técnicas de agrupamento. O número de grupos existentes na amostra foi, numa fase exploratória, obtido pelas técnicas de agrupamento hierárquicas, e a caracterização dos grupos identificados foi obtida pelas técnicas de agrupamento k-means. A reprodutibilidade dos modelos de agrupamento obtidos foi testada através da análise discriminante. As principais conclusões apontam que o teste de significância da equação de Regressão Linear indicou que o modelo é altamente significativo. As variáveis propofol e remifentanil influenciam significativamente o BIS e o modelo melhora com a inclusão do remifentanil. Este trabalho demonstra ainda ser possível construir um modelo que permite agrupar as concentrações dos fármacos, com base no efeito no sinal cerebral BIS, com o apoio de técnicas de agrupamento e discriminantes. Os resultados desmontram claramente a interacção farmacodinâmica dos dois fármacos, quando analisamos o Cluster 1 e o Cluster 3. Para concentrações semelhantes de propofol o efeito no BIS é claramente diferente dependendo da grandeza da concentração de remifentanil. Em suma, o estudo demostra claramente, que quando o remifentanil é administrado com o propofol (um hipnótico) o efeito deste último é potenciado, levando o sinal BIS a valores bastante baixos.

Occupational exposure to environmental tobacco smoke in hospitality venues: are genetic- or proteomics-based biomarkers predictive of respiratory diseases?

Environmental tobacco smoke (ETS) is recognized as an occupational hazard in the hospitality industry. Although Portuguese legislation banned smoking in most indoor public spaces, it is still allowed in some restaurants/bars, representing a potential risk to the workers’ health, particularly for chronic respiratory diseases. The aims of this work were to characterize biomarkers of early genetic effects and to disclose proteomic signatures associated to occupational exposure to ETS and with potential to predict respiratory diseases development. A detailed lifestyle survey and clinical evaluation (including spirometry) were performed in 81 workers from Lisbon restaurants. ETS exposure was assessed through the level of PM 2.5 in indoor air and the urinary level of cotinine. The plasma samples were immunodepleted and analysed by 2D-SDSPAGE followed by in-gel digestion and LC-MS/MS. DNA lesions and chromosome damage were analysed innlymphocytes and in exfoliated buccal cells from 19 cigarette smokers, 29 involuntary smokers, and 33 non-smokers not exposed to tobacco smoke. Also, the DNA repair capacity was evaluated using an ex vivo challenge comet assay with an alkylating agent (EMS). All workers were considered healthy and recorded normal lung function. Interestingly, following 2D-DIGE-MS (MALDI-TOF/TOF), 61 plasma proteins were found differentially expressed in ETS-exposed subjects, including 38 involved in metabolism, acute-phase respiratory inflammation, and immune or vascular functions. On the other hand, the involuntary smokers showed neither an increased level of DNA/chromosome damage on lymphocytes nor an increased number of micronuclei in buccal cells, when compared to non-exposed non-smokers. Noteworthy, lymphocytes challenge with EMS resulted in a significantly lower level of DNA breaks in ETS-exposed as compared to non-exposed workers (P<0.0001) suggestive of an adaptive response elicited by the previous exposure to low levels of ETS. Overall, changes in proteome may be promising early biomarkers of exposure to ETS. Likewise, alterations of the DNA repair competence observed upon ETS exposure deserves to be further understood. Work supported by Fundação Calouste Gulbenkian, ACSS and FCT/Polyannual Funding Program.

Effects of antihypertensive drugs in the differentiation and activation of human bone cells

O osso é um tecido metabolicamente ativo e a sua remodelação é importante para regular e manter a massa óssea. Esse processo envolve a reabsorção do material ósseo por ação dos osteoclastos e a síntese de novo material ósseo mediado pelos osteoblastos. Vários estudos têm sugerido que a pressão arterial elevada está associada a alterações no metabolismo do cálcio, o que leva ao aumento da perda de cálcio e da remoção de cálcio do osso. Embora as alterações no metabolismo ósseo sejam um efeito adverso associado a alguns fármacos antihipertensores, o conhecimento em relação a este efeito terapêutico ligado com os bloqueadores de canais de cálcio é ainda muito escasso. Uma vez que os possíveis efeitos no osso podem ser atribuídos à ação antihipertensiva dessas moléculas, ou através de um efeito direto nas atividades metabólicas ósseas, torna-se necessário esclarecer este assunto. Devido ao facto de que as alterações no metabolismo ósseo são um efeito adverso associado a alguns fármacos antihipertensores, o objetivo deste trabalho é avaliar o efeito que os bloqueadores dos canais de cálcio exercem sobre as células ósseas humanas, nomeadamente osteoclastos, osteoblastos e co-culturas de ambos os tipos celulares. Verificou-se que os efeitos dos fármacos antihipertensores variaram consoante o fármaco testado e o sistema de cultura usado. Alguns fármacos revelaram a capacidade de estimular a osteoclastogénese e a osteoblastogénese em concentrações baixas. Independentemente da identidade do fármaco, concentrações elevadas revelaram ser prejudiciais para a resposta das células ósseas. Os mecanismos intracelulares através dos quais os efeitos foram exercidos foram igualmente afetados de forma diferencial pelos diferentes fármacos. Em resumo, este trabalho demonstrou que os bloqueadores dos canais de cálcio utilizados possuem a capacidade de afetar direta- e indiretamente a resposta de células ósseas humanas, cultivadas isoladamente ou co-cultivadas. Este tipo de informação é crucial para compreender e prevenir os potenciais efeitos destes fármacos no tecido ósseo, e também para adequar e eventualmente melhorar a terapêutica antihipertensora de cada paciente.

La médecine indigène comme instrument normatif social: l’exemple du corps malade navajo

La médecine traditionnelle indigène peut parfois se poser comme un instrument normatif désignant le malade comme celui qui transgresse l‘ordre établi par les ancêtres sacrés et permet à la maladie d‘advenir. Un tiers malveillant ou un sorcier peuvent également être les causes du désordre physiologique et moral du corps social communautaire. L‘étiologie navajo repose sur deux phénomènes : l‘existence de sociosomas (troubles liés à une mauvaise relation à l‘entourage) et de mouvements d‘exclusion ou d‘inclusion du corps étranger, de la conduite déviante. L‘étude de la figure du malade dans les mythes soulignera l‘aspect normatif des thérapeutiques navajo. Enfin, une réflexion sur la justification idéologique de l‘intégration des pratiques ancestrales au protocole de soin montrera dans quelle mesure la collaboration entre praticiens traditionnels et personnels de santé contribue à stigmatiser le malade comme l‘épitome de toutes les déviances : par rapport à la tradition mais aussi au modèle social dominant.

Macrophages as biomarkers in BCG treatment response in bladder cancer

Bladder cancer is a common urologic cancer and the majority has origin in the urothelium. Patients with intermediate and high risk of recurrence/progression bladder cancer are treated with intravesical instillation with Bacillus Calmette-Guérin, however, approximately 30% of patients do not respond to treatment. At the moment, there are no accepted biomarkers do predict treatment outcome and an early identification of patients better served by alternative therapeutics. The treatment initiates a cascade of cytokines responsible by recruiting macrophages to the tumor site that have been shown to influence treatment outcome. Effective BCG therapy needs precise activation of the Th1 immune pathway associated with M1 polarized macrophages. However, tumor-associated macrophages (TAMs) often assume an immunoregulatory M2 phenotype, either immunosuppressive or angiogenic, that interfere in different ways with the BCG induced antitumor immune response. The M2 macrophage is influenced by different microenvironments in the stroma and the tumor. In particular, the degree of hypoxia in the tumors is responsible by the recruitment and differentiation of macrophages into the M2 angiogenic phenotype, suggested to be associated with the response to treatment. Nevertheless, neither the macrophage phenotypes present nor the influence of localization and hypoxia have been addressed in previous studies. Therefore, this work devoted to study the influence of TAMs, in particular of the M2 phenotype taking into account their localization (stroma or tumor) and the degree of hypoxia in the tumor (low or high) in BCG treatment outcome. The study included 99 bladder cancer patients treated with BCG. Tumors resected prior to treatment were evaluated using immunohistochemistry for CD68 and CD163 antigens, which identify a lineage macrophage marker and a M2-polarized specific cell surface receptor, respectively. Tumor hypoxia was evaluated based on HIF-1α expression. As a main finding it was observed that a high predominance of CD163+ macrophage counts in the stroma of tumors under low hypoxia was associated with BCG immunotherapy failure, possibly due to its immunosuppressive phenotype. This study further reinforces the importance the tumor microenvironment in the modulation of BCG responses.

Abordagem farmacoepidemiológica da terapêutica no idoso: um ensaio em meio hospitalar

Introdução: O envelhecimento demográfico e o aumento da esperança de vida, criam condições para uma maior incidência de doenças degenerativas. Vários aspectos críticos envolvem a medicação no idoso, tais como: polimedicação frequente, com risco acrescido de ocorrência de reacções adversas, relacionadas com interacções medicamentosas e eventual medicação desaconselhada, em que o risco pode ser superior ao benefício. Estes aspectos são particularmente críticos no idoso hospitalizado. Objectivo: Este estudo teve como objectivo estimar a prevalência da polimedicação em idosos hospitalizados e analisar a medicação considerada inadequada nesta população. Participantes e metodologia: Seguiu-se um modelo retrospectivo descritivo transversal, reportando-se os dados a um período de um ano e meio, incidindo sobre o último internamento. A natureza da medicação, foi analisada de acordo com o Formulário Terapêutico Nacional, Resumo das Caracteristicas do Medicamento e com critérios de Beers-2002.Englobou 100 idosos (>65 anos) utentes do Hospital Cuf Descobertas, em regime de internamento. Os dados pessoais e clínicos e respectivo mapa farmacoterapêutico, foram introduzidos em base de dados construída para este estudo, em Access 2003 SP2. Procedeu-se à analise estatística (SPSS 13,0), descritiva, com cálculo de medidas de tendência central; análise univariada para todas as variáveis relevantes e análise bi-variada para quantificar a prevalência da polimedicação por sexo e grupo etário. Resultados:Dos doentes estudados (65-98 anos), maioritariamente femininos, 7 apresentavam 4 patologias em simultâneo, 13:3 patologias, 27:2 patologias e 30:1 patologia. Em 23 não se verificou qualquer patologia crónica. A hipertensão (n=49:27,5%) e a patologia cardiovascular (n=41:23%) foram as mais frequentemente encontradas na amostra em estudo sendo as de menor frequência a patologia reumática (n=1:0,56%), a osteoporose e os problemas psíquicos (n=2:1,12%. A prevalência de polimedicação foi de 84% e nº de medicamentos prescrito em simultâneo variou entre 2 e 23.Não se observou associação entre a polimedicação, a idade: e o sexo. Em apenas um caso foi identificado um medicamento desaconselhado em função do diagnóstico (metoclopramida:Parkinson), e independentemente do diagnóstico a amiodariona foi o mais frequente (25%), hidroxizina (22%), ticlopidina (2%) e cetorolac (1%). Conclusões: A polimedicação é um fenómeno muito frequente nos idosos hospitalizados; o número de medicamentos envolvidos pode ser elevado e a prevalência de medicamentos que requerem uma ponderação sobre o risco/benefício no idoso, indicia a vantagem da revisão da terapêutica, impondo-se a implementação de estratégias informativas sobre os mesmos. Background: The demographic aging and expansion of life expectancy create conditions for increased occurrence of degenerative illnesses. Several critical aspects involve the medication of the elderly, such as: frequent polipharmacy with increased occurrence of adverse drug reactions, related to medication interactions and inappropriate prescribing, in which the benefits can be inferior to the risks.These aspects are particularly critical in the hospitalized elderly. Aim: This study aimed to estimate the prevalence of polipharmacy in hospitalized elderly and to analyze the medication considered inappropriate in this population. Participants and Methodology: A cross sectional model was followed, in which the data used relate to a period of a year and a half, focussing on the last hospitalization. The nature of the medication was analysed according to National Therapeutic Formulary, Drug Characteristics Summary and according to Beers-2002.It considered 100 elderly (>65 years) hospitalized at Hospital Cuf Descobertas. The personal and clinical data and the corresponding pharmacotherapeutic registration were introduced in a database created for this study in Access 2003 SP2. Descriptive statistics was calculated trough SPSS 13,0,.Exploraty analysis consisted in measures of average and spread for all variable considered relevant and univariate and bivariate analysis to quantify the prevalence of polipharmacy by sex and age and to relate polipharmacy with inappropriate medication. Results: Of the patients studied (65-98 years), the majority were women, 7 presented 4 pathologies, 13:3 pathologies, 27:2 pathologies and 30:1 pathology. In 23 patients there was any chronic pathology. Hypertension (n=49:27,5%) and cardiovascular disease (n=41:23%) were the most frequent disease in our study, and the minimal values were observed in rheumatism (n=1:0,56%), osteoporosis and psychic disorders (n=2:1,12%. The prevalence of polipharmacy was of 84% and the amount of medication simultaneously prescribed varied between 2 and 23.No association was observed between polipharmacy and age or gender. In only one case inappropriate medication was identified concerning diagnosis (metoclopramid: Parkinson), and independent of diagnosis the amiodaron was the most frequent (25%), hydroxyzin (22%), ticlopidin (2%). and ketorolac (1%). Conclusions: Polipharmacy is very prevalent among elderly people admitted to the hospital; the number of inappropriate medication can also be very high and this evidence should be collected in order to accomplish good drug use reviews and informative strategies in the hospital setting.

Influência do alinhamento do pé nos Ajustes Posturais Antecipatórios em crianças com Paralisia Cerebral

Introdução: A dificuldade na organização dos ajustes posturais antecipatórios (APAs) é frequentemente associada ao défice de controlo postural (CP) em crianças/jovens com um quadro motor de hemiplegia espástica, resultante de paralisia cerebral. As alterações biomecânicas da tibiotársica e do pé são características comummente observadas nestas crianças/jovens e influenciam o CP na sua globalidade. Objectivo(s): descrever o comportamento dos APAs associados ao início da marcha, face à modificação do alinhamento do pé em crianças/jovens com hemiplegia espástica, após 12 semanas de intervenção, segundo o Conceito Bobath-TND e aplicação de uma Ligadura Funcional (LF). Métodos: Foram avaliadas quatro crianças/jovens num momento inicial (M0) e após 12 semanas de intervenção e de aplicação de uma LF (M1). Recorrendo à eletromiografia de superfície, registaram-se os timings de activação dos músculos tibial anterior, solear, recto abdominal e erector da espinha (bilateralmente). O início do movimento foi calculado a partir da alteração do sinal obtido através da plataforma de pressões. Recorreu-se à aplicação da TMFM-88 para avaliar a função motora global e à aplicação da CIF-CJ para classificar a funcionalidade mediante as actividades e a participação. Procedeu-se ao registo de imagem para facilitar a observação/avaliação das componentes de movimento das crianças/jovens em estudo. Resultados: Após o período de intervenção, verificou-se uma modificação nos valores dos timings de ativação dos músculos em análise, que se aproximaram da janela temporal definida como APAs, bem como na distribuição de carga na base de suporte, nos scores da TMFM-88 e nos qualificadores das “Actividades e Participação”, sugestivos de uma melhor organização dos mecanismos de controlo postural. Conclusão: As crianças/jovens em estudo evidenciaram, após uma intervenção de fisioterapia baseada no Conceito Bobath- TND e aplicação de uma LF, uma evolução favorável tanto ao nível do CP da tibiotársica e do pé, apresentando timings de ativação muscular temporalmente mais ajustados à tarefa, com repercussões positivas nas actividades e participação.

Apuramento de custos por utente nos cuidados de saúde primários

RESUMO - Introdução: A ausência de um plano de contabilidade analítica para os Cuidados de Saúde Primários é um problema para a realização da contabilidade interna, fundamental para a gestão de qualquer instituição de saúde. Sem linhas orientadoras para a uniformização dos critérios de imputação e distribuição dos custos/proveitos, torna-se complicado obter dados analíticos para que haja um controlo de gestão mais eficaz, que permita a utilização dos recursos de uma forma eficiente e racional, melhorando a qualidade da prestação de cuidados aos utentes. Objectivo: O presente projecto de investigação tem como principal objectivo apurar o custo por utente nos Cuidados de Saúde Primários. Metodologia: Foi construída uma metodologia de apuramento de custos com base no método Time-Driven Activity-Based Costing. O custo foi imputado a cada utente utilizando os seguintes costs drivers: tempo de realização da consulta e a produção realizada para a imputação dos custos com o pessoal médico; produção realizada para a imputação dos outros custos com o pessoal e dos custos indirectos variáveis; número total de utentes inscritos para a imputação dos custos indirectos fixos. Resultados: O custo total apurado foi 2.980.745,10€. O número médio de consultas é de 3,17 consultas por utente inscrito e de 4,72 consultas por utente utilizador. O custo médio por utente é de 195,76€. O custo médio por utente do género feminino é de 232,41€. O custo médio por utente do género masculino é de 154,80€. As rubricas com mais peso no custo total por utente são os medicamentos (40,32%), custo com pessoal médico (22,87%) e MCDT (17,18%). Conclusão: Na implementação de um sistema de apuramentos de custos por utente, é fulcral que existam sistemas de informação eficientes que permitam o registo dos cuidados prestados ao utente pelos vários níveis de prestação de cuidados. É importante também que a gestão não utilize apenas os resultados apurados como uma ferramenta de controlo de custos, devendo ser potenciada a sua utilização para a criação de valor ao utente.

The economics of Vieira da Silva

This paper investigates the time valuation and the age valuation profile of art-works created by the Portuguese female painter Maria Helena Vieira da Silva. It uses data from records from her paintings auction sales between 1986 and 2014, taken from Artprice.com. The study explores three aspects regarding her artistic career: (1) estimation of Age-valuation profile, defining her creativity pattern and the age at which she produced her most valuable paintings; (2) estimation of time valuation profile, through a creation of an individual hedonic price index for Vieira da Silva; (3) internationalization phenomenon of the artist, investigating whether selling prices are primarily set in euros or in US dollar. The results suggest that Vieira da Silva peaked quite early in her career; her paintings prices are not very sensible to economic cycles and tends to slightly increase afterlife; the empirical results are not suggestive on which currency is the best predictor of her paintings’ price.

Envelhecimento ativo : qualidade de vida relacionada com a saúde em idosos praticantes de atividade física : Gigong

RESUMO - Racional : A proporção da população nacional de idosos regista uma tendência crescente e as suas consequências a nível humano, social e económico são preocupantes para os gestores dos serviços de saúde. O Qigong, componente da Medicina Tradicional Chinesa, compreende a realização de movimentos suaves, controlo da respiração e meditação. Objetivos e hipóteses: No âmbito da prática de atividade física enquanto estratégia de um envelhecimento ativo, investigou-se a hipótese do Qigong contribuir para a melhoria da Qualidade de Vida Relacionada com a Saúde dos idosos participantes nesta investigação. Pretendeu-se igualmente investigar a contribuição do Qigong na redução das Frequências Respiratória e Cardíaca. Métodos: Tratou-se de um estudo quasi-experimental, antes e depois da prática de Qigong, caraterizando-se os idosos, avaliando-se a Qualidade de Vida Relacionada com a Saúde através do Questionário SF-12v2 e as Frequências Respiratória e Cardíaca, antes e depois das sessões de Qigong. Resultados: Observou-se uma adesão ao programa de 46%, constatando-se uma tendência global para a melhoria da Qualidade de Vida Relacionada com a Saúde após a prática de Qigong, com diferença estatisticamente significativa na dimensão Função Social do questionário (p = 0,046) e na redução da Frequência Respiratória (p = 0,031). Nas dimensões Desempenho Emocional e Medida Sumário Mental, observou-se um nível de tendência sugestivo de efeito (p <0,10). Foram demonstrados benefícios sentidos por parte dos idosos, decorrentes da prática de Qigong. Conclusão: O Qigong demonstrou efetividade na melhoria da qualidade de vida social e redução da Frequência Respiratória, sugerindo melhoria ao nível mental e emocional dos idosos.

Assessing the role of social networks on migrant labor market outcomes: Evidence from a representative immigrant survey

What role do social networks play in determining migrant labor market outcomes? We examine this question using data from a random sample of 1500 immigrants living in Ireland. We propose a theoretical model formally predicting that immigrants with more contacts have additional access to job offers, and are therefore better able to become employed and choose higher paid jobs. Our empirical analysis confirms these findings, while focusing more generally on the relationship between migrants’ social networks and a variety of labor market outcomes (namely wages, employment, occupational choice and job security), contrary to the literature. We find evidence that having one more contact in the network is associated with an increase of 11pp in the probability of being employed and with an increase of about 100 euros in the average salary. However, our data is not suggestive of a network size effect on occupational choice and job security. Our findings are robust to sample selection and other endogeneity concerns.

IPO impact on industry incumbents

The creation of an innovative company is suggestive of change in an industry. To test that change this paper tests the impact of IPOs on industry incumbents. IPOs are found to happen in industries that exhibited positive abnormal returns for up to 5 years before the IPO date. The IPO date is found to coincide with the end of that industry abnormal return profile. This paper suggests this evidence is consistent with the IPO acting as mechanism of enforcing market efficiency at the industry level.

Development of human central nervous system 3D in vitro models for preclinical research

Neurological disorders are a major concern in modern societies, with increasing prevalence mainly related with the higher life expectancy. Most of the current available therapeutic options can only control and ameliorate the patients’ symptoms, often be-coming refractory over time. Therapeutic breakthroughs and advances have been hampered by the lack of accurate central nervous system (CNS) models. The develop-ment of these models allows the study of the disease onset/progression mechanisms and the preclinical evaluation of novel therapeutics. This has traditionally relied on genetically engineered animal models that often diverge considerably from the human phenotype (developmentally, anatomically and physiologically) and 2D in vitro cell models, which fail to recapitulate the characteristics of the target tissue (cell-cell and cell-matrix interactions, cell polarity). The in vitro recapitulation of CNS phenotypic and functional features requires the implementation of advanced culture strategies that enable to mimic the in vivo struc-tural and molecular complexity. Models based on differentiation of human neural stem cells (hNSC) in 3D cultures have great potential as complementary tools in preclinical research, bridging the gap between human clinical studies and animal models. This thesis aimed at the development of novel human 3D in vitro CNS models by integrat-ing agitation-based culture systems and a wide array of characterization tools. Neural differentiation of hNSC as 3D neurospheres was explored in Chapter 2. Here, it was demonstrated that human midbrain-derived neural progenitor cells from fetal origin (hmNPC) can generate complex tissue-like structures containing functional dopaminergic neurons, as well as astrocytes and oligodendrocytes. Chapter 3 focused on the development of cellular characterization assays for cell aggregates based on light-sheet fluorescence imaging systems, which resulted in increased spatial resolu-tion both for fixed samples or live imaging. The applicability of the developed human 3D cell model for preclinical research was explored in Chapter 4, evaluating the poten-tial of a viral vector candidate for gene therapy. The efficacy and safety of helper-dependent CAV-2 (hd-CAV-2) for gene delivery in human neurons was evaluated, demonstrating increased neuronal tropism, efficient transgene expression and minimal toxicity. The potential of human 3D in vitro CNS models to mimic brain functions was further addressed in Chapter 5. Exploring the use of 13C-labeled substrates and Nucle-ar Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy tools, neural metabolic signatures were evaluated showing lineage-specific metabolic specialization and establishment of neu-ron-astrocytic shuttles upon differentiation. Chapter 6 focused on transferring the knowledge and strategies described in the previous chapters for the implementation of a scalable and robust process for the 3D differentiation of hNSC derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC). Here, software-controlled perfusion stirred-tank bioreactors were used as technological system to sustain cell aggregation and dif-ferentiation. The work developed in this thesis provides practical and versatile new in vitro ap-proaches to model the human brain. Furthermore, the culture strategies described herein can be further extended to other sources of neural phenotypes, including pa-tient-derived hiPSC. The combination of this 3D culture strategy with the implemented characterization methods represents a powerful complementary tool applicable in the drug discovery, toxicology and disease modeling.

The role of arl13b in cilia length regulation and in zebrafish development

RESUMO: Arl13b é uma importante proteína ciliar, presente em cílios primários e cílios móveis. Ratinhos mutantes para Arl13b têm comprimento dos cílios reduzido e defeitos nos B-túbulos dos cílios. Como consequência destes fenótipos, deficiências na Arl13b originam, em modelos animais, várias doenças congénitas, incluindo problemas no estabelecimento do eixo esquerda-direita, malformações cerebrais e deformações corporais. Nos seres humanos, deficiências na Arl13b levam a uma doença crónica congénita chamada Síndrome de Joubert. Por outro lado, a sobreexpressão de Arl13b origina cílios mais longos, no entanto existe uma ausência da caracterização dos fenótipos celulares e durante o desenvolvimento embrionário. Neste trabalho, quisemos explorar o efeito da sobre-expressão de Arl13b em embriões de peixezebra. Descobrimos que, ao nível ciliar, a sobre-expressão de Arl13b nas células aumenta o comprimento ciliar em cílios primários e móveis, no entanto, a esses cílios falta adequada acetilação da alfa-tubulina no citoesqueleto feito por microtúbulos. Os nossos resultados mostraram que esse efeito é específico de Arl13b sobre-expressão e quando se manipularam as enzimas responsáveis pela acetilação (Mec17) e pela de-acetilação (HDAC6) encontrámos uma sinergia potencial com ambas. Testámos ainda, que o aumento no comprimento ciliar não estava causalmente relacionado com a falta de acetilação, ou seja, os cílios com menos acetilação não eram necessariamente os mais longos. Também mostrámos que a sobre-expressão de Arl13b é capaz de restaurar o comprimento dos cílios em mutantes com cílios curtos e como isso pode ser explorado para um futuro potencial papel terapêutico para Arl13b. Em seguida, foi avaliado o impacto do aumento da quantidade de Arl13b no desenvolvimento embrionário do peixe-zebra. Observou-se que a sobre-expressão de Arl13b apresentava fenótipos muito fracos, quando comparados com a perda de função dos mutantes de Arl13b. Focados no inesperado fenótipo leve no estabelecimento do eixo esquerda-direita abordámos a questão através do estabelecimento de uma colaboração com matemáticos, descobrimos que os cílios mais longos que potencialmente têm a capacidade de movimentar mais fluido são atenuados por amplitudes de batimento menores, e, como resultado, estes longos cílios não prejudicam o movimento do fluido e consequentemente não afetam o estabelecimento dos padrões de esquerda-direita. Sugerimos assim que a Arl13b é um regulador chave, do comprimento ciliar. Descobrimos uma nova interação com as enzimas de acetilação/de-acetilação e levantamos novas hipóteses quanto aos mecanismos moleculares da função da Arl13b. Propomos um novo modelo para o mecanismo molecular da Arl13b na regulação do comprimento dos cílios onde podemos integrar os nossos resultados com os relatados na literatura. Este trabalho adiciona mais conhecimento para o mecanismo de ação da Arl13b e, portanto, fornece uma importante contribuição para o campo da investigação em cílios.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ABSTRACT: Arl13b is an important ciliary protein, present in primary and motile cilia. arl13b-/- mouse mutants have reduced cilia length and cilia B-tubule defects. As a consequence of these phenotypes, Arl13b loss of function animal models suffer from several congenital disorders including left-right problems, brain malformations and body deformations. In humans Arl13b depletion leads to a congenital chronic disease called Joubert Syndrome. On the other hand, overexpressing Arl13b leads to longer cilia but the characterization of the cellular and developmental phenotypes was missing. In this work we explore the effect of Arl13b overexpression in zebrafish embryos. We found that, at the ciliary level, Arl13b overexpression from 1 cell stage produces longer primary and motile cilia, but these cilia lack proper alpha tubulin acetylation of their microtubule cytoskeleton. Our results showed that this effect is specific from Arl13b overexpression and when we manipulated the enzymes responsible for acetylation, Mec17, and de-acetylation, HDAC6, we found a potential synergy of both mec17 knockdown and HDAC6 activity with Arl13b overexpression. We tested that the ciliary increase in length was not causally related to the lack of acetylation, meaning the more de-acetylated cilia were not necessarily the longer ones. We also showed that Arl13b overexpression is able to restore cilia length in short cilia mutants and how that may be explored to a potential future therapeutic role for Arl13b. Next, we evaluated the impact of increasing the amount of Arl13b in zebrafish embryonic development. We observed that Arl13b overexpression presented very mild phenotypes when compared to the loss of function mutants. We focused on the unexpected left-right mild phenotype and by establishing a mathematical modeling collaboration, we found out that the longer cilia generated force was attenuated by smaller beating amplitudes, and as a result, these long cilia were not impairing the cilia generated flow and the establishment of left-right patterning. We suggest that Arl13b is one key cilia length regulator. We disclosed a novel interaction with the acetylation / de-acetylation enzymes and raised new hypothesis as to the mechanisms of Arl13b function. We propose a new model for the Arl13b molecular mechanism of cilia length regulation where we integrate our findings with those reported in the literature. This work adds more knowledge to the Arl13b mechanism of action and therefore provides an important contribution to the cilia research field.